CN103928971A - 一种用于全植入式血泵的供能系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于全植入式血泵的供能系统及方法，该系统包括体外部分与体内部分；所述体外部分包括外接电源模块、驱动器、送电线圈、电压与电流检测模块、控制器、无线接收模块及显示模块；所述外接电源、驱动器及送电线圈依次相连；电压与电流检测模块检测送电线圈上的电压和电流，并传输至所述控制器，所述控制器与驱动器相连；所述无线接收模块与显示模块相连；整个系统结构简单，使用方便；该供能方法通过线圈的磁共振进行能量传输，有效解决了传统血泵供能系统的不足，避免了导线穿过皮肤引起的感染；系统供能更加稳定；大大缩短了电池充电时间；送电线圈通过吸盘直接吸附在人体皮肤上，其位置与体内受电线圈无需完全吻合。

Description

一种用于全植入式血泵的供能系统及方法

技术领域

本发明涉及一种用于全植入式血泵的供能系统及方法。

背景技术

心脏是人体的重要器官，心脏疾病是危害人类健康的重大疾病之一。目前世界上需要接受心脏移植的病人越来越多，但是全世界心脏供体稀缺，许多患者因此失去了生存机会，为解决这一难题，人工心脏(血泵)应用而生。人工心脏是指能够部分或完全代替自然心脏的功能，维持正常的人体血液循环的心脏辅助装置。其可以帮助衰竭的心脏完成循环功能，减轻心功能不全的病人自身的心脏负担，改善病人的临床症状。同时，降低病人的心肌耗氧量，改善其心肌收缩力，促进病人自身心脏泵机能的恢复。它还可用于心脏移植的过渡期，为病人等候以后的心脏移植争取时间。在众多种类的血泵中，全植入式血泵因没有经皮导线，避免了内外贯通，大大降低了人体感染的机会，同时可以有效减少溶血问题，因此成为血泵发展的主要方向。而在全植入式血泵的研究中，面临的主要问题之一是血泵系统的供能方式。

目前国内外主要的血泵系统依然是采用有线供电的，电缆穿皮引起的感染并没有得到很好地克服。现有技术的供电就是直接从体内的血泵装置引出导线，然后接上外部电源供电。

对于体内储能方式，主要有放射性核能源、生物能源以及电池。放射性核能源如238Pu原子能，按输出功率为50W计算，可以用5至10年。但是价格相当昂贵，并且植入体内后的核安全和污染等许多问题还有待进一步解决。至于生物能源，已经有相关的研究人员提出利用食物、肌力或生物电能等作为能源，驱动心室辅助和人工心脏以推动血液循环的设想。但试验之后获得的功率与所需的功率相差太远，目前还没有实用价值。对于电池，由于目前大容量高能电池的发展受到限制，不可能长时间向血泵提供足够的能量，因而限制了整个系统使用的连续性。

常宇和郝冬梅提出利用体外的直流电机驱动体外永磁转子转动，通过磁耦合，引起植入体内的永磁转子的同步转动，再通过发电机将转子的机械能转化为电能，经过倍压整流和滤波电路后，通过充电器向充电电池充电，为血泵工作提供能量(专利号：200620012054.0)。该系统避免了导线穿皮引起的感染，但这种通过电磁感应传递能量的方式传输距离仅为数厘米，且所用电机带动永磁转子转动，进而通过旋转磁场耦合感应生成电流，其能量损耗很大，效率低。另外其滤波和整流电路主要由二极管和电容组成，所输出的电压稳定性较差。该系统接通外部电源时，血泵的供电仍只能由电池提供，电池充电的同时在放电，因而充电时间长，充电效率低。

发明内容

本发明的目的在于为了克服上述现有技术中的电缆穿皮引起的感染、能量无线传输距离太短或线圈安装位置要求苛刻的问题，提供了一种利用磁共振原理供电的用于全植入式血泵的供能系统。

本发明采用如下技术方案：

一种用于全植入式血泵的供能系统，包括体外部分与体内部分；

所述体外部分包括外接电源模块、驱动器、送电线圈、电压与电流检测模块、控制器、无线接收模块及显示模块；所述外接电源、驱动器及送电线圈依次相连；电压与电流检测模块检测送电线圈上的电压和电流，并传输至所述控制器，所述控制器与驱动器相连；所述无线接收模块与显示模块相连；

所述体内部分包括受电线圈、整流与滤波电路、电源管理电路、充电电池、控制电路、电磁体、电量检测模块和无线发送模块；所述受电线圈、整流与滤波电路、控制电路及电磁体依次相连，受电线圈产生的感应电流经整流与滤波电路向控制电路供电，控制电路控制电磁体的磁极的输出状态，从而驱动作为血泵的永磁转子转动，即为血泵供电；

所述控制电路还由充电电池供电，所述整流与滤波电路与所述电源管理电路相连，电源管理电路与充电电池相连；所述电量检测模块与充电电池相连，无线发送模块与电量检测模块相连；

所述送电线圈通过磁共振将能量传递给受电线圈，共振频率为13-14MHz；

所述无线发送模块与无线接收模块无线通信连接。

所述外接电源模块为220V交流电源或24V直流电源，所述220V交流电源通过整流电路输送24V直流电。

所述送电线圈和受电线圈均为印制在PCB板上的环状铜箔。环状铜箔的使用使得线圈体积小，另外PCB板表面涂有三防漆，装置具有防水、轻便等特点。

所述印制有送电线圈的PCB板设置于体外吸盘中。

所述体外吸盘为圆形、中间凹陷的盘状部件，体外吸盘凹陷部内壁上设有与送电线圈所在PCB板尺寸相配合的环状卡槽以及一个用于导线穿过的通孔，吸盘材质为丁腈橡胶。

利用吸盘吸附在人体皮肤上，线圈的安装位置无需完全吻合即可实现能量传输。

所述导线用于连接驱动器和送电线圈，传输能量。

所述整流与滤波电路包括四个二极管和一个滤波电容，四个二极管组成全桥整流电路后，采用单向可控硅和稳压二极管输出稳定的电压为充电电池和控制电路供电。

所述控制电路采用51单片机，通过控制脉冲频率和序列，驱动电磁体产生旋转的磁场，从而实现对血泵转向和转速的控制。

一种用于全植入式血泵的供能方法，采用上述的用于全植入式血泵的供能系统，所述外接电源通过驱动器为送电线圈提供电能，电压与电流检测模块检测送电线圈上的电压和电流，并传输至控制器，控制器控制驱动器；利用置于体外的送电线圈通过磁共振将能量传输至受电线圈，受电线圈上产生的感应电流，经过整流和滤波电路，向控制电路供电，控制电路控制电磁体的磁极的输出状态，从而驱动作为血泵的永磁转子转动，即为血泵供电。

所述送电线圈的等效电容大小为可调节，送电线圈的两端至少并联有两个电容，每个电容串联有一个控制开关，通过控制器发出控制信号至驱动器，驱动器改变控制开关的通断，从而调节送电线圈的等效电容大小。

改变送电线圈等效电容的大小来控制线圈的共振频率，同时调节驱动电磁体上的电压/电流值以控制血泵的转速。

所述控制器为单片机，采用PWM功能调节驱动器输出电流/电压的占空比。

体内的受电线圈产生感应电流后，经过整流和滤波电路后向驱动血泵的电磁体和可充电电池供电。未接通外部电源时，血泵的所需电量由可充电电池提供；接通外部电源时直接由外部电源提供，同时外部电源向可充电电池充电，外部电源切断后血泵的供电方式切换为可充电电池供电，这种充电方式可大大缩短充电时间。

整个充电过程由电源管理电路控制，完成充电过程中各项参数的自动调节和控制，电池逐渐饱和时电源管理芯片会自动切断充电回路，充电停止。

所述的电量检测模块为通过检测充电电流来判断电池是否充满，并通过单片机无线发送模块将剩余电量值发送给体外的无线接收模块并显示。

有益效果

本发明提供了一种用于全植入式血泵的供能系统及方法，该系统包括体外部分与体内部分；所述体外部分包括外接电源模块、驱动器、送电线圈、电压与电流检测模块、控制器、无线接收模块及显示模块；所述外接电源、驱动器及送电线圈依次相连；电压与电流检测模块检测送电线圈上的电压和电流，并传输至所述控制器，所述控制器与驱动器相连；所述无线接收模块与显示模块相连；整个系统结构简单，使用方便；该供能方法通过线圈的磁共振进行能量传输，有效解决了传统血泵供能系统的不足，避免了导线穿过皮肤引起的感染；系统供能更加稳定；大大缩短了电池充电时间；送电线圈通过吸盘直接吸附在人体皮肤上，其位置与体内受电线圈无需完全吻合；该系统的供电电源既可为220V交流电源也可为24V的直流备用电源，且病人能够通过带无线接收模块的电量显示器实时监视可充电电池的电量，提高了患者的安全性和自由性。

附图说明

图1为本发明所述用于全植入式血泵的供能系统的结构示意图；

图2为磁共振送电线圈装置的结构及开关控制电路图；

图3为磁共振送电线圈装置的安装示意图；

图4为整流滤波电路原理图；

图5为充电、供电原理图；

图6为电磁体驱动血泵(永磁转子)转动的原理图；

标号说明：1-PCB板，2-送电线圈，3-吸盘，4-导线，5-人体皮肤。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

