CN104716751A - 一种穿戴式无线传能装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种穿戴式无线传能装置和方法，该装置包括一穿戴于体外的组件和一植入体内的组件，所述穿戴于体外的组件包含：发射线圈、换能器、固定带和体外电源，所述植入体内的组件包含：接收器和体内负载。该方法的原理是通过穿戴在身体上的发射线圈，使身体周围产生交变磁场，以交变磁场作为能量传递的媒介，使处于身体内部的接收器都可以接收到能量，通过换能器改变发射线圈中的电流，从而改变交变磁场的方向和大小，能够在生物活动状态下具有高可靠性、优异的植入性、耐久性长、避免局部皮肤温升。

Description

一种穿戴式无线传能装置和方法

技术领域

本发明涉及一种向生物体内无线传能的装置和方法，尤其涉及一种穿戴式无线传能装置和方法。

背景技术

近年来，植入式有源医疗器械呈蓬勃发展之势。按所消耗的功率划分，可分为低功耗、中功耗、大功耗三种。低功耗的设备如心脏起搏器、神经刺激器、人工耳蜗等，其功耗一般在100毫瓦以下。中功耗的如肠道机器人、人工心脏、植入式透析设备等，功耗一般在10瓦特以下。大功耗的如人工假肢，功耗一般要上百瓦特。

目前植入式有源医疗器械的能量供给方式有电池供电、经皮电缆供电、无线传能等方法。电池供电往往用在便携式场合，但电池的续航能力和寿命仅为3-5年，到期要手术置换，对病人来说都是巨大的精神、身体和经济负担。人工心脏的经皮电缆供电有20％的概率引起感染，日常生活和愈后效果也不理想。对于有源植入式医疗器械而言，无线传能被认为是最有潜力的技术方向。

在工业和消费领域，无线传能技术发展了很多年后日臻成熟，很多场合都开始应用，如电动牙刷、手机。不过，面向有源植入式医疗器械的无线传能却还不完善。有源植入式医疗器械的微功耗无线传能实现起来比较容易，但中功耗及以上的无线传能还存在许多工程和临床问题，如无线传能装置的功率、效率、体积、人体活动的影响、生物介质内的传播特性、对生物组织的影响等。虽然存在很多能够实现无线传能的物理过程，但对于中功率植入式医疗器械(如人工心脏)而言，经过大量研究实践，目前普遍认为交变磁场是首选传能媒介，线圈间近场磁感应耦合是主要实现方式。人工心脏、胶囊内窥镜等植入/摄入式医疗装置是无线传能的典型应用案例。

以人工心脏为例，经皮变压器传能(Transcutaneous energy transmission，TET)是目前研究最多的无线传能方案。常见的人工心脏TET无线传能系统包括体外部分的电池、驱动器和发射线圈，植入体内的部分的接收线圈、电池和人 工心脏血泵。能量通过发射线圈和接收线圈之间的局部经皮磁感应耦合传输。经皮位置常常选择胸部或者两肋的皮肤。经皮处尺寸一般小于10厘米。

十多年来，TET相关基本理论已经成熟，目前主要研究方向侧重于系统改良，如线圈对不准的影响，磁芯和线圈的结构尺寸优化，最大效率跟踪方法，温升对组织的损伤及温升控制方法。作为目前为止研究最多的人工心脏无线传能方案，TET避免了使用经皮电缆，传能效率也能满足人工心脏的需求。但临床试验中TET却暴露出不少新问题，可总结为四个方面：

(1)TET可靠性不高 

变压器设计思想决定了TET传能距离非常有限，可患者活动时，体外部分容易错位或意外脱落，长期使用后，体内线圈会逐渐嵌入皮下太深，两种情况都导致传能效率降低甚至失效，因此无法保证不间断传能。

