CN104941017A - 为人工心脏提供电源的能量无线定向传递系统 - Google Patents
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Abstract
为人工心脏提供电源的能量无线定向传递系统，属于生物医学工程领域，涉及一种定向无线能量传递系统。包括高频磁场激发装置，相位控制装置，发射天线阵列，接收天线，能量转换装置，其中，所述高频磁场激发装置产生相位可调的高频交变电场；所述发射天线阵列将高频电场转换为高频电磁场；所述相位控制装置检测所述接收天线的位置变化，进而调整发射天线阵列中各个天线的电磁场相位；所述接收天线植入体内，接收电磁场能量；所述能量转换装置将所述接收天线接收的交变电磁场能量变为电场能量，并通过整流滤波成为直流电，供给人工心脏运行。利用本发明，提高了人工心脏无线能量传递系统的效率、可靠性与安全性。
Description
技术领域
本发明属于生物医学工程领域，涉及一种为人工心脏提供电源的定向无线能量传递系统。
背景技术
人工心脏已经逐渐成为了治疗心力衰竭的有效方法之一，但是在传统的人工心脏系统中，大多数采用内置电池或者经皮导线的方式来向体内的人工心脏传送能量。但是不管是内置电池储能或者通过经皮导线能量传送都存在一些弊病。这些弊病主要表现在：对于内置电池方式，由于目前电池技术限制，不可能长时间为人工心脏系统提供能量，同时由于将整个人工心脏系统植入人体，增加了人体内部的异物体积，因此了人体的排异反应的可能性大大增加，因此这类系统只适合短期辅助，不能够长时间连续运行；而经皮导线能量传递方式虽然可以解决系统连续运行的问题，但是由于导线会穿过人体皮肤，因此极其容易造成感染和排异反应，严重影响病人的生活质量。为了解决这些问题，专利200510079657.2采用电磁感应原理设计了经皮能量传递初级线圈，实现了无线能量传递。为了提高能量传递效率，专利200510079656.8设计了双次级线圈，提高了能量收集效率。专利201410510726X采用自适应控制方式主动增加发射功率，提高传递能量数值。专利2009801158823采用多个物理上可调的发射天线，以满足不同传递距离下传递能量的需求。虽然上面的发明能够在一定程度上解决人工心脏的无线能量传递问题，仍然存在以下不足。首先，上述能量发明技术对于传递距离敏感，当传输距离变化时，能量传递效率衰减明显。第二，上述发明均采用非定向电磁场，从而增加了对周围环境的电磁场污染。上述这些问题限制了人工心脏无线能量传递系统的效率、可靠性与安全性。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了定向无线能量传递系统，特别针对人工心脏，为其提供电源。
一种为人工心脏提供电源的能量无线定向传递系统，包括高频磁场激发装置，相位控制装置，发射天线阵列，接收天线，能量转换装置。其中，所述高频磁场激发装置产生相位可调的高频交变电场；所述发射天线阵列将高频电场转换为高频电磁场；所述相位控制装置检测所述接收天线的位置变化，进而调整发射天线阵列中各个天线的电磁场相位；所述接收天线植入体内，接收电磁场能量；所述能量转换装置将所述接收天线接收的交变电磁场能量变为电场能量，并通过整流滤波成为直流电，供给人工心脏运行。
所述发射天线阵列由两个以上的面状天线组成，该天线由导电金属缠绕而成，其形状为对称几何形状。
所述的相位控制装置由信号采集部分、负载谐波检测模块、主控模块与相位调节模块组成，其中所述信号采集部分采集发射天线阵列中各个天线的输入电流与电压信号；所述负载谐波检测模块提取接收天线的功率互感信号；所述主控模块与相位调节模块根据所述输入电流与电压信号、所述功率互感信号计算系统的传递效率，并根据优化理论计算出使传递效率最优的相位组合，然后调整发射天线阵列中各个天线输出信号的相位参数。
作为优选，所述发射天线阵列采用3×3矩阵排列，每个天线为匝数20匝、直径50mm的圆线圈，采用直径0.5mm的铜线缠绕而成；所述体内接受天线为匝数40匝、直径20mm的圆线圈，采用直径0.5mm的铜线缠绕而成。
利用本发明，定向提高人工心脏附近的电磁场强度，并且减弱其他区域的电磁场强度，从而实现提高人工心脏无线能量传递系统的效率、可靠性与安全性。
附图说明
图1是本发明为人工心脏提供电源的能量无线定向传递系统的优选实施例的结构示意图。
图2为图1所示实施例中高频磁场激发装置的电路图。
图3为图1所示实施例中相位控制装置的信号采集部分的电压输入电路图。
图4为图1所示实施例中相位控制装置的信号采集部分的电流输入电路图。
图5为图1所示实施例中相位控制装置的负载谐波检测模块电路图。
图6为本发明为人工心脏提供电源的能量无线定向传递系统的工作流程图。
图中：1、外驱动电源，2、高频磁场激发装置，3、相位控制装置，4、发射天线阵列，5、人体皮肤，6、接收天线，7、能量转换装置，8、人工心脏。
具体实施方式
下面结合一个实施例及附图对本发明的做进一步详细说明。
本发明的能量无线传递系统可以将外驱动电源1转化为人体内的人工心脏8的电源。本发明的能量无线传递系统由位于体外的高频磁场激发装置2、相位控制装置3、发射天线阵列4和位于体内的接收天线6、能量转换装置7五部分组成。在本实施例中，
