CN104539063A - 一种微型植入电刺激无线射频供电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微型植入电刺激无线射频供电装置，属于医疗器械领域。由该装置产生的射频电磁波可以为微型植入电刺激器在深层组织持续提供能量。该装置由控制电路与发射天线组成；控制电路包括微控制器、无线通讯电路、E类振荡功率放大器及匹配网络，发射天线包括线圈及对应的阻抗匹配网络。该装置运用E类振荡功率放大器将直流电源斩波调制为半正弦射频信号，通过阻抗匹配网络将半正弦射频信号滤波为正弦信号，由发射天线通过谐振放大为电流射频信号。本发明可高效稳定地实现稳定的电磁场，安全驱动体内微型植入电刺激器，同时可为其他无线终端系统提供能量供给。
Description
技术领域
本发明属于医疗器械领域，涉及一种微型植入电刺激无线射频供电装置。
背景技术
电刺激是通过电极施加电流到可兴奋的神经组织，产生局部电场，使附近神经元轴突膜去极化而大量钙离子流出，通过神经递质引发肌纤维收缩。从20世纪60年代至今，电刺激经历了贴附式、经皮式和植入式的发展过程。植入式电刺激因定位准确，重复性好，是目前研究的重点。多数植入电刺激医疗器械，内置微型电池，以心脏起搏器为代表。此类设计电池体积比较大，同时电池能量耗尽时则需要复杂的外科手术进行更换。
植入神经电刺激系统在临床治疗的应用趋于多元化。1994年，美敦力(Medtronic)公司开始研制用于治疗堵塞性睡眠呼吸暂停(OSA)植入刺激器(Inspire II System)，该植入设备通过监测睡眠呼吸胸口的压力变化，一旦呼吸动作停止，管理器就通过刺激电极给予舌下神经刺激，从而打开上呼吸道。2006年，美国南加州大学Loeb研究小组报道了单通道神经刺激器BION系统，用于治疗运动功能障碍，包括中风后肩关节半脱臼、足下垂行走康复等临床应用，取得了极好的临床效果。2008年，清华大学李路明团队研制了一款针对帕金森综合症的中枢神经刺激器，通过电脉冲刺激多巴胺分泌。基于电磁感应理论的体外无线供电技术在植入医疗仪器中应用对可靠性和安全性提出了更高要求，同时人体阻抗变化及的传输效率的不足限制了无线供电技术的推广。
发明内容
鉴于此，本发明提供一种微型植入电刺激无线射频供电装置，该装置可高效稳定地实现稳定的电磁场，安全驱动体内微型植入电刺激器，同时可为其他无线终端系统提供能量供给。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种微型植入电刺激无线射频供电装置，包括控制电路和发射天线，所述控制电路包括无线通讯电路、微控制器、E类振荡功率放大器和阻抗匹配电路，所述阻抗匹配电路与发射天线连接；所述无线通讯电路与微控制器通讯；所述稳压电路对电源进行电压变换，以供控制电路工作；所述稳压电路的第一输出端分别与无线通讯电路的电源端、微控制器电源端连接，稳压电路的第二输出端与E类振荡功率放大器的电源输入端连接；所述微控制器的第一输出端与E类振荡功率放大器连接，所述微控制器的第二输出端与保护电路的输入端连接；所述保护电路的电源输入端与电源连接，所述保护电路的输出端与E类振荡功率放大器连接；所述E类振荡功率放大器的输出端与阻抗匹配电路连接。
进一步，所述E类振荡功率放大器包括依次连接的振荡电路、分频电路、驱动电路和斩波电路；所述振荡电路、分频电路和驱动电路的电源输入端分别与稳压电路的第二输出端连接；所述斩波电路的电源输入端与保护电路的输出端连接，所述斩波电路的输出端与阻抗匹配电路连接；所述微控制器的第一输出端与分频电路连接。
进一步，所述振荡电路包括振荡器、第一非门和第二非门，所述振荡器的两端分别接对地电容，振荡器的两端并联第一电阻，所述第一非门的输入与振荡器的一端连接，第一非门的输出端经第二电阻与振荡器的另一端连接，第一非门的输出端与第二非门的输入端连接，第二非门的输出端与分频电路的输入端连接。
进一步，所述驱动电路包括依次串联的一级非门电路、二级非门电路和三级非门电路；所述一级非门路包括一个非门，所述二级非门电路包括三个并联的非门，三个非门的输入端并联，三个非门的输出端并联；所述三级非门电路包括六个并联的非门，六个非门的输入端并联，六个非门的输出端并联；所述一级非门的输入端与分频电路的输出端连接，所述三级非门电路的输出端与斩波电路的输入端连接。
进一步，所述斩波电路包括扼流线圈L1和场效应管M1，所述扼流线圈的一端与保护电路的输出端连接，所述扼流线圈的另一端分别与场效应管的漏极、阻抗匹配网络的输入端连接；所述场效应管的栅极与驱动电路的输出端连接，源极接地。
进一步，所述阻抗匹配电路为类π型匹配电路，包括线圈L2、第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3；所述线圈L2的一端分别与场效应管M1的漏极、第一电容C1的一端连接，第一电容C1的另一端接地；所述线圈L2的另一端与第二电容C2的一端连接，第二电容C2的另一端分别与第三电容C3的一端、发射天线的输入端连接，所述第三电容C3的另一端接地。
进一步，所述发射天线包括发射线圈L11、第十电容C10、第十一电容C11和第十二电容C12；所述发射线圈L11与第十二电容C12并联，所述发射线圈L11的一端与第十电容C10连接，另一端与第十一电容C11连接，所述第十电容C10的另一端接地，所述第十一电容C11的另一端与分别与第二电容C2、第三电容C3连接。
进一步，所述发射线圈由两匝线圈和屏蔽体构成，发射线圈与屏蔽体印制在同一电路板上；所述屏蔽体为弧形结构，其设置于两匝线圈的下方，所述屏蔽体接地，
进一步，所述稳压电路、保护电路分别通过电源连接器与电源连接；所述电源连接器为磁性连接器，能将直流电源与无线射频供电装置断开。
由于采用了以上技术方案，本发明具有以下有益技术效果：
本发明实现了人体内外间的信号与能量的同时传递；
在本发明中，电路与天线为一体，有效地解决了批量生产所面临的发射天线一致性问题；特殊的功率放大电路与谐振电路，实现了射频电刺激波的高功率、高效率的发射；
本发明适合用于植入电刺激器的无线持续供电与信号控制，同时也可用于体内电刺激器的充电，具有很好的安全性和实用性，能带来很好的实用价值、社会价值和经济价值。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为植入电刺激器无线供电装置的示意图；
图2为E类功率驱动器的电路图；
图3为印制电路板结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种微型植入电刺激无线射频供电装置，包括控制电路和发射天线，所述控制电路包括无线通讯电路、微控制器、E类振荡功率放大器和阻抗匹配电路，所述阻抗匹配电路与发射天线连接；所述无线通讯电路与微控制器通讯；所述稳压电路对电源进行电压变换，以供控制电路工作；所述稳压电路的第一输出端分别与无线通讯电路的电源端、微控制器电源端连接，稳压电路的第二输出端与E类振荡功率放大器的电源输入端连接；所述微控制器的第一输出端与E类振荡功率放大器连接，所述微控制器的第二输出端与保护电路的输入端连接；所述保护电路的电源输入端与电源连接，所述保护电路的输出端与E类振荡功率放大器连接；所述E类振荡功率放大器的输出端与阻抗匹配电路连接。
微型植入电刺激无线射频供电装置的信号流程是，微控控制器解译无线通讯命令，并根据保护电路判定有无负载及外界金属干扰，产生电刺激控制信号，调制E类振荡功率放大器。E类振荡功率放大器将外接直流电源斩波成半正弦射频信号，阻抗匹配网络把半正弦射频信号滤波成正弦信号，发射天线通过谐振产生大电流射频信号，进而发射足够强度的射频电磁波。
所述稳压电路、保护电路分别通过电源连接器与电源连接。所述电源连接器为磁性连接器，能将直流电源与无线射频供电装置断开，以减少意外力对系统的损坏。在本实施例中，电源连接器具有防反插功能，以图1为例，电源连接器的1脚与3脚相连，这样其电气连接图是对称的，无论从哪个方向连接，均能正常工作。
在本实施例中，稳压电路是对外接直流电源进行电压变换，产生5V和3.3V的电源，以供控制电路工作。其中，5V电源供予振荡电路、分频电路、驱动电路，3.3V电源供予微控制器及无线通讯电路。3.3V与5V的电源电路优选线性稳压电路。
保护电路具有检测斩波电路的直流电流的功能，微控制器通过其内置的模拟数字转换获取数字化的电流大小，并与设定的有载最大值IMax与有载最小值IMin比较，判定是否有人体负载，或有无外界金属干扰，若只有人体负载则正常发射，否则均处于关断，并把相应的状态还回给人机交互界面。
