CN105024458B - 对人体植入式设备进行无接触电能传输的装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种对人体植入式设备进行无接触电能传输的装置。该装置包括：设置在人体内部的人体植入式设备、内部线圈，设置在人体外部的外部线圈和外部控制设备。外部控制设备将电能转换为高频电磁波，外部线圈通过电磁耦合将加载了控制信息的高频电磁波传输给内部线圈，内部线圈将加载了控制信息的高频电磁波传输给人体植入式设备，人体植入式设备将高频电池波转换为电能，利用电能对人体植入式设备的电池进行充电。本发明实施例可以有效地对人体植入式设备进行人体外部的无接触电能传输，可以克服电池能量对心脏起搏器寿命等人体植入式设备的限制，满足具有特殊功能的需要，有效人体植入式设备的工作寿命。

Description

对人体植入式设备进行无接触电能传输的装置

技术领域

本发明涉及无接触电能传输技术领域，尤其涉及一种对人体植入式设备进行无接触电能传输的装置。

背景技术

最近十年无线充电技术成为最热门的研究发展方向之一，目前实现无线充电主要通过3种方式，即电磁感应、无线电波和共振作用。最为常见的充电垫解决方案就采用了电磁感应，通过初级和次级线圈感应产生电流，从而将能量从发射端传输到接收端。而无线电波是另一个发展较为成熟的技术，无线电波的微型高效接收电路可以捕捉到从墙壁弹回的无线电波能量，在随负载调整的同时保持稳定的直流电压。第三种尚在研究中的技术是电磁共振。目前已经推向市场的无线充电产品主要有：电动牙刷、电动剃须刀、无绳电话和净水器等小功率家电产品，对安全性和抗干扰性要求不高，主要利用电磁感应技术。

无接触电能传输技术是当前电源技术的一大热点，对于诸如便携式电子产品、植入电子器件、移动机器人等不适宜通过电源线长期供电的电子电器开展无接触电能传输的研究具有重要意义，无接触电能传输技术在很大程度上可以满足一些特殊领域的充电需求。但是，将无线充电技术应用于植入性医疗设备，特别是植入式心脏起搏器还处于方案设计和样机制作的阶段，尚没有成熟并可产品化的技术，主要由于植入式心脏起搏器是对安全性和抗干扰性要求都非常高的医疗设备，而目前主流的无线充电技术尚不能满足其要求。

随着医疗技术的不断发展，人类的医疗设备也越来越先进，人体植入式设备早已不再是梦想，现有的人体植入式设备多是内部自带电池的设备，以及一些不成熟的无线充电设备。然而现有的人体植入式设备多是内部自带电池，电池的使用寿命有限，导致人体植入式设备的使用期限受到限制，更换电池会给病人带来无尽的痛苦。

同时目前市场上的那些未成熟的人体植入式无线充电设备大多都不具有智能的内部充电管理系统，充电保护性能差，同时都不具有设备识别能力，无法判断带充电设备的当前电能状况，那么就会造成发送端充电的盲目性以及电能的浪费，人体内部设备容易受到外界干扰，对人体安全造成威胁。

人体植入式无线传能设备更是至关重要直接关系到病人的生命安危，如果不能及时充电以及充电电量不能人工控制都会给病人带来很多无法预料的问题，因此，开发一种对人体植入式设备进行有效的无接触电能传输的方法是一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明的实施例提供了一种对人体植入式设备进行无接触电能传输的装置，以实现对人体植入式设备进行有效的无接触电能传输。

本发明提供了如下方案：

一种对人体植入式设备进行无接触电能传输的装置，包括：人体植入式设备、内部线圈、外部线圈和外部控制设备，其中，所述人体植入式设备、内部线圈设置在人体内部，所述外部线圈和外部控制设备设置在人体外部；

所述的外部控制设备，用于将电能转换为高频电磁波，并将控制信息加载到所述高频电磁波上，将加载了控制信息的高频电磁波传输给所述外部线圈，所述控制信息中包括需要进行充电的人体植入式设备的标识码；

所述的外部线圈，用于通过电磁耦合将所述加载了控制信息的高频电磁波传输给所述内部线圈；

所述的内部线圈，用于通过电磁耦合接收所述外部线圈传输过来的加载了控制信息的高频电磁波，将所述加载了控制信息的高频电磁波传输给所述人体植入式设备；

所述的人体植入式设备，用于对所述加载了控制信息的高频电磁波进行解调处理，得到所述控制信息，通过内部设置的CPU控制模块验证所述控制信息中包括的标识码和所述人体植入式设备内置的标识码一致后，所述CPU控制模块执行所述控制信息；将所述高频电磁波转换为电能，利用所述电能对所述人体植入式设备的电池进行充电。