高频磁场激发装置用于产生相位可调的高频交变电场，原理如图2所示，核心芯片采用XKT-801芯片进行频率调制，并采用IR2118芯片进行功率放大，之后由mosfet驱动天线阵列。
相位控制装置3用于检测接受天线6的位置变化，并调节发射天线阵列4中各天线的相位，由信号采集部分、负载谐波检测模块、主控模块与相位调节模块组成。其中，
1)所述信号采集部分采集发射天线阵列4中各个天线的输入电流与电压信号，采用集成运算放大器电路进行采集天线阵列的电压与电流，并且对于信号进行放大滤波等调理工作。电压输入电路如图3所示，电流输入电路如图4所示。
2)所述负载谐波检测模块通过低通滤波电路过滤发射端的噪声，提取接收天线的功率互感信号，采用集成运算放大电路设计负载谐波检测预调理电路，设计选频电路提取负载的功率的反射信号，送入主控模块部分进行后续处理。相关电路图如图5所示。
3)所述主控模块与相位调节模块根据所述输入电流与电压信号、所述功率互感信号计算系统的传递效率η，η＝PLOAD/PINPUT，其中PLOAD为负载功率，PINPUT为发射功率。之后根据分布估计算法计算出使传递效率最优的相位组合。相位0-360°与相位控制电压0-5V线性对应，之后由主控模块根据每个天线各自的相位产生对应的控制信号，信号通入XKT-801芯片的相位调控引脚，该芯片能够根据这一引脚的电压调整信号相位，0°对应电压0V，180°对应电压2.5V，360°对应电压5V。然后XKT-801芯片调整发射天线阵列6中各个天线输出信号的相位参数，进而调整发射天线阵列中各个天线的电磁场相位。其中采用TMS320C66作为主控单元，负责从功率互感信号中提取负载功率，计算系统传递效率，采用最优化算法与单边形算法优化各个天线的传递相位。采用XC9572芯片进行辅助控制，并采用过采样算法，采样天线阵列的电流与电压信号，之后采用自适应滤波器对信号进行预处理。
发射天线阵列4将高频电场转换为高频电磁场，采用圆环线圈作为的天线，3×3矩阵排列，每个天线匝数为20匝，直径50mm；采用直径0.5mm的铜线缠绕而成。
接收天线6植入体内，用于接收电磁场能量，采用直径0.5mm的铜线缠绕成圆环线圈，天线匝数40匝，直径20mm。
能量转换装置7用于将交变电磁场能量变为电场能量，并通过整流滤波成为直流电，供给人工心脏运行。采用变压器，电容稳压与开关型稳压芯片构成稳压模块，为人工心脏提供能量。
本实施例按照图6所示的流程工作：系统通过信号采集部分采集发射天线阵列中的天线的输入电流与输入电压，采集接收天线中的反电动势(图中的“采集线圈反电动势”就是采集接收天线中的反电动势)；计算输入端的发射功率，并采用小波变换理论计算天线中的功率谐波信号；而后，主控单元从功率谐波信号中计算负载功率，并与发射功率一同计算系统传递效率；而后，如果系统传递效率低于设定阈值，则主控模块触发相位控制模块调整天线的发射相位，并计算此时系统传递效率的变化率，如果变化率大于零，说明系统趋向于最佳工作点，小于零说明系统背离最佳工作点，等于零表示系统处于最佳工作点。之后采用最优化理论与线性规划理论，寻找发射天线阵列中各个天线的相位最优化组合，从而使整个系统的传递效率最高。本实施例中，接收天线位于发射天线阵列正前方，距离140mm，通过相位控制装置将发射天线阵列的相位分别调整为0,20°，55°，80°，80°，80°，135°，150°与200°，检测发现能量转换装置能够到15W的能量，能够满足额定功率10W的人工心脏的需求；同时远离这一位置的区域，接受能量小于1W，能够有效降低周围环境的电磁辐射。
Claims (4)
1.为人工心脏提供电源的能量无线定向传递系统，包括高频磁场激发装置，相位控制装置，发射天线阵列，接收天线，能量转换装置，其特征在于：所述高频磁场激发装置产生相位可调的高频交变电场；所述发射天线阵列将所述高频电场转换为高频电磁场；所述相位控制装置检测所述接收天线的位置变化，进而调整发射天线阵列中各个天线的电磁场相位；所述接收天线植入体内，接收电磁场能量；所述能量转换装置将所述接收天线接收的交变电磁场能量变为电场能量，并通过整流滤波成为直流电，供给人工心脏运行。
2.根据权利要求1所述的为人工心脏提供电源的能量无线定向传递系统，其特征在于：所述发射天线阵列由两个以上的面状天线组成，该天线由导电金属缠绕而成，其形状为对称几何形状。
3.根据权利要求1或2所述的为人工心脏提供电源的能量无线定向传递系统，其特征在于：所述的相位控制装置由信号采集部分、负载谐波检测模块、主控模块与相位调节模块组成，其中所述信号采集部分采集发射天线阵列中各个天线的输入电流与电压信号；所述负载谐波检测模块提取接收天线的功率互感信号；所述主控模块与相位调节模块根据所述输入电流与电压信号、所述功率互感信号计算系统的传递效率，并根据优化理论计算出使传递效率最优的相位组合，然后调整发射天线阵列中各个天线输出信号的相位参数。
4.根据权利要求3所述的为人工心脏提供电源的能量无线定向传递系统，其特征在于：所述发射天线阵列采用3×3矩阵排列，每个天线为匝数20匝、直径50mm的圆线圈，采用直径0.5mm的铜线缠绕而成；所述体内接受天线为匝数40匝、直径20mm的圆线圈，采用直径0.5mm的铜线缠绕而成。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |