CN104582635A - 用于眼植入体的3线圈的无线功率传输系统 - Google Patents

Abstract

公开用于视网膜外层的假体和其他植入体的三线圈的电磁感应功率传输系统。第三个缓冲线圈被布置在外部的发射线圈和埋在身体内的接收器线圈之间以提高效率和对偏差的稳健性。使用微机械的机械加工技术以将导体布置在生物相容的绝缘体的带中，在彼此之上纵向折叠绝缘导体迹线的长度，并且然后将其螺旋成环可以制造线圈中的一个或多个。迹线通过越过折叠线移位而改变在环中的轴向位置。在迹线上一个或多个U形部分可以被折叠使得邻近的迹线可以彼此相反地伸出，这延长产生的可以被卷绕成线圈的带。

Description

用于眼植入体的3线圈的无线功率传输系统

相关申请的交叉引用

本申请要求于2012年8月22日提交的美国临时申请第61/692,138号的权益，其在此通过引用以其整体被并入用于所有目的。

关于在联邦资助的研究和开发下完成的发明权利的声明

本发明用依据由国家科学基金会授予的EEC0310723的政府支持完成。政府具有本发明中的某些权利。

背景

1.技术领域

本发明的各个实施方案通常涉及对外科手术植入的假体的无线功率传输，特别地涉及三线圈的功率传输系统，且线圈中的一个完全是眼内线圈。

2.相关技术的描述

年龄相关的黄斑变性(AMD)和视网膜色素变性(RP)是人眼的两种最常见的外层视网膜变性疾病。使用视网膜假体以便允许受疾病折磨的人看见是有前途的。绕开有缺陷的外层视网膜光感受器并且直接电刺激内层视网膜神经元的视网膜假体已经允许患有AMD和RP的某些盲人感知光。

认识到的是，这些早期的假体仅仅包括非常少数的针对神经元的刺激电极。为了实现面部识别或大号字的阅读，下一代的视网膜假体装置可以使用1024个或多于1024个的刺激电极。

不幸地，高分辨率的传感器和处理器具有相对较高的功率消耗，例如大于100毫瓦(mW)。当前的电池技术限制其用于此类植入体的有效性，因此优选地，从身体之外汲取功率。电缆往往在用于将患者的眼连接到外部电源上是笨重的，因此无线功率传输是优选的。

两个线圈之间的电磁感应耦合已经被广泛地研究并且被优化，以用于无线驱动视网膜假体装置。然而，由于在眼中以及眼附近的极其苛刻的物理约束，植入的接收器线圈的物理放置仍然是不断争辩的事情。在功率传输能力、外科手术风险以及长期植入之间存在权衡。虽然对在身体之外的发射线圈存在较少的约束，但其不能太高功率的以免其太多地加热接收器线圈或使患者经受不可接受的电磁场水平。

通常，两个线圈之间的感应链接效率与耦合系数(k)的平方和耦合线圈的各自的品质因子(Qs)成比例。无线功率传输自然不包括磁变压器磁芯，如在常规的电力变压器中的围绕所述磁变压器磁芯卷绕初级绕组和次级绕组。而是，无线感应链接的线圈通过空气(或其他介于中间的介质)耦合。

在现有技术中，为了补偿这种空芯耦合的低效率并且满足安全限制，比如热耗散、电磁场暴露等，接收器线圈被放置在眼外并且通过穿透眼球的电缆连接到位于眼内的电极。为了穿透眼球进到内部，人们通常穿透眼的巩膜和脉络膜。在长期的植入中，这种贯穿巩膜、贯穿脉络膜的电缆潜在地引起感染和张力减退。

已经尝试在移除天然的晶状体之后将接收器线圈放置在晶状体囊之内的完全在眼内的视网膜植入体。然而，在发射器线圈和接收器线圈之间的25毫米(mm)(1英寸)的间距下，这种2线圈的构造由于接收器线圈的有限的Q和耦合的线圈之间的小耦合系数k而经受低效率(例如7％)。

在本领域中存在对用于视网膜植入体的更有效率的无线电功率传输方法的需求。

简要概述

通常，称为“缓冲线圈”的第三个线圈被引入到发射器线圈和接收器线圈之间以增加发射器线圈和接收器线圈之间的功率传输效率。特别地，在人眼的物理约束下，介于中间的缓冲线圈充分地纳入到可利用的空间内。在某些例子中，可能完全不需要进行外科手术植入，而是作为巩膜透镜被患者戴上。

缓冲线圈和/或接收器线圈可以在几何上是椭圆形的比如卵形的，以便负责眼在水平方向上(如与垂直方向相对)的较大的运动。

使用微机械加工技术和拆纸手工(origami)技术两者可以制造可以适合紧密放置在人类身体内的尺寸的高Q的接收器线圈。薄的导电迹线被布置在柔性绝缘体内的平坦的基底上并且然后从基底中剥离。在柔性绝缘体中迹线的细长的列然后被折叠在彼此上。产生的折叠的迹线被盘绕成环。环或线圈可以被径向挤压以便其可以穿过小切口被插入，并且一旦释放就将很快恢复到其环的形状。

由集肤效应引起的电阻可以通过适当地针对电磁感应频率设置电迹线的尺寸来最小化。此外，迹线可以被布置以便当其被卷绕成线圈时，迹线改变其轴向位置以共享(轴向的)外部位置，因此将由邻近效应引起的电阻减到最小。迹线可以通过使最外面的迹线经过折叠线(即折痕)而内部的迹线占据其在最外面的位置处的地方来改变轴向位置。

因为硅晶片基底可以是小的，迹线的U形部分可以有效地将待被盘绕成线圈的迹线的长度加倍。多个U形的部分可以使迹线的长度增至三倍、四倍等。折叠U形区域并且然后将U的两侧折叠到一起使得曾经在基底上邻近的迹线沿彼此相反的方向进行布置。

接收器线圈可以配备有充当浮选装置的空气填充腔室，并且因此满足在眼内的有效质量约束。该腔室可以由外科医生用气体填充和/或不失时机地捕获空气气泡。

虽然讨论的实施方案中的多个涉及人眼，但预想了用于植入到身体的其他部分和其他动物物种内的装置和方法。无线电功率传输一定是有效的任何地方可以从本文教导的方面中找到用途。

本发明的某些实施方案涉及感应式供电的眼植入体设备。设备包括：缓冲线圈，其适合于被附加到眼的巩膜之外，缓冲线圈具有被生物相容层覆盖的导体；接收器线圈，其适合用于在眼内植入，接收器线圈具有被生物相容层覆盖的导体，接收器线圈适合用于通过电磁感应从发射器线圈经过缓冲线圈接收电功率，当分别被附加到眼之外和植入在眼之内时，缓冲线圈和接收线圈适合于进行电磁耦合；以及处理电路，其与接收器线圈的导体连接并且被配置成从接收器线圈接收电功率。

设备可以包括：刺激电极阵列，其适合于与眼中的内层视网膜神经元连接并且与处理电路连接；以及电力电缆，其将接收器线圈与阵列耦合。缓冲线圈可以适合用于环绕角膜并且在眼的结膜之下安装，或可以有包住缓冲线圈的巩膜透镜，巩膜透镜适合于被戴在巩膜上从而将缓冲线圈附加到眼的巩膜之外。

在某些实施方案中，缓冲线圈适于附加到巩膜之外的眼的一侧，并且接收器线圈适合用于在巩膜之内的眼的玻璃体之内安装到眼的内侧。

设备可以具有缓冲线圈，所述缓冲线圈是圆形的并且具有等于或在约19毫米和约20毫米之间的外径。或缓冲线圈可以是卵形的并且具有约19毫米的外短轴和约24毫米的外长轴，缓冲线圈适合于被附加到巩膜之外使得外长轴是大体上水平的。设备可以具有当从轴向方向观察时呈多边形形状的缓冲线圈或接收器线圈。

可选地，设备的接收器线圈通过以下操作来生产：在电绝缘的薄片上蚀刻导体迹线；在蚀刻的导体迹线上沉积足以在生物相容层中嵌入蚀刻的导体迹线的电绝缘体；折叠薄片到其自身上；堆叠嵌入的导体迹线；并且然后以螺旋卷绕折叠的薄片以便形成闭合的形状。此外，在电绝缘的薄片上的导体迹线可以包括U形区域，所述U形区域连接从U形区域沿着相同方向伸出的两段导体迹线。接收器线圈的生产还可以通过以下操作来生产：在卷绕之前折叠薄片，使得U形区域垂直于薄片；并且然后折叠U形区域使得两段导体迹线从U形区域沿着相反的方向伸出。

某些实施方案涉及在眼内部有效地接收用于眼内电子装置的功率而无需刺穿巩膜的电缆的方法。方法包括：通过第一电磁感应的方式将变化的磁场接收到被附加在眼的巩膜之外的缓冲线圈内，变化的磁场在缓冲线圈中引起电流；通过来自缓冲线圈中的电流到接收器线圈的第二电磁感应的方式在眼内的接收器线圈内感应电流；以及使用来自接收器线圈的感应电流驱动眼内电子装置。

该方法还可以包括将来自接收器线圈的感应电流整流以产生直流电。

某些实施方案涉及制造适合用于电磁感应的线圈的方法。该方法可以包括：在基底上蚀刻导体迹线，所述导体迹线下覆有柔性的生物相容的电绝缘体的薄片；在导体迹线上沉积更多的电绝缘体以将导体迹线嵌入电绝缘体中；从基底上剥离绝缘体嵌入的导体迹线以释放嵌入的导体迹线的柔性带；沿着一个或多个纵向折痕折叠带以堆叠嵌入的导体迹线；以及以螺旋卷绕带以便形成闭合的形状，从而形成堆叠的导体迹线的线圈。

该方法还可以包括：径向地挤压线圈；以及穿过眼中的切口传递该挤压的线圈。其还可以包括：将导体迹线的垫或引线连接到处理电路；将处理电路连接到适合于与眼中的内层视网膜神经元连接的刺激电极阵列；以及将电力电缆耦合在线圈和阵列之间。

该方法可以包括：将空气密封在腔室内；以及将腔室刚性地附接到线圈，从而添加浮力到线圈。

在薄片上的导体迹线可以包括U形区域，并且该方法可以包括连接从U形区域沿着相同方向伸出的两段导体迹线。该方法还可以包括：在卷绕之前折叠带，使得U形区域垂直于带的其余部分；并且然后折叠U形区域使得两段导体迹线从U形区域沿着相反的方向伸出。

某些实施方案涉及感应式供电的植入体设备。该设备包括：缓冲线圈，其适合于被附加在患者的身体的一部分内，缓冲线圈具有被生物相容层覆盖的导体；接收器线圈，其适合用于比缓冲线圈在更深的身体部分内的植入，接收器线圈具有被生物相容层覆盖的导体，接收器线圈适合用于通过电磁感应从发射器线圈经过缓冲线圈接收电功率，缓冲线圈和接收线圈适合于进行电磁耦合；以及处理电路，其与接收器线圈的导体连接并且被配置成从接收器线圈接收电功率。

身体部分可以包括头部和/或颅骨，并且处理电路可以包括脑部起搏器。该设备可以包括躯干，并且处理电路可以包括脊髓刺激器。该设备可以包括可充电电池，所述可充电电池被配置成通过处理电路接收电功率并且通过处理电路进行再充电。