所述的人体植入式设备包括：接收所述内部线圈传输过来的加载了控制信息的内部通信模块，该内部通信模块具体包括：

调制解调模块，用于对所述加载了控制信息的高频电磁波进行解调处理，得到所述控制信息，将所述控制信息传输给人体植入式设备中的CPU控制模块；

串联谐振电路，用于在所述CPU控制模块的控制下，通过电感将所述高频电磁波转换为交流电，将所述交流电传输给整流电路；

整流电路，用于对所述串联谐振电路传输过来的交流电进行整流处理，得到直流电，将所述直流电传输给稳压电路；

稳压电路，用于利用稳压处理后的直流电，通过充电电路对所述人体植入式设备的电池进行充电处理。

所述的人体植入式设备还包括：CPU控制模块和开关电路模块；

所述的CPU控制模块，用于接收所述内部通信模块传输过来的控制信息，验证所述控制信息中包括的标识码和所述人体植入式设备内置的标识码是否一致，如果是，则执行所述控制信息对所述人体植入式设备中的对应模块进行控制处理；否则，丢弃所述控制信息；

开关电路模块，用于采用三极管构成开关电路，在所述CPU控制模块的控制下，所述开关电路开启或者关闭所述人体植入式设备的电池的充电电路。

所述的人体植入式设备还包括：

充电控制模块，用于接收到所述CPU控制模块传输过来的开启充电命令后，利用单片机发送出控制信号，该控制信号控制所述开关电路模块开启所述人体植入式设备的电池的充电电路；接收到所述CPU控制模块传输过来的关闭充电命令后，利用单片机发送出控制信号，该控制信号控制所述开关电路模块关闭所述人体植入式设备的电池的充电电路；

充电保护模块，用于通过电感、电容和开关二极管构成降压变换器，所述降压变换器控制所述充电电路上的充电电流保持在设定的电流范围内，控制所述充电电路上的充电电压保持在设定的电压范围内。

所述的人体植入式设备还包括：

充电监测模块，用于利用集成电路芯片检测所述人体植入式设备的电池的参数特性，该参数特性包括所述电池的电量值、充电状态、温度、电压，将所述参数特性传输给CPU控制模块。

所述的CPU控制模块，还用于接收到所述充电监测模块传输过来的所述人体植入式设备的电池的参数特性后，提取所述参数特性中包含的电量值，当所述电量值小于设定的电量门限值时，向所述充电控制模块发送开启充电命令；当所述电量值大于或者等于设定的电量门限值时，向所述充电控制模块发送关闭充电命令。

所述的稳压电路，还用于对电池输出的直流电进行稳压处理，输出稳压处理后的直流电给整流电路；

所述的整流电路，还用于对所述稳压电路传输过来的直流电进行逆变处理，得到交流电，将所述交流电传输给串联谐振电路；

所述的串联谐振电路，还用于通过电感将所述交流电转换为高频电磁波，将所述高频电磁波传输给调制解调模块；

调制解调模块，还用于接收CPU控制模块传输过来的状态信息，对所述状态信息进行调制处理，将所述状态信息加载到所述串联谐振电路传输过来的高频电磁波上，所述状态信息中包括所述人体植入式设备的标识码，将所述高频电磁波传输给所述内部线圈。

所述的内部线圈，还用于通过电磁耦合将所述加载了状态信息的高频电磁波传输给所述外部线圈；

所述的外部线圈，还用于通过电磁耦合接收所述内部线圈传输过来的加载了状态信息的高频电磁波，将所述加载了状态信息的高频电磁波传输给所述外部控制设备；

所述的外部控制设备，还用于对所述外部线圈传输过来的加载了状态信息的高频电磁波进行解调处理，得到所述状态信息，提取所述状态信息中包括的所述人体植入式设备的标识码。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例通过将电磁耦合无接触传能技术运用到人体植入式设备，外部控制设备将电能转换为电磁波，并通过电池耦合传输给人体植入式设备，人体植入式设备再将电磁波转换为电能，可以有效地对人体植入式设备进行人体外部的无接触电能传输，可以克服电池能量对心脏起搏器寿命等人体植入式设备的限制，满足具有特殊功能的需要，有效人体植入式设备的工作寿命，使各类人体植入式设备真正实现“一次植入、终身使用”，免除患者再次开刀更换植入的后顾之忧，真正减除了病人的生理痛苦和经济负担。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种对人体植入式设备进行无接触电能传输的装置的结构示意图，图中，人体植入式设备1、内部线圈2、外部线圈3和外部控制设备4；

图2为本发明实施例提供的一种人体植入式设备的结构示意图，图中，充电保护模块11，CPU控制模块12、开关电路模块15、充电控制模块14、充电监测模块13和内部通信模块16，以及调制解调模块161，串联谐振电路162，整流电路163，稳压电路164。

具体实施方式

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本发明实施例提出的一种对人体植入式设备进行无接触电能传输的装置的结构示意图如图1所示，包括如下的模块：人体植入式设备、内部线圈、外部线圈和外部控制设备。其中，人体植入式设备、内部线圈设置在人体内部，外部线圈和外部控制设备设置在人体外部。该人体植入式设备可以为人体注入式心脏起搏器等。

所述的外部控制设备，具备和人体植入式设备进行能量与信息的传输、信息的调整和解调等功能。当需要对人体植入式设备进行充电和信息传输时，用于将电能转换为高频电磁波，并将控制信息加载到所述高频电磁波上，将加载了控制信息的高频电磁波传输给所述外部线圈，所述控制信息中包括需要进行充电的人体植入式设备的标识码；

所述的外部线圈，用于通过电磁耦合将所述加载了控制信息的高频电磁波传输给所述内部线圈；

所述的内部线圈，用于通过电磁耦合接收所述外部线圈传输过来的加载了控制信息的高频电磁波，将所述加载了控制信息的高频电磁波传输给所述人体植入式设备；

所述的人体植入式设备，用于对所述加载了控制信息的高频电磁波进行解调处理，得到所述控制信息，通过内部设置的CPU控制模块验证所述控制信息中包括的标识码和所述人体植入式设备内置的标识码一致后，所述CPU控制模块执行所述控制信息；将所述高频电池波转换为电能，利用所述电能对所述人体植入式设备的电池进行充电。

该实施例提供的一种人体植入式设备的结构示意图如图2所示，包括：内部通信模块、CPU控制模块、开关电路模块、充电控制模块、充电保护模块和充电监测模块。在人体植入式设备的内部内置唯一的标识码，所述内部通信模块接收所述内部线圈传输过来的加载了控制信息的内部通信模块，该内部通信模块具体包括：

调制解调模块，用于对所述加载了控制信息的高频电磁波进行解调处理，得到所述控制信息，将所述控制信息传输给人体植入式设备中的CPU控制模块；该模块可以通过NE564来实现，NE564是适用于高频的FM和FSK(Frequency-shift keying，频移键控)的调制和解调的芯片，通过该芯片外加一些电阻和电容来设计内外设备的调制解调电路，以实现内外设备的无线通信。

串联谐振电路，用于在所述CPU控制模块的控制下，通过电感将所述高频电磁波转换为交流电，将所述交流电传输给整流电路；

整流电路，用于对所述串联谐振电路传输过来的交流电进行整流处理，得到直流电，将所述直流电传输给稳压电路；

稳压电路，用于利用稳压处理后的直流电，通过充电电路对所述人体植入式设备的电池进行充电处理。

所述的CPU控制模块，该模块采用MSP430F149单片机及其外围电路来实现，MSP430系列单片具有集成度高、超低功耗和体积小的优点，因此，本发明实施例的对人体植入式设备的硬件电路采用MSP430F149单片机作为硬件电路的主控芯片。该模块负责根据外部指令控制内部电路的各个模块，具体处理过程包括：用于接收所述内部通信模块传输过来的控制信息，验证所述控制信息中包括的标识码和所述人体植入式设备内置的标识码是否一致，如果是，则执行所述控制信息对所述人体植入式设备中的各个模块进行控制处理，控制各个模块的启动、运行和关闭等；否则，丢弃所述控制信息。

所述的开关电路模块，用于主要采用两个高性能的三极管构成开关电路，在所述CPU控制模块的控制下，所述开关电路开启或者关闭所述人体植入式设备的电池的充电电路。

所述的充电控制模块，用于接收到所述CPU控制模块传输过来的开启充电命令后，利用单片机TA口发送PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)控制信号，该控制信号控制所述开关电路模块开启所述人体植入式设备的电池的充电电路；接收到所述CPU控制模块传输过来的关闭充电命令后，利用单片机发送出控制信号，该控制信号控制所述开关电路模块关闭所述人体植入式设备的电池的充电电路。

充电保护模块，用于通过电感、电容和开关二极管构成降压变换器，所述降压变换器控制所述充电电路上的充电电流保持在设定的电流范围内，控制所述充电电路上的充电电压保持在设定的电压范围内。通过一个控制芯片(R5421)和两个MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金氧半场效晶体管)外加一些电阻、电容原件构成过流保护、过充电保护、过放电保护和短路保护功能。

充电监测模块，用于利用集成电路芯片检测所述人体植入式设备的电池的参数特性，该参数特性包括所述电池的电量值、充电状态、温度、电压，将所述参数特性传输给CPU控制模块。该模块可以利用BQ26500芯片来实现，因为BQ26500芯片能够精确地报告电池的充电状态、温度、电压等参数的特性，并且具有高精度的自动充放电电流集成校准功能。

