CN104302356B - 用于优化的植入体线圈耦合的规定的铁磁材料的使用 - Google Patents

Abstract

描述了一种用于可植入医疗系统的线圈装置。线圈绕组具有封闭线圈内部区域的平面环形绕组。所述线圈绕组适于平行于对应的合作线圈放置，以用于植入体链路信号的通信，该信号具有由表示线圈之间的磁场耦合的分数量的耦合系数k表征的相关联的磁场分量。导磁性材料的线圈耦合透镜具有多个透镜表面，并且适于使磁场分量成形以增加耦合系数并且使相邻组织由于磁场分量而产生的自加热最小化。

Description

用于优化的植入体线圈耦合的规定的铁磁材料的使用

本申请要求于2012年4月27日提交的美国临时专利申请61/639,208的优先权，在此通过引用将其并入本文。

技术领域

本发明涉及一种可植入医疗设备，并且特别涉及该设备中的能量传输机构。

背景技术

一些有源的医疗植入体由原电池供电。取决于它们的功率消耗，它们需要被具有新的原电池的新植入体替换。所需的外科手术会产生对患者的压力，各种典型风险(例如感染、麻醉等等)，以及费用(新植入体、手术费用等等)。

在医疗植入体中使用可再充电电池能够使再次植入的次数最小化，并且由此减少患者的风险和费用。具有提供几十毫安电功率的可再充电电池(例如可再充电锂聚合物电池(LiPo-battery))的植入体应该具有使患者舒适和可接受的再充电周期。典型地可以通过充电100mW或更高的功率而实现。

经由皮肤的植入体连接可能会造成外科手术以及诸如由经由皮肤的连接器导致的感染和生物膜等风险的医疗风险。因此无线充电装置通常是优选的。这能够通过使用感应链路而实现，例如来自BostonScientific的PrecisionPlus^TMSCS系统和由Medtronic制造的RestoreSensor/RestoreAdvanced/RestoreUltraSCS。该感应链路装置通常使用在身体外侧的患者皮肤上的外部充电器设备，其包括外部充电线圈和必要的电子器件。并且还有相对应的内部线圈作为植入体的一部分。这些线圈利用功率传输通过感应链路与由外部线圈产生的交变磁场磁耦合，其中磁场的某一分数k(耦合系数)穿过皮肤至植入体线圈，该植入体线圈感应出电压从而驱动用于植入体电子器件的电流。

对于经由皮肤的感应线圈之间的给定距离，磁耦合主要是线圈形状的函数，线圈形状典型地是圆形或螺旋形。理想地，如果两个线圈具有相同的直径，其为线圈之间距离的至少√2倍，则能够实现最佳耦合系数。例如参见K.Finkenzeller,RFIDHandbook。FundamentalsandApplicationsinContactlessSmartCardsandIdentification,(3rded.),Wiley,Hoboken,NJ(2010)，在此通过引用将其并入本文。例如，给定线圈距离20mm，优化耦合需要28mm的线圈半径，这对于大多数植入体来说都太大了。

为了患者的舒适度，外部充电设备应该是紧凑的并且便携的，具有其自身集成的电池。为了保持该外部设备的小型化并且使相邻组织由于涡电流而产生的自加热最小化，能量传输必须是有效的。涡电流导致的自加热不仅是不舒服的，而且温度上限还受法律和法规的限定。

Medtronic充电设备是以175kHz频率运行的体积相当大的系统，据说会承受相当大的自加热问题。相似的问题由St.JudeMedical报道。美国专利No.7,599,744(在此通过引用将其并入本文)描述了一种经由皮肤的线圈装置，其使用由软铁的杆，将磁力线沿规定的路线重新导向。

发明内容

本发明的实施方式涉及一种用于可植入医疗系统的线圈装置。线圈绕组具有封闭线圈内部区域的平面环形绕组。所述线圈绕组适于平行于对应的合作线圈放置，以用于植入体链路信号的通信，该信号具有由表示线圈之间的磁场耦合的分数量的耦合系数k表征的相关联的磁场分量。导磁性材料(例如，诸如软铁的铁氧体材料)的线圈耦合透镜具有多个透镜表面，并且适于使磁场分量成形以增加耦合系数并且使相邻组织由于磁场分量而产生的自加热最小化。所述透镜表面包括：i.内透镜表面，设置为大致平行于所述环形线圈绕组的平面，并且具有被封闭在线圈内部区域内的内透镜表面周边，ii.外透镜表面，设置为大致平行于所述内透镜表面，并且具有大于所述内透镜表面周边的外透镜表面周边，以及iii.至少一个透镜连接表面，连接所述内透镜表面周边和所述外透镜表面周边。

在具体实施方式中，所述内透镜表面可以大致设置在所述环形绕组的平面中，或者在所述环形绕组的平面的上方或下面。所述线圈绕组可以是可植入的接收线圈，并且合作线圈是外部发送器线圈，或者反之亦然。还可以有被封闭在所述线圈耦合透镜内的电子器件模块。所述内透镜表面和所述外透镜表面中的一个或两个可以具有封闭透镜内部区域的平面环形或者平面盘形。

附图说明

图1A-B显示了根据本发明的一个实施方式的线圈装置的侧截面图和顶部平面图。

图2显示了本发明的另一个实施方式的侧视图。

图3显示了如本发明的实施方式中的感应链路的简化等效电路。

具体实施方式

本发明的各种实施方式涉及一种用于医疗植入体的感应线圈装置，该感应线圈装置使用具有显著大于周围组织和空气的磁导率的铁氧体材料的特别形成的线圈耦合透镜而使得感应链路的耦合系数优化。在该线圈耦合透镜中的那些材料会改变感应链路信号的磁场分量的形状，并且由此使两个线圈之间的磁通量的分数(耦合系数)最大化。如这里所使用的，术语“链路信号”指的是感应的经由皮肤的电磁信号，该信号可以仅包含能量分量，或者可以包括能量分量和数据通信分量。

交变磁场通常导致相邻人体组织中的涡电流。该损耗需要由足够强的充电磁场来补偿。取决于由植入体接收的有效充电功率，外部充电设备和被磁场穿过的组织以及周围组织可能会变暖甚至不舒服地热。在该情况下，充电过程需要中断或者充电功率需要降低，导致充电时间不期望地增加。因此高温下的快速充电被降低发热的减慢充电代替。增加的耦合系数k使得功率传输效率优化，充电器线圈需要较少的电流，并且所需的磁场降低。因此，外部充电设备的自加热减少，并因此以最小的热消散维持短的充电周期。此外，降低的功率损耗允许在外部充电设备中使用较小的电池，并且电子器件和机械部件的与温度相关的老化也被降低。

图1A-B分别显示了根据本发明的一个实施方式的紧凑而有效的线圈装置的侧截面图和顶部平面图。平面的线圈绕组101具有封闭线圈内部区域107的环形。线圈绕组101适于放置为平行于对应的合作线圈(未示出)，以用于植入体链路信号的通信，该信号具有由表示线圈之间的磁场耦合的分数量的耦合系数k表征的相关联的磁场分量。

在图1B中显示的线圈绕组101的顶部平面图是圆环，但是平面的线圈绕组可以具有一些其他的具体形状，诸如椭圆形、卵形、或者具有一定量侧边的多边形。取决于植入体在患者身体内部的位置，两个线圈之间的距离可能从几毫米变化至几厘米。

与线圈绕组101合作的是导磁性材料(例如，诸如软铁的铁氧体材料)的线圈耦合透镜100，其具有多个透镜表面，并且适于使链路信号的磁场分量成形从而增加耦合系数并且使相邻组织的自加热最小化。线圈耦合透镜100的表面包括内透镜表面102，设置为大致平行于线圈绕组101的平面，并且具有被封闭在线圈内部区域107内的内透镜表面周边。在具体实施方式中，内透镜表面102可以设置在与线圈绕组101相同的平面中，或者在线圈绕组101的平面的上方或下面。外透镜表面103设置为大致平行于内透镜表面102，并且具有大于内透镜表面周边的外透镜表面周边。至少一个透镜连接表面连接内透镜表面周边和外透镜表面周边。在图1A中显示的实施方式中，有内透镜连接表面104和外透镜连接表面105。如图1A所示，外透镜连接表面105大致垂直于内透镜表面102和外透镜表面103。

在具体实施方式中，使用线圈耦合透镜100的线圈装置可以被用于外部发送器装置和/或植入体装置中的一个或两个。线圈耦合透镜100的铁氧体材料具有高磁导率，这导致线圈内部区域107仅具有低磁场分量，低磁场分量适合于诸如植入体的信号处理电路的磁敏感电子电路。这样的敞开形式的线圈耦合透镜100在系统的被植入部分中是特别有用的—植入体电子器件通常被封闭在钛壳体中，该壳体可以被放置在线圈耦合透镜100的中空的内部体积中，这可以降低由于相邻组织的涡电流和自加热而导致的功率损耗。

线圈耦合透镜100还可以包含一个或多个通孔，这些通孔可以是带螺纹的以用于将该设备紧固至下面的骨骼，或者可以是没有螺纹的(例如，用于通风的目的)。另外地或者二者择一地，线圈耦合透镜100可以进一步包括一个或多个紧固突起，从而允许将设备中的电路板和/或设备稳固地放置在下面的骨骼上。

线圈绕组101的线圈内部区域107可以是圆形、椭圆形、卵形、多边形等等，并且可以或可以不由具有大于例如图2所示的磁导率的铁氧体材料完全地或部分地填充。在该实施方式中，环形线圈绕组202内部的整个区域被内透镜表面202填充，并且耦合透镜设备完全填充由内透镜表面202、外透镜表面203以及透镜连接表面204和205限定的体积。

图3显示了使用根据本发明的实施方式的耦合透镜的用于植入体系统的感应链路的简化等效电路。外部充电器发送器线圈具有电感L1和欧姆电阻R₁。植入体设备具有接收线圈，该接收线圈具有电感L₂、欧姆电阻R₂、内部电容C₂和负载电阻R_L。交流电压被施加至外部充电器电路，该交流电压具有RMS值V_e和频率f，从而产生外部电路电流I₁。这在电感L₂中感应出电压，导致负载电压V_L跨过负载电阻R_L产生负载电流I₂。

进行数学变换使得植入体电路的特性阻抗Z_I充当外部充电器线圈电路中的串联阻抗Z_I’：

Z_I’＝k²ω²L₁L₂·[R₂+jωL₂+R_L/(1+j·ωR_LC₂)]^-1

其中ω＝2*π*f是角频率。对于共振的植入体电路，即ω²·L₂·C₂＝1，该阻抗为：

Z_I,res’＝k²ω²L₁L₂·[R₂+jωL₂+R_L/(1+j·ωR_LC₂)]^-1

首先，传输效率η₁被定义为被发送的功率相对于总功率：

其次，植入体效率η₂(为了共振，ω²·L₂·C₂＝1)

η₂＝[1+R₂R_L·(R_L ^-2+ω^-2L₂ ^-2)]-¹

该值相对于植入体自发热来说是重要的。如果给定的植入体实施方式具有相对于周围组织的一定最大功率损耗，则该效率对于给定负载必须具有最小值，否则负载需要被减小。

总的系统效率η_oa可以被定义为那些外部和植入体效率的标量积，即η_oa＝η₁*η₂。该总效率应该尽可能地大。对于给定的频率f，感应参数L₁和L₂可以改变，并且R₁和R₂由线圈环的导体材料给定。耦合系数k由线圈形状以及它们相对的几何位置和角度限定。

流经R₁、L₁和阻抗Z_I’的外部充电电流I₁导致被发送到植入体的功率等于在植入体中，该功率被划分为R₂上的功率损耗和R_L上的可使用的负载功率。R₁的功率被损耗，等于I₁ ²·R₁。

例如，如果外部充电器发送线圈具有60mm的直径，并且植入体接收器线圈的直径是30mm，则距离为40mm(具有同轴线圈)时的耦合系数小于4％。外部发送器线圈可以具有电阻R₁＝700mΩ，同时为了传输200mW的功率，所需的外部充电器线圈电流为I₁＝(200mW/400mΩ)^1/2＝707mA。R₁上的功率损耗是(0.707A)²*700mΩ＝350mW。尽管在外部充电器发送器线圈上的该损耗可能不一定会导致能够造成损害的温度增加，但是在外部装置由电池供电时这可能是重要的。流经发送器线圈的相对高的电流可能具有两个严重的影响：