附图简述

图1A是根据实施方案的、带有具备安装了透镜的接收器线圈的感应式供电的眼植入体设备的眼球的透视图。

图1B是在体内的图1A的设备的垂直横截面，其中缓冲线圈被环绕角膜并且在眼的结膜之下安装。

图1C是在体内的图1A的设备的垂直横截面，其中缓冲线圈被戴在巩膜透镜中。

图1D是在为了尺寸的清楚而没有示出眼的图1A的设备的垂直横截面。

图2示出根据实施方案的、在前方具有发射器线圈的可穿戴的发射器组件。

图3示出根据实施方案的具有在侧面的发射器线圈的可穿戴的发射器组件。

图4A是根据实施方案的、将接收器线圈挤压并且插入到晶状体囊内的图片。

图4B是在晶状体囊内弹开到全直径的图4A的接收器线圈的注解图片。

图4C是为了清楚而除去眼的虹膜的图4B的晶状体囊的图片。

图5示出根据实施方案的接收器线圈。

图6示出根据实施方案的被镊子保持的接收器线圈。

图7示出根据实施方案的在平坦的表面上的蚀刻迹线的带。

图8示出图7的横截面8-8。

图9示出图7的横截面9-9。

图10示出图7的横截面10-10。

图11示出图7的横截面11-11。

图12示出根据实施方案折叠蚀刻迹线的带。

图13示出根据实施方案进一步折叠蚀刻迹线的带。

图14示出根据实施方案的完全(纵向)折叠的堆叠的蚀刻迹线的带。

图15示出根据实施方案的蚀刻迹线的卷绕的线圈。

图16是根据实施方案的、堆叠的蚀刻迹线连同来自U形回转的另外的迹线堆叠的卷绕的线圈的横截面。

图17示出根据实施方案的在基底上的平坦的薄片。

图18是图17的横截面18-18。

图19示出根据实施方案的蚀刻的导体迹线。

图20是图19的横截面19-19。

图21示出根据实施方案的在生物相容的绝缘层中的嵌入的导体迹线。

图22是图21的横截面22-22。

图23示出根据实施方案的嵌入迹线的带。

图24是图23的横截面24-24。

图25示出根据实施方案的堆叠的迹线。

图26是图25的横截面26-26。

图27示出根据实施方案折叠带的U形部分。

图28示出根据实施方案折叠带的U形部分。

图29示出根据实施方案的眼植入体的功率和数据传输体系结构。

图30示出根据实施方案的用于效率测定的三线圈的系统的模拟电路值。

图31示出根据实施方案的脑植入体。

图32示出根据实施方案的脊柱植入体。

图33是根据实施方案的过程流程图。

图34是根据实施方案的过程流程图。

参考说明书的剩余部分(包括附图和权利要求)将了解到本发明的其他特征和优点。本发明的另外的特征和优点以及本发明的各个实施方案的结构和操作在下文中关于附图详细地描述。在附图中，相似的参考数字指示相同或功能上类似的元件。

详述

用于植入的装置的三线圈的功率输送系统提供多种技术益处。第三个缓冲线圈增加发射器线圈和接收器线圈之间的功率输送效率。其还允许使用另一组设计参数来工作以便接收器线圈(或发射器线圈)可以被定尺寸用于小的有限的空间。与两线圈的结构相比，三线圈的结构可以容忍在线圈之间的X-Y平面中的更大的偏差。对于其中接收器线圈被埋在身体中并且是不可见的(因此对其位置的精确测定是未知的)情况，这可以是重要的。其还可以帮助减轻受试者的主动运动和无意识运动，使保持高的效率。此外，与两线圈的结构相比，三线圈的结构可以容忍线圈之间的更大的角度偏差。线圈同样不需要对准。对于不能将其眼固定于特定位置而使用视网膜植入体设备的盲人，这可以是特别重要的。

三线圈的系统可以在多种类型的植入体比如眼内植入体、皮质植入体、以及脊柱植入体中有帮助。其可以被用于成像、显示器、摄像头、药物递送装置、压力传感器、以及依赖于电功率的其他用途。在存在对到身体内的有效率的无线功率输送的需求的情况下，第三个线圈可以有帮助。

可以使用四个、五个、以及更大数目的线圈以进一步增加效率或给出更多的设计空间，以便接收器线圈或发射线圈可以被重新设计。当接收器线圈被埋在远离表面的身体内的深处时，多个线圈可以是特别有用的。

使用结合折叠的微机械加工工艺制造的用于电磁感应的线圈提供多种技术益处。此类线圈可以被制造成极其小，适合用于高频率。此外，弹性线圈可以被挤压、折曲、和/或折叠以适合经过紧贴的地方并且然后膨胀恢复形状。电导体迹线可以被适当地设置尺寸以具有高的表面积与体积的比率，由于集肤效应把将被使用的导体的面积减到最小。集肤效应是对在高频率下在导体的横截面中的非均匀的电流分布的描述。频率越高，仅仅流经导体的最外面的部分(即皮肤)的电流越多。还可以形成微机械加工的线圈以使电流在高频率下的邻近效应减到最小。邻近效应也是对在高频率下在附近的导体的横截面中的非均匀的电流分布的描述。频率越高，当电流在相同方向上行进时在平行电线中的电流更远离相对的电线(或当电流在相反的方向上行进时在平行电线中的电流更靠近另一根电线)。用于功率线圈的品质因子(Q)由Q＝ωL/Rac定义，其中ω以弧度的频率，L是线圈的电感，并且Rac是交流电的电阻。因此，Rac越低，Q越高。另一个益处是，生物相容的线圈可以使用容易得到的生物相容材料进行微制造。

稍后被折叠以将其拉直的电导体迹线的U形部分提供多种技术益处。可以使用较小的晶片作为用于沉积迹线的基底。例如，10厘米(4英寸)直径的晶片可以产生20厘米(8英寸)长的导体长度。对于1厘米(cm)直径的线圈，20cm长的长度允许其被盘绕大约六倍，这与10cm长的长度的仅仅大约三倍呈对照。

这些方面和其他方面的其他优点将从说明书和附图中变得明显的。实施方案中的多个关于眼植入体进行解释，然而，其他的植入体用途将是明显的。

已经发现的是，眼中的晶状体囊是放置眼内接收器线圈的理想位置。对于线圈，晶状体囊正好是足够大的，其在巩膜之内，并且外科手术植入程序是完善的。在天然的晶状体被除去之后，眼内线圈可以被植入到晶状体囊袋内。

与那种植入位置相关，用于获得高Q的线圈的两个内在的挑战是尺寸和等效质量。线圈的尺寸优选地是小于或等于10mm的外径。9mm到10mm的直径通常是最大值，且9.5mm是平均最大值。在盐水中线圈的等效质量优选地等于或小于46毫克(mg)。