如图1所示，为本发明所述用于全植入式血泵的供能系统的结构示意图，一种用于全植入式血泵的供能系统，包括体外部分与体内部分；

所述体外部分包括外接电源模块、驱动器、送电线圈、电压与电流检测模块、控制器、无线接收模块及显示模块；所述外接电源、驱动器及送电线圈依次相连；电压与电流检测模块检测送电线圈上的电压和电流，并传输至所述控制器，所述控制器与驱动器相连；所述无线接收模块与显示模块相连；

所述体内部分包括受电线圈、整流与滤波电路、电源管理电路、充电电池、控制电路、电磁体、电量检测模块和无线发送模块；所述受电线圈、整流与滤波电路、控制电路及电磁体依次相连，受电线圈产生的感应电流经整流与滤波电路向控制电路供电，控制电路控制电磁体的磁极的输出状态，从而驱动作为血泵的永磁转子转动，即为血泵供电；

所述控制电路还由充电电池供电，所述整流与滤波电路与所述电源管理电路相连，电源管理电路与充电电池相连；所述电量检测模块与充电电池相连，无线发送模块与电量检测模块相连；

所述送电线圈通过磁共振将能量传递给受电线圈，共振频率为13-14MHz；

所述无线发送模块与无线接收模块无线通信连接。

线路1为外部电源向电磁体供电，线路2为可充电电池先电磁铁供电。

所述送电线圈和受电线圈均为印制在PCB板上的环状铜箔。

所述印制有送电线圈的PCB板设置于体外吸盘中。

所述体外吸盘为圆形、中间凹陷的盘状部件，体外吸盘凹陷部内壁上设有与送电线圈所在PCB板尺寸相配合的环状卡槽以及一个用于导线穿过的通孔，吸盘材质为丁腈橡胶。

利用吸盘吸附在人体皮肤上，线圈的安装位置无需完全吻合即可实现能量传输。

所述导线用于连接驱动器和送电线圈，传输能量。

所述整流与滤波电路包括四个二极管和一个滤波电容，四个二极管组成全桥整流电路后，采用单向可控硅和稳压二极管输出稳定的电压为充电电池和控制电路供电。

所述控制电路采用51单片机，通过控制脉冲频率和序列，驱动电磁体产生旋转的磁场，从而实现对血泵转向和转速的控制。

一种用于全植入式血泵的供能方法，采用上述的用于全植入式血泵的供能系统，所述外接电源通过驱动器为送电线圈提供电能，电压与电流检测模块检测送电线圈上的电压和电流，并传输至控制器，控制器控制驱动器；利用置于体外的送电线圈通过磁共振将能量传输至受电线圈，受电线圈上产生的感应电流，经过整流和滤波电路，向控制电路供电，控制电路控制电磁体的磁极的输出状态，从而驱动作为血泵的永磁转子转动，即为血泵供电。

所述送电线圈的等效电容大小为可调节，送电线圈的两端至少并联有两个电容，每个电容串联有一个控制开关，通过控制器发出控制信号至驱动器，驱动器改变控制开关的通断，从而调节送电线圈的等效电容大小。

对于送电线圈和受电线圈而言，其共振频率由线圈本身及接入电路中的电容决定，环形线圈的等效电感L，接入电路的等效电容C，共振频率的公式由于体内负载有一部分为线圈(感性负载)，其会对受电线圈的固有频率产生一定的影响，高频情况下，受电线圈电路以及与其相连的整流滤波电路中寄生电容、电感不容忽视，它们会直接影响到受电线圈电路的等效电容和电感，另外两线圈间距离的变动也会对线圈电路共振频率产生影响。

本发明通过对送电线圈所接电容进行调节，进而对其共振频率进行控制，实现耦合传输效率最大化。具体实施方式为：利用以单片机为核心的控制器对接入送电线圈的电容接入开关通断进行控制，等效电容即为接入电路的各电容之和，如图2所示，其中1为PCB板，2为送电线圈，RK为继电器RTE24005F。另外，环形送电线圈和受电线圈通过电路印刷的方式印刷在PCB板上，线圈和PCB板材质分别为铜箔和玻璃纤维环氧树脂，并且，受电线圈与整流滤波电路、电源管理电路置于同一基板上。

充电时，送电线圈所在PCB板位于吸盘的卡槽内，且吸盘吸附在体内受电线圈外的人体皮肤上，磁共振送电线圈装置的安装示意图如图3所示，其中3为吸盘，4为导线，5为人体皮肤。

送电线圈的输出功率通过单片机的PWM功能进行调节，受电线圈输出的交流电经过全桥整流和滤波电路，以及采用单向可控硅和稳压二极管输出稳定的电压后，供充电器和血泵驱动装置使用，整流滤波电路原理图参看附图4。

该系统为缩短充电时间采用了图5所示设计，经整流滤波后的直流输出与电池并联，未接通外部电源时，血泵的所需电量由可充电电池提供；接通外部电源时直接由外部电源提供，同时外部电源经由所述相关电路后向可充电电池充电，外部电源切断后血泵的供电方式切换为可充电电池供电。

电磁体驱动血泵(永磁转子)转动的原理如图6所示，1#线圈和2#线圈导通可使电磁体左边磁极分别产生N、S状态，3#线圈和4#线圈导通可使电磁体右边磁极分别产生S、N状态，通过控制1#线圈和3#线圈同时导通，可以产生NS状态(即电磁体左极产生N，右极产生S，简称NS)，同理，以单片机作为控制核心通过控制电磁体上四个线圈的通电时序和频率可使电磁体产生SS→NS→NN→SN四个状态循环变化的空间磁场，使永磁转子连续转动，且转速可调。

Claims (10)

1.一种用于全植入式血泵的供能系统，其特征在于，包括体外部分与体内部分；

所述体外部分包括外接电源模块、驱动器、送电线圈、电压与电流检测模块、控制器、无线接收模块及显示模块；所述外接电源、驱动器及送电线圈依次相连；电压与电流检测模块检测送电线圈上的电压和电流，并传输至所述控制器，所述控制器与驱动器相连；所述无线接收模块与显示模块相连；

所述体内部分包括受电线圈、整流与滤波电路、电源管理电路、充电电池、控制电路、电磁体、电量检测模块和无线发送模块；所述受电线圈、整流与滤波电路、控制电路及电磁体依次相连，受电线圈产生的感应电流经整流与滤波电路向控制电路供电，控制电路控制电磁体的磁极的输出状态，从而驱动作为血泵的永磁转子转动，即为血泵供电；

所述控制电路还由充电电池供电，所述整流与滤波电路与所述电源管理电路相连，电源管理电路与充电电池相连；所述电量检测模块与充电电池相连，无线发送模块与电量检测模块相连；

所述送电线圈通过磁共振将能量传递给受电线圈，共振频率为13-14MHz；

所述无线发送模块与无线接收模块无线通信连接。

2.根据权利要求1所述的用于全植入式血泵的供能系统，其特征在于，所述外接电源模块为220V交流电源或24V直流电源，所述220V交流电源通过整流电路输送24V直流电。

3.根据权利要求1所述的用于全植入式血泵的供能系统，其特征在于，所述送电线圈和受电线圈均为印制在PCB板上的环状铜箔。

4.根据权利要求3所述的用于全植入式血泵的供能系统，其特征在于，所述印制有送电线圈的PCB板设置于体外吸盘中。

5.根据权利要求4所述的用于全植入式血泵的供能系统，其特征在于，所述体外吸盘为圆形、中间凹陷的盘状部件，体外吸盘凹陷部内壁上设有与送电线圈所在PCB板尺寸相配合的环状卡槽以及一个用于导线穿过的通孔，吸盘材质为丁腈橡胶。

6.根据权利要求1所述的用于全植入式血泵的供能系统，其特征在于，所述整流与滤波电路包括四个二极管和一个滤波电容，四个二极管组成全桥整流电路后，采用单向可控硅和稳压二极管输出稳定的电压为充电电池和控制电路供电。

7.根据权利要求1所述的用于全植入式血泵的供能系统，其特征在于，所述控制电路采用51单片机，通过控制脉冲频率和序列，驱动电磁体产生旋转的磁场，从而实现对血泵转向和转速的控制。

8.一种用于全植入式血泵的供能方法，其特征在于，采用权利要求1-7任一项所述的用于全植入式血泵的供能系统，所述外接电源通过驱动器为送电线圈提供电能，电压与电流检测模块检测送电线圈上的电压和电流，并传输至控制器，控制器控制驱动器；利用置于体外的送电线圈通过磁共振将能量传输至受电线圈，受电线圈上产生的感应电流，经过整流和滤波电路，向控制电路供电，控制电路控制电磁体的磁极的输出状态，从而驱动作为血泵的永磁转子转动，即为血泵供电。

9.根据权利要求8所述的用于全植入式血泵的供能方法，其特征在于，所述送电线圈的等效电容大小为可调节，送电线圈的两端至少并联有两个电容，每个电容串联有一个控制开关，通过控制器发出控制信号至驱动器，驱动器改变控制开关的通断，从而调节送电线圈的等效电容大小。

10.根据权利要求9所述的用于全植入式血泵的供能方法，其特征在于，所述控制器为单片机，采用PWM功能调节驱动器输出电流/电压的占空比。