●对于诸如用于电压V_E的RF发生器部件的有源部件来说，功率损耗显著地降低总体性能，以及

●在许多情况下，外部电容器将会被放置为与发送器线圈串联从而减小虚拟阻抗。在那些电容器上可能会发现大于100V的电压，这反过来需要那些设备的较高的额定电压，并且可能需要附加的绝缘。

如果耦合系数k能够被增加仅20％，则该值在上的二次方影响将会使新的ZI,mod’具有 然后重新计算使电流I_1,mod＝(200mW/1008mΩ)^1/2＝445mA，并且在R₁上的功率损耗为(0.445A)²*700mΩ＝139mW。因此耦合增加20％：

●降低37％的线圈电流，

●并且反过来降低40％的R₁上的功率损耗。

●此外，上述电容器也可以具有降低37％的额定电压，并且对于诸如用于施加的电压V_E的RF发生器的附加有源部件的额定电流也会显著地降低。

磁场的类似的优化成形能够被应用在被植入的接收器线圈上，从而导致耦合另外增加20％，进一步降低线圈电流，减少R₁中的功率损耗，进一步减小电容器的额定电压，以及进一步减小有源部件的额定电流。

线圈耦合透镜的铁氧体材料也可以起到磁屏蔽的作用，以使充电器设备的电子器件中感应的寄生电压最小化。因此，电子部件能够被实施在充电线圈的壳体中，否则这是不可行的。发热减少改善了电磁兼容性，因此磁性材料也可以被用于使链路信号的磁场分量成形的目的。

尽管已经公开了本发明的各种示例性实施方式，但是本领域技术人员应该明白，能够进行各种变化和改进以实现本发明的一些优点，而不会背离本发明的真实范围。

Claims (9)

1.一种用于可植入医疗系统的线圈装置，所述装置包括：

线圈绕组，所述线圈绕组具有平面环形绕组，该平面环形绕组封闭线圈内部区域，并且所述线圈绕组适于平行于对应的合作线圈放置，以用于植入体链路信号的通信，所述植入体链路信号具有相关联的磁场分量，该磁场分量由表示所述线圈绕组和所述合作线圈之间的磁场耦合的分数量的耦合系数k表征；以及

导磁性材料的线圈耦合透镜，所述线圈耦合透镜具有多个透镜表面，并且适于使所述磁场分量成形以增加所述耦合系数并且最小化因所述磁场分量而产生的相邻组织的自加热；

其中所述透镜表面包括：

i.内透镜表面，所述内透镜表面设置为平行于所述平面环形绕组的平面并且在所述平面环形绕组的平面的上方，并且具有被封闭在所述线圈内部区域内的内透镜表面周边，

ii.外透镜表面，所述外透镜表面设置为平行于所述内透镜表面并且在所述平面环形绕组的平面的下方，并且具有大于所述内透镜表面周边的外透镜表面周边，以及

iii.至少一个透镜连接表面，所述至少一个透镜连接表面连接所述内透镜表面周边和所述外透镜表面周边。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述线圈绕组是可植入的接收器线圈，并且所述合作线圈是外部发送器线圈。

3.根据权利要求1所述的装置，其中所述线圈绕组是外部发送器线圈，并且所述合作线圈是可植入的接收器线圈。

4.根据权利要求1所述的装置，进一步包括：

被封闭在所述线圈耦合透镜内的电子器件模块。

5.根据权利要求1所述的装置，其中所述内透镜表面具有封闭内透镜内部区域的平面环形。

6.根据权利要求1所述的装置，其中所述内透镜表面具有平面盘形。

7.根据权利要求1所述的装置，其中所述外透镜表面具有封闭外透镜内部区域的平面环形。

8.根据权利要求1所述的装置，其中所述外透镜表面具有平面盘形。

9.根据权利要求1所述的装置，其中所述线圈耦合透镜包括铁氧体材料。