物品在液体中的“等效质量”是物品的质量减去被物品的体积替代的液体的质量。这解释了关于物品的浮力。

缓冲线圈可以被环绕角膜并且在眼的结膜之下植入。具有20mm直径的缓冲线圈已经被发现是足够大的以外接成人的眼的角膜，并且保持远离以免停留在其上。已经在实验上使用包含具有三十股绝缘的48美国线规(AWG)线导体的李兹线的缓冲线圈以达到良好的效果。

成人眼球的外径通常是23mm到25mm，平均数为24mm。正常的人眼可以水平移动±30°并且垂直移动±10°。

已经确定直径42mm的发射器线圈与晶状体囊中的10mm的接收器线圈和在结膜之下的20mm的缓冲线圈一起有效地工作。在此构造中，发射器线圈和接收器线圈最后被轴向分开25mm，适合用于安装在一对阅读眼镜上。

由于组织的无线电频率(RF)吸收和线圈Q值之间的权衡，10兆赫兹(MHz)的载波频率已经被发现是可接受的。所有的三个线圈可以被调节以在操作频率下共振，且串联地或并联地连接到对应的电容器。

图1A是根据实施方案的带有具有安装透镜的接收器线圈的感应式供电的眼植入体设备的眼球的剖面透视图。眼100包括巩膜102、脉络膜104、视网膜106、小凹108、角膜110、晶状体112、虹膜114、玻璃体液116、以及视神经118。

感应式供电的眼植入体设备包括刺激电极阵列120，所述刺激电极阵列120与在小凹108附近的视网膜106的内层视网膜神经元连接。电力电缆122将阵列122与在晶状体112中的处理电路124相耦合。处理电路124与接收器线圈126电气连接，所述接收器线圈126被包围在绝缘的生物相容层中。同样被绝缘的生物相容层包围的缓冲线圈128被布置在巩膜102之外并且包围角膜110。在在功率传输期间的操作中，缓冲线圈128和接收器线圈126进行电磁耦合。注意到，不需要用于到这种眼内装置的功率传输的刺穿巩膜的电缆。

缓冲线圈128通过电磁感应的方式接收变化的磁场，并且所述变化的磁场在缓冲线圈128内引起电流在其环状结构附近流动。在缓冲线圈128中的感应电流引起对接收器线圈126的电磁感应，所述电磁感应引起在接收器线圈126中感应电流。在接收器线圈126中的电流流到处理电路124，所述处理电路124将交流电(AC)整流成直流电(DC)。产生的DC电压和电流被用于驱动处理电路124和电极阵列120。

图1B是在体内的图1A的设备的垂直横截面，其中缓冲线圈128被安装在角膜110附近并且在眼的结膜111之下。除了早前枚举的眼的结构之外，示出其他部分。巩膜外层101是巩膜的最外层。如在图的底部所见，皮肤109给眼睑115让路。房水113位于角膜110内。睫状体117将晶状体112保持在适当位置。

示出了发射器线圈130的横截面，且通过X(即，到页内)和点(即，到页外)描绘电流流动方向。在发射器线圈130中的电流在缓冲线圈128中感应相同方向的电流，这进而在接收器线圈126中感应电流。

接收器线圈126由密封的环形的空腔123进行浮力支撑。空气、氮气、惰性气体、或具有小于水溶液的比重的液体被捕获在密封的空腔123内，这降低组合的接收器线圈密封的空腔结构的等效质量。当使用用于接收器线圈的迹线的较重的金属比如金时，这可以是重要的。

图1C是在体内的图1A的设备的垂直横截面，其中缓冲线圈130被封装在巩膜透镜121中。巩膜透镜121被使用者戴上，通过眼上的抽吸和半月面力而被保持紧的，支承巩膜102。为了驱动眼内装置或当效率是问题时，巩膜透镜可以由患者视需要地应用和除去。可以容易地测试不同的缓冲线圈，因为外科手术程序对于替换巩膜透镜不是必需的。

图1D是为了尺寸的清楚而没有示出眼的图1A的设备的垂直横截面。发射器线圈130、缓冲线圈128、以及接收器线圈126按比例示出。已经被发现用于在10MHz下有效率的功率输送的尺寸170-180在表1中示出。

表1

图2示出根据实施方案的、在前方具有发射器线圈的可穿戴的发射器组件。此组件可以由缓冲线圈被环绕在他的或她的角膜安装(通过外科手术安装在结膜之下或在巩膜透镜上)并且接收器线圈在他的或她的晶状体囊之内的患者使用。

外部单元200包括位于发射器组件232中的发射器线圈130。发射器组件232通过眼镜234定位于使用者的眼的前方。预想了其他定位装置。

护目镜、具有透明护板的头盔、眼镜、夹鼻眼镜(pince-nez)、单眼镜、双目镜、和/或外部支撑台可以将发射器线圈保持在使用者的眼的前方。

眼镜234持有通过电缆240连接到接合器242的小摄像头236和视频处理器238。电缆244将接合器242的另一个端口连接到电池组246，所述电池组246可以被穿戴在皮带上。

图3示出根据实施方案的、在侧面具有发射器线圈的可穿戴的发射器组件。此组件可以由缓冲线圈被附加到巩膜之外的眼的一侧(在巩膜外层上)并且其接收器线圈被安装在巩膜内的眼的玻璃体内(在眼球的内侧内)的患者使用。

外部单元300包括位于发射器组件332中的发射器线圈130。发射器组件332通过眼镜334被定位于使用者的眼的侧面。预想了其他定位装置，比如上文公开的那些。

眼镜334持有通过电缆340连接到接合器342的小摄像头336和视频处理器338。电缆344将接合器342的另一个端口连接到电池组346，所述电池组346可以被穿戴在皮带上。

晶状体囊是用于安装接收器线圈的主要位置。如果接收器线圈被成型以便其轴向比径向实质上更宽并且是弹性的，则可以制造小的切口。然后，接收器线圈可以被挤压以穿过小的切口运送其。

“轴向比径向实质上更宽”包括4:1、5:1、6:1、7:1、8:1、9:1、10:1、15:1、20:1、25:1、50:1、100:1的轴向宽度与径向高度的比率以及其他比率。

图4A是根据实施方案的、将接收器线圈挤压并且插入到晶状体囊内的图片。猪眼的晶状体112被虹膜114包围。在晶状体112中制造切口449。接收器线圈126已经通过镊子448被弹性地挤压成椭圆形形状并且穿过切口449被插入。在接收器线圈126安全地处于晶状体囊内之后，镊子448被收回并且线圈被留下以在晶状体112内恢复其形状。

图4B是在晶状体囊内弹开到全直径的图4A的接收器线圈的注解图片。虚线示出接收器线圈126的理想的回弹形状。

图4C是为了清楚而除去眼的虹膜的图4B的晶状体囊的图片。注意到接收器线圈126已经弹开到宽的直径，填充晶状体囊。虽然其在弹回之后不是完全圆形的，但对于功率输送线圈不需要是完全圆形的。各种形状都可以进行工作，因为系统是强健的。

为了适合到晶状体内，已经发现的是，具有等于或小于10mm的外径的圆形接收器线圈良好地工作。接收器线圈的最小内径被认为等于或大于6mm。对于10mm直径的接收器线圈，等于或小于1mm的轴向厚度是优选的。

从轴向方向，示例性实施方案的接收器线圈是圆形的。然而，预想了包括卵形及其他圆形形状、多边形、以及混合的圆形-直边形状的不同的形状。本文描述的制造方法允许用于几何形状优化的多种机会。

“卵形”形状包括椭圆形或蛋形形状。例如，缓冲线圈可以是卵形的并且具有约19毫米的外短轴和约24毫米的外长轴。当长轴被水平放置时这些尺寸已经被发现是有效的，因为眼可以水平地转动得比垂直地更多。

“多边形”形状包括具有直的边缘的闭合形式，包括三角形、四边形、五边形、六边形等。

图5示出根据实施方案的接收器线圈。接收器线圈126包括在每端连接所有的迹线的导电垫554和556。垫554和556可以通过焊接或其他手段电气连接到处理电路。区域550示出迹线的转变区域，所述转变区域将(轴向)内部迹线转变成外侧迹线。这可以有助于在迹线之间传播邻近效应，从而降低接收器线圈的总邻近效应。

U形区域552将围绕接收器线圈一个方向缠绕的迹线连接到围绕线圈相反方向缠绕的那些迹线。如同由垫554示出的区域，所有的迹线可以在U形区域端连接。

图6示出根据实施方案的被镊子保持的接收器线圈。接收器线圈126包括在每端连接所有的迹线的导电垫654和656。U形区域652将围绕接收器线圈一个方向缠绕的迹线连接到相反方向缠绕的那些迹线。镊子648按比例示出。

使用微机械加工技术在平坦的表面上制造线圈具有其优点。然而，对于在二维薄片上的平行迹线，难以传播邻近效应。微电子机械系统(MEMS)技术被用来塑造具有似李兹线的性质的MEMS箔线圈设计。似李兹线的性质通过使迹线移位以便当其被折叠并且被盘绕成环时迹线在环中交换轴向位置来实现。

图7-11示出根据用于制造具有似李兹线的性质的线圈的方法的、在具有可适用的横截面的平坦的表面上的蚀刻迹线的带。带726已经用导电金属迹线766、768以及七个其他迹线来制造。迹线沿着带的长度在三个离散的区域中移位。带726沿着纵向折叠线(即折痕)761和763折叠。折痕761和763(其可以是或可以不是简单的线)将带726纵向分成三个区域或折叠：折叠760、折叠762、以及折叠764。

每个折叠有四个迹线。迹线766在折叠760的左上方开始并且迂回前进下至在右边的折叠760的相反的(当卷起时轴向的)侧。同时，迹线768在折叠760的左上方的第二位置开始并且迂回前进下至与折痕761相交并且在右边的折叠762的上部结束。迹线768与折叠线761在横截面10-10和11-11之间的点处相交。

图12-14示出根据实施方案折叠蚀刻迹线的带以将其堆叠在彼此的顶部上。在图12中，带726是平坦的，且折叠760、762、以及764在相同的平面中。在图13中，折叠760沿着折痕761折叠在折叠762之上。折叠764沿着折痕763折叠在折叠762之下。在图14中，折叠760和其嵌入的导体被完全堆叠在折叠762和其导体的顶部上，所述折叠762和其导体被堆叠在折叠764和其导体的顶部上。然后折叠的带被卷绕成线圈。

图15示出根据实施方案的蚀刻迹线的卷绕的线圈。折叠并且卷绕的带726被示出，且其三个折叠中的每个堆叠在彼此的顶上并且然后被盘绕。

图16是根据实施方案的堆叠的蚀刻迹线连同附加的来自U形回转的迹线的堆叠的卷绕的线圈的横截面。图的下半部分示出折叠760、762、以及764，因为当被多次旋转卷绕成线圈时其将被堆叠。注意到导体迹线改变其轴向(即图中的左-右)位置。这样共享(轴向)外侧位置允许迹线共享邻近效应，这引起迹线中的电流在外部位置中最自由地流动。

折叠1660、1662、以及1664在U形回转之上。这些折叠在与折叠760、762、764相同的平坦的薄片上开始，并且如同折叠760、762、以及764已经被折叠在彼此之上。然而，其被向后折叠以在折叠760、762、以及764之上沿着相反的方向进行。产生的折叠和U形回转迹线的堆叠是总数为24层的堆叠。即，环的横截面具有24层。这仅仅是一个实施方案。还预想了每个折叠具有6个、7个、8个、9个、10个、15个、20个、以及多于20个迹线的线圈以及具有更多或更少的缠绕旋转的线圈。堆叠的数目取决于带在其自身上盘绕的次数，所述次数本身由最终的线圈的目标直径(和平坦的带的长度)规定。

当最初在平坦的表面上微机械加工迹线时，通过迹线中的U形区域实现导体的U形回转。这样的U形区域以及总的微机械加工技术在下文中讨论。

图17示出根据实施方案的在基底上的平坦的薄片。硅晶片基底1770支撑生物相容的电绝缘体1772。在图18中示出横截面18-18。生物相容层/绝缘体可以包括选自由以下组成的组的材料：可植入的环氧树脂、液晶聚合物(LCP)、聚对二甲苯C、硅酮、以及其他生物相容材料。

图19示出根据实施方案的蚀刻的导体迹线。导体迹线1974已经被应用到电绝缘体1772的顶部上。在图20中示出横截面20-20。导体迹线通过将薄金属层沉积在电绝缘体1772的顶部上并且蚀刻掉迹线之间的空间进行制造。其他的微机械加工方法被预期。注意到在每侧有三个导体。

图21示出根据实施方案的嵌入的导体迹线。更多的电绝缘体2177已经被沉积在导体迹线1974上以使导体迹线1974嵌入到电绝缘体2177之内，在导体上形成生物相容层。

在绝缘体中“嵌入”电气迹线包括用足以在额定电压下防止短路的绝缘体或以本领域中已知的其他绝缘体覆盖电气迹线。

已经通过在纵向长度上蚀刻掉电绝缘体而在材料中预先形成折痕2176。图22示出横截面22-22。

U形部分2152将导体的两侧彼此连接。在示例性实施方案中，其被形成以便所有的导体迹线被连接。从其中伸出的导体的长度沿着共同的方向如此做(即，在图的上方)。

图23示出根据实施方案的嵌入迹线的带。通过从平坦的基底剥离电绝缘体2177及其嵌入的导体迹线1974来产生带2378。

图24示出横截面24-24。已经通过进一步蚀刻产生纵向凹部以便利于沿着折痕纵向折叠。折叠2460被折叠在中间折叠2462上，并且折叠2464被折叠在折叠2462下。这将迹线堆叠成三层。

图25示出根据实施方案的堆叠的迹线。这是折叠的结果。图26示出横截面26-26。折叠2460、2462、以及2464堆叠在彼此的顶部上。为了示意图的简单性，此实施方案示出在每个折叠上的单个导体。预想了在每层上的其他数目的导体，比如在图14中示出的那些等。

图27示出根据实施方案折叠带的U形部分。带2378被折叠使得U形部分2152垂直于带的其余部分。

图28示出将带2378的U形部分2152折叠成两半使得曾经沿着相同方向(即，在图27的上方)伸出的导体的长度现在沿着彼此相反的方向伸出。结果是特长的导体带。

在某些实施方案中，U形部分没有将所有的导体迹线彼此连接但将其保持分开地附接到U形部分的另一侧上的各自的导体迹线。

图29示出根据实施方案的眼植入体的功率和数据传输体系结构。功率发射器2946使与缓冲线圈2928电磁耦合的发射器线圈2930通电。缓冲线圈2928与眼内系统2924中的接收器线圈2926电磁耦合。

在眼内系统2924内，来自接收器线圈2926的输出与整流器2981相连接，所述整流器2981整流感应的正弦AC电流。整流的电流被发送到参考电压模块2983和低压差调节器2984。低压差调节器2984向接收器前端供应+1.2伏(V)。整流的电流还被发送到SC升压转换器2982，所述SC升压转换器2982向低压差调节器2985供应功率。低压差调节器2985主要向神经刺激器阵列供应+2.4V、-1.2V、以及-2.4V。神经刺激器阵列被密切地连接到与眼的内层视网膜神经元连接的电极阵列2920。

图30示出根据实施方案的用于效率测定的三线圈的系统的模拟电路值。

发射器3030用电压供应V1、与37.6皮法(pF)的电容器Cs串联的50Ω(欧姆)的电阻器Rs模拟。它们与10Ω的接地电阻器Rc和177pF的电容器C1及线圈并联连接，所述线圈用0.75Ω的电阻器R1和1167nH(纳亨)的感应器L1模拟。

缓冲线圈3028用与线圈串联连接的322pF的接地电容器C2模拟，所述线圈被模拟成0.54Ω的电阻器R2和790nH的电感器L2。

接收器3026用接地线圈、1.3Ω的R3和480nH的电感器L3模拟。它们被连接到470pF的接地电容器C3，然后被连接到肖特基二极管D1(MBR0520L)的阳极。肖特基二极管D1的阴极与30nF的接地电容器Cr和140Ω的接地电阻器Rdc连接。

使用此模型，在1.9V的等效负载和25.8mW的功率消耗下，3线圈的系统的效率被计算为35.9％。这与0.7％的2线圈的效率形成对比。

因为眼球并因此缓冲线圈和接收器线圈从0°转动到30°，效率从在0°下的35.9％下降到在30°下的高的百分之十几。因此，甚至在眼可以转动的最大的角度下，效率也比等效的2线圈的系统中的效率更好。

图31示出根据实施方案的脑植入体。深部脑刺激(DBS)需要植入体被深埋在脑部内。这是用于三线圈的系统的候选。100个通道的Utah电极阵列与信号处理专用集成电路(ASIC)连接，所述ASIC可以通过薄膜制造的在聚酰亚胺上的金的功率线圈来接收功率。

通过将发射器线圈放置在头部的外层皮肤附近并且将接收线圈放置在颅骨内深处，可以通过引入缓冲线圈提高效率。

在系统3100中，缓冲线圈3128被恰好植入在颅骨空腔内而接收器线圈3126在脑部的深处。接收器线圈3126通过电缆3122连接到电极3120。当发射器线圈与缓冲线圈3128感应地耦合时，向接收器线圈3126传输能量的效率得到提高。

图32示出根据实施方案的脊柱植入体。在系统3200中，电极3220与接收器线圈3226连接。缓冲线圈3228允许从外部的发射线圈到接收器线圈3226的更有效率的功率传输。

图33是根据实施方案的过程的流程图。过程3300具有若干操作。在操作3301中，使用发射器线圈产生变化的磁场。在操作3302中，通过第一电磁感应的方式将变化的磁场接收到被附加到眼的巩膜之外的缓冲线圈内，变化的磁场在缓冲线圈中引起电流。在操作3303中，通过来自缓冲线圈中的电流到接收器线圈的第二电磁感应的方式在眼内的接收器线圈内感应电流。在操作3304中，使用来自接收器线圈的感应电流驱动眼内电子装置。在操作3305中，来自接收器线圈的感应电流被可选地整流以产生直流电。