(2)TET系统植入性差 

由于传能不可靠，患者体内需要植入电池。TET体内线圈直径较大(5～10CM)。植入电池和体内线圈造成整体植入部分体积远大于经皮电缆方案，植入性很差。

(3)TET整体耐久性差 

体内植入电池的寿命仅为3-5年，到期必须手术更换电池。由于体内部件、线缆和接头复杂，在长期使用过程中极易发生断线、泄漏、绝缘等问题，因此系统整体耐久性很差。

(4)TET经皮处皮肤温升过高

TET是通过局部经皮磁感应方式传能的，经皮处皮肤在皮下皮表线圈的压迫下血流不畅，皮下皮表又被发热线圈覆盖，极易积累热量温升过高，引起并发症。当距离变大时传能效率急剧降低，发热更为严重。

总体来看，由于TET系统目前还存在可靠性不高、植入性差、耐久性差、经皮处皮肤温升过高等问题，迄今为止，TET技术仍旧不能满足中功率有源植入式医疗器械的临床需求，以至于绝大多数中功率应用(如人工心脏)中仍然采用传统的经皮电缆能量供给方案。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种穿戴式无线传能装置和方 法，能够穿戴于身上，避免脱落，保证身体内部任何位置都能接收到能量。

本发明提出的一种穿戴式无线传能装置，包括一穿戴于体外的组件和一植入体内的组件，其特征在于：所述穿戴于体外的组件包含：发射线圈、换能器、固定带和体外电源，所述换能器固定在所述固定带上，所述换能器与所述体外电源电性联通，所述发射线圈与所述换能器电性联通；所述植入体内的组件包含：接收器和体内负载，所述接收器与所述体内负载电性联通。

作为本发明的进一步改进，所述发射线圈为一空间多维线圈，所述空间多维线圈围成至少一个三维区域。

作为本发明的进一步改进，所述发射线圈由八段导线连接组成，总共构成六个环形线圈。

作为本发明的进一步改进，所述发射线圈设有至少2组互为冗余备份的导线，所述发射线圈上设有至少两个互为冗余备份的电性连接口。

作为本发明的进一步改进，所述换能器设有至少两个互为冗余备份的单元，每个单元都独立的与发射线圈某一导线电性连接，每个单元都设有一个与体外电源电性的接口和一个与发射线圈电性连接的接口。

作为本发明的进一步改进，所述发射线圈和所述换能器之间设有第一电缆，所述第一电缆的一端电性连接在所述发射线圈上，另一端电性连接在所述换能器上，所述换能器与所述体外电源之间设有第二电缆，所述第二电缆的一端电性连接在所述换能器上，另一端电性连接在所述体外电源上。

作为本发明的进一步改进，所述接收器与所述体内负载之间设有一第三电缆，所述第三电缆的一端电性连接在所述接收器上，另一端电性连接在所述体内负载上。

本发明提出的一种穿戴式无线传能方法，该方法的原理是通过穿戴在身体上的发射线圈，使身体周围产生交变磁场，以交变磁场作为能量传递的媒介，使处于身体内部的接收器都可以接收到能量，通过换能器改变发射线圈中的电流，从而改变交变磁场的方向和大小，其特征在于：包括以下步骤：

(1)所述的换能器通电后，向所述发射线圈中的至少三个不同方向的线圈中依次通入交变电流，检测在每个线圈中产生的能量，减去线圈自身损失的能 量，得到每个线圈所发送并被接收器获取的能量；

(2)所述的换能器根据至少三个不同方向的线圈中发送出去的能量，计算出在哪个方向上发送出去的能量最多；

(3)所述的换能器控制至少三个不同方向的线圈中的电流，使之产生的磁场方向为发送能量最多的方向。

作为本发明的进一步改进，所述交变磁场覆盖所述发射线圈所包围的三维空间区域，所述交变磁场的为近场，所述交变磁场的波长大于发射线圈尺寸的十倍。

作为本发明的进一步改进，所述发射线圈与所述换能器之间有能量传递，所述能量传递由所述换能器上的电子开关的开关相位和时间来控制，所述的能量传递是双向的。

作为本发明的进一步改进，所述的发射线圈通过磁感应的方式与所述交变磁场进行能量交换。

作为本发明的进一步改进，所述的接收器通过磁感应的方式与所述交变磁场进行能量交换。

作为本发明的进一步改进，所述发射线圈和所述接收器之间的能量交换是双向的。

借由上述方案，本发明至少具有以下优点：利用穿戴式线圈穿戴于人体的体表，在与人体相当的空间范围内产生近似均匀的交变磁场作为换能媒介，保证处于人体内部任何位置的能量接收器都可以接收到能量。穿戴式发射线圈的柔性特征保证发射线圈可以贴伏与人体的体表，可以使用人体的体型差异，并可以随人体的活动变形适应。穿戴式发射线圈是一个多维度线圈，可以在空间中产生任意方向的磁场，以保证向体内的接收器可靠的供给能量。穿戴式无线传能线圈具有冗余备份，长期使用后如果部分导线断裂，换能器可以及时诊断出来。同时，换能器有两个相同的备份，任意一个都可以提供相应的功能。无线传能装置的单一故障不会引发传能失效，具有极高的可靠性。因此，体内植入部分不用电池，结构紧凑，具有优异的可植入性。由于体内电缆和接头可以大幅度减少甚至取消，也不存在寿命有限的电池，所以具有很好的耐久性，分 散了发热面积，不会造成局部温升过高，装置发热很容易被人体散发，避免了局部经皮传能温升问题。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是本发明一种穿戴式无线传能装置和方法实施例一的结构示意图；

图2是本发明一种穿戴式无线传能装置和方法实施例二的结构示意图；

图3是本发明一种穿戴式无线传能装置和方法实施例三的结构示意图；

其中：101-发射线圈；201-换能器；301-固定带；401-第一电缆；402-第二电缆；501-接收器；502-第三电缆；601-交变磁场；701-人工心脏；702-天然心脏；801-胶囊内窥镜；802-消化道。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例一：如图1所示，一种穿戴式无线传能装置，包括一穿戴于体外的组件和一植入体内的组件，所述穿戴于体外的组件包含：发射线圈101、换能器201、固定带301和体外电源，所述换能器201固定在所述固定带301上，所述换能器201与所述体外电源电性联通，所述发射线圈101与所述换能器201电性联通；所述植入体内的组件包含：接收器501和体内负载，所述接收器501与所述体内负载电性联通。通过固定带301，将换能器201固定于动物或人的体表，通过发射线圈101能够产生用于体内和体外交换能量的交变磁场601。

所述的发射线圈101，是一个空间多维线圈，在空间中围出一个或多个三维区域。发射线圈101由八段导线组成，总共构成六个环形线圈。当然发射线圈101还可以是具有8段导线中的一部分，或者6个环形线圈的一部分，也可以是具有8段以上的导线，或者具有6个以上的环形线圈，以形成不同形状的三维区域。

所述的发射线圈101，是柔性线圈。可根据动物形体而改变；可以跟随动物或人的活动而改变；可扩展以便于向动物或人身上穿戴；可扩张以便于从动物或人身上取下。由于线圈是柔性的，在线圈变形时可以不间断的工作。

所述的发射线圈101，具有可穿戴性，能够环绕在动物或人的躯干部分。如环绕在头、脖、胸、肩、腕、肘、腹、股、膝、胫、踝、脚、指、趾等部位。

所述的发射线圈101，有至少两组互为冗余备份的导线。当其中一个导线断裂后，另一导线可以继续工作。换能器201可以检测并定位出哪一束导线发生了断裂。发射线圈101有至少两个互为冗余备份的电缆连接口，当其中一个损坏后另一个可以继续工作。

所述的换能器201，有两个互为冗余备份的单元。每个单元都独立的与发射线圈101中的一个导线连接，每个单元都设有一个与体外电源电性的接口和一个与发射线圈电性连接的接口。

所述发射线圈101和所述换能器201之间设有第一电缆401，所述第一电缆401的一端电性连接在所述发射线圈101上，另一端电性连接在所述换能器201上，所述换能器201与所述体外电源之间设有第二电缆402，所述第二电缆402的一端电性连接在所述换能器201上，另一端电性连接在所述体外电源上。

所述接收器501与所述体内负载之间设有一第三电缆502，所述第三电缆502的一端电性连接在所述接收器501上，另一端电性连接在所述体内负载上。接收器501可以嵌入负载内部，于是可省去的连接电缆502，接收器501内部的线圈，亦是一个多维线圈，也可简化为一维线圈。

一种穿戴式无线传能方法，该方法的原理是通过穿戴在身体上的发射线圈，使身体周围产生交变磁场，以交变磁场作为能量传递的媒介，使处于身体内部的接收器都可以接收到能量，通过换能器改变发射线圈中的电流，从而改变交变磁场的方向和大小，包括以下步骤：

(1)所述的换能器上电后，向至少三个不同方向的线圈中依次通入交变电流，检测在每个线圈中产生的能量，减去线圈自身的铜损，得到每个线圈所发送并被接收器获取的能量；

(2)所述的换能器根据至少三个不同方向的线圈中发送出去的能量，计算 出在哪个方向上发送出去的能量最多；

(3)所述的换能器控制至少三个不同方向的线圈中的电流，使之产生的磁场方向为发送能量最多的方向。

所述交变磁场601，覆盖所述发射线圈101所包围的三维空间区域及其附近范围。工作中，所述交变磁场601大小和方向由所述发射线圈101控制，所述交变磁场601可以是水平的、竖直的或者指向空间任何方向，可随时间变化。

所述交变磁场601的波长大于所述发射线圈101的尺寸的十倍，因此交变磁场601为近场，其能量被约束在发射线圈101的临近区域内，并不向空间辐射，不是辐射场。

发射线圈101与所述的换能器201之间有能量传递。所述的能量传递由换能器201中的电子开关的开关相位和时间来控制。能量传递是双向的，实现方式为向发射线圈101中注入或提取电流。

所述的发射线圈101通过磁感应的方式与交变磁场601进行能量交换，可以向交变磁场601中注入能量，也可以从交变磁场601中提取能量。

所述的接收器501通过磁感应的方式与交变磁场601进行能量交换，可以向交变磁场601中注入能量，也可以从交变磁场601中提取能量。

发射线圈101和接收器501的能量交换是双向的。

本发明的一种穿戴式无线传能装置和方法，还有多种实施方式，如人工心脏无线传能、消化道无线传能等方式，下面就描述以上两种的具体实施的方式。

实施例二：如图3所示，人工心脏701的入口连接天然心脏702的左心室，出口连接主动脉，实现辅助泵血功能。由于无线传能发射线圈101穿戴于人体后，可以在人体范围内产生合适的交变磁场。接收器501在一个相当大的范围内都可以接收到能量，因此可以直接植入人工心脏701内部，不必用电缆与人工心脏701连接。这一方案减小了体积，提高了可植入性；减少了体内电缆和接头，提高了可靠性；同时也提高了长期耐久性。

实施例三：胶囊内窥镜801位于消化道内，可以处于消化道内的任何位置、呈任何空间方位。由于无线传能发射线圈101是多维度线圈，可以产生任意方向的交变磁场601，通过判断出什么方向的交变磁场传能的功率或效率最大，可 保证胶囊内窥镜801在消化道内任何位置和任何方位上都持续不断的可靠的接收到能量。使患者回归正常生活，胶囊内窥镜可以在计算机软件的控制下连续不断的完成较长时间的诊断，可以跨越人体正常的消化道循环周期，诊断出插入式消化道内镜和被动式胶囊内窥镜所无法发现的问题。可以提供能量以驱动胶囊内窥镜在体能运行，重点检查消化道内镜无法达到的区域，大大降低了漏检的可能性。可以大大改善消化道疾病的早期诊断，甚至会成为例行体检项目，为人们带来福音。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种穿戴式无线传能装置，包括一穿戴于体外的组件和一植入体内的组件，其特征在于：