如图2所示，所述E类振荡功率放大器包括依次连接的振荡电路、分频电路、驱动电路和斩波电路；所述振荡电路、分频电路和驱动电路的电源输入端分别与稳压电路的第二输出端连接；所述斩波电路的电源输入端与保护电路的输出端连接，所述斩波电路的输出端与阻抗匹配电路连接；所述微控制器的第一输出端与分频电路连接。振荡器Y采用2f0频率的晶体振荡器，其与非门相连输出2f0频率的方波，然后通过分频电路分频，产生f0频率的方波。
所述振荡电路包括振荡器Y1、第一非门U2A和第二非门U2B，所述振荡器的两端分别接对地电容C1、C2，振荡器的两端并联第一电阻R1，所述第一非门U2A的输入与振荡器的一端连接，第一非门U2A的输出端经第二电阻R2与振荡器的另一端连接，第一非门U2A的输出端与第二非门U2B的输入端连接，第二非门U2B的输出端与分频电路的输入端连接。分频电路为分频器U1。
所述驱动电路包括依次串联的一级非门电路、二级非门电路和三级非门电路；所述一级非门路包括一个非门U2C，所述二级非门电路包括三个并联的非门U2D、U2E、U2F，三个非门的输入端并联，三个非门的输出端并联；所述三级非门电路包括六个并联的非门U3A、U3B、U3C、U3D、U3E、U3F，六个非门的输入端并联，六个非门的输出端并联；所述一级非门的输入端与分频电路的输出端连接，所述三级非门电路的输出端与斩波电路的输入端连接。
所述斩波电路包括扼流线圈L1和场效应管M1，所述扼流线圈的一端与保护电路的第一输出端连接，所述扼流线圈的另一端分别与场效应管的漏极、阻抗匹配网络的输入端连接；所述场效应管的栅极与驱动电路的输出端连接，源极接地。扼流圈L1的电感量是10uH及以上，额定工作电流大于3A，场效应管M1的门极驱动电压与逻辑非门的驱动电压相匹配，这样简化驱动电路，提高功率放大器的稳定性。U1、U2(U2A、U2B、U2C、U2D、U2E)、U3(U3A、U3B、U3C、U3D、U3E、U3F)的工作电源是5V，扼流线圈L1的VCC是9V与15V之间的工作电源是电源连接器提供的恒压源。
所述阻抗匹配电路为类π型匹配电路，包括线圈L2、第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3；所述线圈L2的一端分别与场效应管M1的漏极、第一电容C1的一端连接，第一电容C1的另一端接地；所述线圈L2的另一端与第二电容C2的一端连接，第二电容C2的另一端分别与第三电容C3的一端、发射天线的输入端连接，所述第三电容C3的另一端接地。
所述发射天线包括发射线圈L11、第十电容C10、第十一电容C11和第十二电容C12；所述发射线圈L11与第十二电容C12并联，所述发射线圈L11的一端与第十电容C10连接，另一端与第十一电容C11连接，所述第十电容C10的另一端接地，所述第十一电容C11的另一端与分别与第二电容C2、第三电容C3连接。L2采用多匝紧密绕制的空心线圈，以减少磁性介质的所引入的损耗。阻抗匹配网络的网络特征表现为以f0为中心的带通滤波器，在本实施案例中f0的范围为1-20MHz，优选6.78MHz。
如图3所示，发射天线的结构是由发射线圈并联高压云母电容后再串联两个高压云母电容；发射线圈与屏蔽体印制在同一电路板上。具体的结构示意图如图3所示，发射线圈是由两匝线圈与屏蔽体组成，屏蔽体是弧形结构，并布置在两匝发射线圈的下方，屏蔽体接地。发射线圈印制在电路板上，以便大规模生产时线圈的分布参数一致。发射线圈的厚度为2盎司及以上，表面采用沉金，减少发射线圈的高频内阻，降低发热量。如图3所示，发射线圈与电子元件在同一印刷电路板上，电子元件优选表面贴装元件。
与现有技术相比，本发明采用特殊的保护电路设计与保护方法，精简了电路设计，提高了系统的安全性与稳定性；特殊的控制方法，实现了人体内外间的信号与能量的同时传递；电路与天线为一体，有效地解决了批量生产所面临的发射天线一致性问题；特殊的功率放大电路与谐振电路，实现了射频电刺激波的高功率、高效率的发射；特殊的频率选择，可降低体内植入端的接收线圈的体积，为毫米级的植入电刺激器提供可能。本发明适合用于微型植入电刺激器的无线持续供电，同时也可用于体内电刺激器的充电，具有很好的安全性和实用性，能带来很好的实用价值、社会价值和经济价值。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (9)
1.一种微型植入电刺激无线射频供电装置，其特征在于：包括控制电路和发射天线，所述控制电路包括无线通讯电路、微控制器、E类振荡功率放大器和阻抗匹配电路，所述阻抗匹配电路与发射天线连接；
所述无线通讯电路与微控制器通讯；
所述稳压电路对电源进行电压变换，以供控制电路工作；所述稳压电路的第一输出端分别与无线通讯电路的电源端、微控制器电源端连接，稳压电路的第二输出端与E类振荡功率放大器的电源输入端连接；
所述微控制器的第一输出端与E类振荡功率放大器连接，所述微控制器的第二输出端与保护电路的输入端连接；所述保护电路的电源输入端与电源连接，所述保护电路的输出端与E类振荡功率放大器连接；
所述E类振荡功率放大器的输出端与阻抗匹配电路连接。
2.根据权利要求1所述的微型植入电刺激无线射频供电装置，其特征在于：所述E类振荡功率放大器包括依次连接的振荡电路、分频电路、驱动电路和斩波电路；所述振荡电路、分频电路和驱动电路的电源输入端分别与稳压电路的第二输出端连接；所述斩波电路的电源输入端与保护电路的输出端连接，所述斩波电路的输出端与阻抗匹配电路连接；所述微控制器的第一输出端与分频电路连接。
3.根据权利要求2所述的微型植入电刺激无线射频供电装置，其特征在于：所述振荡电路包括振荡器、第一非门和第二非门，所述振荡器的两端分别接对地电容，振荡器的两端并联第一电阻，所述第一非门的输入与振荡器的一端连接，第一非门的输出端经第二电阻与振荡器的另一端连接，第一非门的输出端与第二非门的输入端连接，第二非门的输出端与分频电路的输入端连接。
4.根据权利要求2所述的微型植入电刺激无线射频供电装置，其特征在于：所述驱动电路包括依次串联的一级非门电路、二级非门电路和三级非门电路；所述一级非门路包括一个非门，所述二级非门电路包括三个并联的非门，三个非门的输入端并联，三个非门的输出端并联；所述三级非门电路包括六个并联的非门，六个非门的输入端并联，六个非门的输出端并联；所述一级非门的输入端与分频电路的输出端连接，所述三级非门电路的输出端与斩波电路的输入端连接。
5.根据权利要求2所述的微型植入电刺激无线射频供电装置，其特征在于：所述斩波电路包括扼流线圈(L1)和场效应管(M1)，所述扼流线圈的一端与保护电路的输出端连接，所述扼流线圈的另一端分别与场效应管的漏极、阻抗匹配网络的输入端连接；所述场效应管的 栅极与驱动电路的输出端连接，源极接地。
6.根据权利要求5所述的微型植入电刺激无线射频供电装置，其特征在于：所述阻抗匹配电路为类π型匹配电路，包括线圈(L2)、第一电容(C1)、第二电容(C2)和第三电容(C3)；所述线圈(L2)的一端分别与场效应管(M1)的漏极、第一电容(C1)的一端连接，第一电容(C1)的另一端接地；所述线圈(L2)的另一端与第二电容(C2)的一端连接，第二电容(C2)的另一端分别与第三电容(C3)的一端、发射天线的输入端连接，所述第三电容(C3)的另一端接地。
7.根据权利要求6所述的微型植入电刺激无线射频供电装置，其特征在于：所述发射天线包括发射线圈(L11)、第十电容(C10)、第十一电容(C11)和第十二电容(C12)；所述发射线圈(L11)与第十二电容(C12)并联，所述发射线圈(L11)的一端与第十电容(C10)连接，另一端与第十一电容(C11)连接，所述第十电容(C10)的另一端接地，所述第十一电容(C11)的另一端与分别与第二电容(C2)、第三电容(C3)连接。
8.根据权利要求6所述的微型植入电刺激无线射频供电装置，其特征在于：所述发射线圈由两匝线圈和屏蔽体构成，发射线圈与屏蔽体印制在同一电路板上；所述屏蔽体为弧形结构，其设置于两匝线圈的下方，所述屏蔽体接地。
9.根据权利要求1所述的微型植入电刺激无线射频供电装置，其特征在于：所述稳压电路、保护电路分别通过电源连接器与电源连接；所述电源连接器为磁性连接器，能将直流电源与无线射频供电装置断开。
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