图34是根据实施方案的过程的流程图。过程3400具有若干操作。在操作3401中，在基底上蚀刻导体迹线，导体迹线下覆有柔性的生物相容的电绝缘体的薄片。在操作3402中，在导体迹线上沉积更多的电绝缘体以将导体迹线嵌入电绝缘体中，其中在薄片上的导体迹线包括U形区域，所述U形区域连接从U形区域沿着相同方向伸出的两段导体迹线。在操作3403中，从基底上剥离绝缘体嵌入的导体迹线以释放嵌入的导体迹线的柔性带。在操作3404中，折叠带，使得U形区域垂直于带的其余部分。在操作3405中，折叠U形区域，使得两段导体迹线从U形区域沿着相反的方向伸出。在操作3406中，以螺旋环绕带成以便形成闭合的形状，从而形成堆叠的导体迹线的线圈。在操作3407中，将导体迹线的垫或引线连接到处理电路。在操作3408中，将处理电路连接到适合于与眼中的内层视网膜神经元连接的刺激电极阵列。在操作3409中，电力电缆被耦合在线圈和阵列之间。

已经参考多种特定并且例证性的实施方案描述本发明。然而，应该理解的是，可以进行多种变型和修改而保持在以下权利要求的精神和范围之内。

Claims (54)

1.一种感应式供电的眼植入体设备，包括：

缓冲线圈，其适合于被附加到眼的巩膜之外，所述缓冲线圈具有被生物相容层覆盖的导体；

接收器线圈，其适合于植入在所述眼内，所述接收器线圈具有被生物相容层覆盖的导体，所述接收器线圈适合用于通过电磁感应从发射器线圈经过所述缓冲线圈接收电功率，当分别被附加到所述眼之外和被植入到所述眼之内时，所述缓冲线圈和所述接收线圈适合于进行电磁耦合；以及

处理电路，所述处理电路与所述接收器线圈的所述导体连接并且被配置成从所述接收器线圈接收电功率。

2.如权利要求1所述的设备，还包括：

刺激电极阵列，其适合于与所述眼中的内层视网膜神经元连接并且与所述处理电路连接；以及

电力电缆，其将所述接收器线圈与所述阵列相耦合。

3.如权利要求1所述的设备，其中所述缓冲线圈适合用于环绕所述眼的角膜并且在所述眼的结膜之下安装。

4.如权利要求1所述的设备，还包括：

巩膜透镜，其包住所述缓冲线圈，所述巩膜透镜适合于被戴在所述巩膜上从而将所述缓冲线圈附加到所述眼的所述巩膜之外。

5.如权利要求1所述的设备，其中所述缓冲线圈是圆形的并且具有等于或在约19毫米和20毫米之间的外径。

6.如权利要求1所述的设备，其中所述缓冲线圈是卵形的并且具有约19毫米的外短轴和约24毫米的外长轴，所述缓冲线圈适合于被附加到所述巩膜之外使得所述外长轴大体上是水平的。

7.如权利要求1所述的设备，其中，当从轴向方向观察时，所述缓冲线圈或所述接收器线圈呈多边形形状。

8.如权利要求1所述的设备，其中所述接收器线圈适于植入在所述眼的晶状体囊之内。

9.如权利要求1所述的设备，其中所述接收器线圈是圆形的并且具有等于或小于10毫米的外径、等于或大于6毫米的内径、以及等于或小于1毫米的轴向厚度。

10.如权利要求1所述的设备，其中所述接收器线圈具有在水溶液中的等于或小于10毫克的等效质量。

11.如权利要求10所述的设备，还包括：

密封空腔，其被附接到所述接收器线圈；以及

流体，其被布置在所述密封空腔内，所述流体具有小于水溶液的比重，

从而将浮力添加到所述接收器线圈。

12.如权利要求11所述的设备，其中所述流体包括气体。

13.如权利要求8所述的设备，其中，当所述缓冲线圈被附加到巩膜之外并且所述接收器线圈被植入在所述眼的所述晶状体囊之内时，所述缓冲线圈和所述接收器线圈适合于被轴向分开约4毫米。

14.如权利要求1所述的设备，其中：

所述缓冲线圈适于在所述巩膜之外附加到所述眼的一侧；并且

所述接收器线圈适合于在所述巩膜之内在所述眼的玻璃体内安装到所述眼的内侧。

15.如权利要求1所述的设备，其中所述接收器线圈具有轴向比径向实质上更宽的横截面，从而允许所述接收器线圈被弹性地挤压以经过切口安装。

16.如权利要求1所述的设备，其中所述接收器线圈包括在电绝缘体的折叠带之内的蚀刻的导体。

17.如权利要求1所述的设备，其中所述接收器线圈通过以下操作来生产：

在电绝缘的薄片上蚀刻导体迹线；

在所蚀刻的导体迹线上沉积足以将所蚀刻的导体迹线嵌入的电绝缘体；

将所述薄片折叠到其自身上，堆叠所嵌入的导体迹线；并且然后

以螺旋卷绕所折叠的薄片以便形成闭合的形状。

18.如权利要求17所述的设备，其中每个堆叠的导体迹线越过至少一个纵向折叠折痕行进，使得各自的导体迹线在每个折叠折痕穿越处离散地移动在所述螺旋中的径向位置。

19.如权利要求18所述的设备，其中，在越过所述至少一个纵向折叠折痕行进以与至少一个其他堆叠的导体迹线径向分开之前，每个堆叠的导体迹线平行于所述至少一个其他堆叠的导体迹线前进。

20.如权利要求17所述的设备，其中所述薄片沿着两个折痕被纵向地折叠。

21.如权利要求17所述的设备，其中在所述电绝缘的薄片上的所述导体迹线包括U形区域，所述U形区域连接从所述U形区域沿着相同方向伸出的两段导体迹线，所述接收器线圈的生产还通过以下操作来实现：