所述穿戴于体外的组件包含：发射线圈、换能器、固定带和体外电源，所述换能器固定在所述固定带上，所述换能器与所述体外电源电性联通，所述发射线圈与所述换能器电性联通；

所述植入体内的组件包含：接收器和体内负载，所述接收器与所述体内负载电性联通。

2.根据权利要求1所述的一种穿戴式无线传能装置，其特征在于：所述发射线圈为一空间多维线圈，所述空间多维线圈围成至少一个三维区域。

3.根据权利要求2所述的一种穿戴式无线传能装置，其特征在于：所述发射线圈由八段导线连接组成，总共构成六个环形线圈。

4.根据权利要求3所述的一种穿戴式无线传能装置，其特征在于：所述发射线圈设有至少2组互为冗余备份的导线，所述发射线圈上设有至少两个互为冗余备份的电性连接口。

5.根据权利要求4所述的一种穿戴式无线传能装置，其特征在于：所述换能器设有至少两个互为冗余备份的单元，每个单元都独立的与发射线圈某一导线电性连接，每个单元都设有一个与体外电源电性的接口和一个与发射线圈电性连接的接口。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的一种穿戴式无线传能装置，其特征在于：所述发射线圈和所述换能器之间设有第一电缆，所述第一电缆的一端电性连接在所述发射线圈上，另一端电性连接在所述换能器上，所述换能器与所述体外电源之间设有第二电缆，所述第二电缆的一端电性连接在所述换能器上，另一端电性连接在所述体外电源上。

7.根据权利要求1至5中任意一项所述的一种穿戴式无线传能装置，其特征在于：所述接收器与所述体内负载之间设有一第三电缆，所述第三电缆的一端电性连接在所述接收器上，另一端电性连接在所述体内负载上。

8.一种穿戴式无线传能方法，该方法的原理是通过穿戴在身体上的发射线圈，使身体周围产生交变磁场，以交变磁场作为能量传递的媒介，使处于身体内部的接收器都可以接收到能量，通过换能器改变发射线圈中的电流，从而改变交变磁场的方向和大小，其特征在于：包括以下步骤：

(1)所述的换能器通电后，向所述发射线圈中的至少三个不同方向的线圈中依次通入交变电流，检测在每个线圈中产生的能量，减去线圈自身损失的能量，得到每个线圈所发送并被接收器获取的能量；

(2)所述的换能器根据至少三个不同方向的线圈中发送出去的能量，计算出在哪个方向上发送出去的能量最多；

(3)所述的换能器控制至少三个不同方向的线圈中的电流，使之产生的磁场方向为发送能量最多的方向。

9.根据权利要求8所述的一种穿戴式无线传能方法，其特征在于：所述交变磁场覆盖所述发射线圈所包围的三维空间区域，所述交变磁场的为近场，所述交变磁场的波长大于发射线圈尺寸的十倍。

10.根据权利要求9所述的一种穿戴式无线传能方法，其特征在于：所述发射线圈与所述换能器之间有能量传递，所述能量传递由所述换能器上的电子开关的开关相位和时间来控制，所述的能量传递是双向的。

11.根据权利要求8至10中任意一项所述的一种穿戴式无线传能方法，其特征在于：所述的发射线圈通过磁感应的方式与所述交变磁场进行能量交换。

12.根据权利要求8至10中任意一项所述的一种穿戴式无线传能方法，其特征在于：所述的接收器通过磁感应的方式与所述交变磁场进行能量交换。

13.根据权利要求8至10中任意一项所述的一种穿戴式无线传能方法，其特征在于：所述发射线圈和所述接收器之间的能量交换是双向的。