在所述卷绕之前折叠所述薄片，使得所述U形区域垂直于所述薄片；并且然后

折叠所述U形区域使得所述两段导体迹线从所述U形区域沿着相反的方向伸出。

22.如权利要求1所述的设备，其中：

所述接收器线圈包含金；以及

所述缓冲线圈包含李兹线，所述李兹线具有三十股绝缘的48美国线规(AWG)线导体。

23.如权利要求1所述的设备，其中所述生物相容层由选自由以下项组成的组中的材料组成：可植入的环氧树脂、液晶聚合物(LCP)、聚对二甲苯C、以及硅酮。

24.如权利要求1所述的设备，还包括：

所述发射器线圈。

25.如权利要求24所述的设备，其中所述发射器线圈是圆形的并且具有约42毫米的外径。

26.如权利要求24所述的设备，其中所述发射器线圈被配置成产生呈约10MHz的变化的磁场。

27.如权利要求24所述的设备，还包括：

用于将所述发射器线圈定位在使用者的所述眼的前方的装置。

28.如权利要求27所述的设备，其中所述用于将所述发射器线圈定位在所述眼的前方的装置选自由以下组成的组：眼镜、护目镜、透明护板、夹鼻眼镜、单眼镜、双目镜、以及外部支撑台。

29.如权利要求1所述的设备，其中所述处理电路包括专用集成电路。

30.如权利要求1所述的设备，还包括：

压力传感器，其适合于与所述处理电路连接。

31.如权利要求1所述的设备，还包括：

电力控制的药物递送致动器，其适合于与所述处理电路连接，所述药物递送致动器适合用于眼内植入。

32.如权利要求1所述的设备，其中所述缓冲线圈被附加到所述眼或所述接收线圈被植入在所述眼内。

33.一种在眼内有效地接收用于眼内电子装置的功率而无需刺穿巩膜的电缆的方法，所述方法包括：

通过第一电磁感应的方式将变化的磁场接收到被附加在眼的巩膜之外的缓冲线圈内，所述变化的磁场在所述缓冲线圈中引起电流；

通过由所述缓冲线圈中的所述电流引起的对接收器线圈的第二电磁感应，在所述眼内的接收器线圈内感应电流；以及

使用来自所述接收器线圈的所感应的电流驱动眼内电子装置。

34.如权利要求33所述的方法，还包括：

将来自所述接收器线圈的所感应的电流整流以产生直流电。

35.如权利要求33所述的方法，其中在所述接收器线圈中的所感应的电流产生25毫瓦的功率和3.7伏的峰峰电压。

36.如权利要求33所述的方法，其中所述变化的磁场是约10MHz。

37.如权利要求33所述的方法，还包括：

使用发射器线圈产生所述变化的磁场。

38.一种制造适合用于电磁感应的线圈的方法，所述方法包括：

在基底上蚀刻导体迹线，所述导体迹线下覆有柔性的生物相容的电绝缘体的薄片；

在所述导体迹线上沉积更多的电绝缘体以将所述导体迹线嵌入所述电绝缘体中；

从所述基底上剥离嵌入有导体迹线的所述绝缘体以释放所嵌入的导体迹线的柔性带；

沿着一个或多个纵向折痕折叠所述带以堆叠所嵌入的导体迹线；以及

以螺旋卷绕所述带以便形成闭合的形状，从而形成堆叠的导体迹线的线圈。

39.如权利要求38所述的方法，其中所述电绝缘体和所述导体迹线是生物相容的。

40.如权利要求39所述的方法，还包括：

径向地挤压所述线圈；以及

穿过眼中的切口传递所挤压的线圈。

41.如权利要求39所述的方法，还包括：

将所述导体迹线的垫连接到处理电路；

将所述处理电路连接到适合于与眼中的内层视网膜神经元连接的刺激电极阵列；以及

将电力电缆耦合在所述线圈和所述阵列之间。

42.如权利要求38所述的方法，其中所述接收器线圈具有等于或小于10毫米的外径、等于或大于6毫米的内径、以及等于或小于1毫米的横截面厚度。

43.如权利要求38所述的方法，其中所述接收器线圈具有在水溶液中的等于或小于10毫克的等效质量。

44.如权利要求38所述的方法，还包括：

将空气密封在腔室内；以及

将所述腔室刚性地附接到所述线圈，

从而将浮力添加到所述线圈。

45.如权利要求44所述的方法，其中所述密封包括使用单向气泡陷阱捕获空气气泡。

46.如权利要求38所述的方法，其中，在所述电绝缘体中的所述一个或多个纵向折痕被预先形成于纵向延伸的导体迹线之间。

47.如权利要求38所述的方法，其中，在折叠的轴向最外面的位置处的第一导体迹线越过纵向折叠折痕行进，并且邻近的第二导体迹线行进到所述轴向最外面的位置内。

48.如权利要求38所述的方法，其中所述薄片沿着两个折痕被纵向折叠。

49.如权利要求38所述的方法，其中在所述薄片上的所述导体迹线包括U形区域，所述U形区域连接从所述U形区域沿着相同方向伸出的两段导体迹线，所述方法还包括：

在所述卷绕之前折叠所述带，使得所述U形区域垂直于所述带的其余部分；并且然后

折叠所述U形区域使得所述两段导体迹线从所述U形区域沿着相反的方向伸出。

50.一种通过权利要求38所述的方法生产的产品。

51.一种感应式供电的植入体设备，包括：

缓冲线圈，其适合于被附加在患者的身体的一部分内，所述缓冲线圈具有被生物相容层覆盖的导体；

接收器线圈，其适合于相比于所述缓冲线圈在所述身体的更深的部分内植入，所述接收器线圈具有被生物相容层覆盖的导体，所述接收器线圈适合用于通过电磁感应从发射器线圈通过所述缓冲线圈接收电功率，所述缓冲线圈和所述接收线圈适合于进行电磁耦合；以及

处理电路，其与所述接收器线圈的所述导体连接并且被配置成从所述接收器线圈接收电功率。

52.如权利要求51所述的设备，其中所述身体的所述一部分包括头部，并且所述处理电路包括脑部起搏器。

53.如权利要求51所述的设备，其中所述身体的所述一部分包括躯干，并且所述处理电路包括脊髓刺激器。

54.如权利要求51所述的设备，还包括：

可充电电池，其被配置成通过所述处理电路接收电功率并且通过所述处理电路进行再充电。