进一步地，所述的CPU控制模块，还用于接收到所述充电监测模块传输过来的所述人体植入式设备的电池的参数特性后，提取所述参数特性中包含的电量值，当所述电量值小于设定的电量门限值时，向所述充电控制模块发送开启充电命令；当所述电量值大于或者等于设定的电量门限值时，向所述充电控制模块发送关闭充电命令。

在本发明实施例中，人体植入式设备也可以通过内部通信模块、内部线圈向外部传输电池的电量、充电状态等状态信息，这种情况的具体处理过程如下：

所述的稳压电路，用于对电池输出的直流电进行稳压处理，输出稳压处理后的直流电给整流电路；

所述的整流电路，用于对所述稳压电路传输过来的直流电进行逆变处理，得到交流电，将所述交流电传输给串联谐振电路；

所述的串联谐振电路，用于通过电感将所述交流电转换为高频电磁波，将所述高频电磁波传输给调制解调模块；

调制解调模块，用于接收CPU控制模块传输过来的状态信息，对所述状态信息进行调制处理，将所述状态信息加载到所述串联谐振电路传输过来的高频电磁波上，所述状态信息中包括所述人体植入式设备的标识码，将所述高频电磁波传输给所述内部线圈。

所述的内部线圈，还用于通过电磁耦合将所述加载了状态信息的高频电磁波传输给所述外部线圈；

所述的外部线圈，还用于通过电磁耦合接收所述内部线圈传输过来的加载了状态信息的高频电磁波，将所述加载了状态信息的高频电磁波传输给所述外部控制设备；

所述的外部控制设备，还用于对所述外部线圈传输过来的加载了状态信息的高频电磁波进行解调处理，得到所述状态信息，提取所述状态信息中包括的所述人体植入式设备的标识码。

综上所述，本发明实施例通过将电磁耦合无接触传能技术运用到人体植入式设备，外部控制设备将电能转换为电磁波，并通过电池耦合传输给人体植入式设备，人体植入式设备再将电磁波转换为电能，可以有效地对人体植入式设备进行人体外部充电，可以克服电池能量对心脏起搏器寿命等人体植入式设备的限制，满足具有特殊功能的需要，有效人体植入式设备的工作寿命，使各类人体植入式设备真正实现“一次植入、终身使用”，免除患者再次开刀更换植入的后顾之忧，真正减除了病人的生理痛苦和经济负担。

本发明实施例不仅可以对人体植入式设备进行充电保护与检测，同时也对人体植入式设备进行了唯一标识，避免了外部无关设备的干扰。同时本发明采用高频载波的方式对内外设备进行通信，既提高了通信效率又减小了设备的体积。

本发明实施例的人体植入式设备功能更加完整，体积更小，可行性与性能更高。通过将信息调制到高频载波上，提高了通信效率，节省了硬件资源。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种对人体植入式设备进行无接触电能传输的装置，其特征在于，包括：人体植入式设备、内部线圈、外部线圈和外部控制设备，其中，所述人体植入式设备、内部线圈设置在人体内部，所述外部线圈和外部控制设备设置在人体外部；

所述的外部控制设备，用于将电能转换为高频电磁波，并将控制信息加载到所述高频电磁波上，将加载了控制信息的高频电磁波传输给所述外部线圈，所述控制信息中包括需要进行充电的人体植入式设备的标识码；

所述的外部线圈，用于通过电磁耦合将所述加载了控制信息的高频电磁波传输给所述内部线圈；

所述的内部线圈，用于通过电磁耦合接收所述外部线圈传输过来的加载了控制信息的高频电磁波，将所述加载了控制信息的高频电磁波传输给所述人体植入式设备；

所述的人体植入式设备，用于对所述加载了控制信息的高频电磁波进行解调处理，得到所述控制信息，通过内部设置的CPU控制模块验证所述控制信息中包括的标识码和所述人体植入式设备内置的标识码一致后，所述CPU控制模块执行所述控制信息；将所述高频电磁波转换为电能，利用所述电能对所述人体植入式设备的电池进行充电；

所述的内部线圈，还用于通过电磁耦合将加载了状态信息的高频电磁波传输给所述外部线圈；

所述的外部线圈，还用于通过电磁耦合接收所述内部线圈传输过来的加载了状态信息的高频电磁波，将所述加载了状态信息的高频电磁波传输给所述外部控制设备；

所述的外部控制设备，还用于对所述外部线圈传输过来的加载了状态信息的高频电磁波进行解调处理，得到所述状态信息，提取所述状态信息中包括的所述人体植入式设备的标识码。

2.根据权利要求1所述的对人体植入式设备进行无接触电能传输的装置，其特征在于，所述的人体植入式设备包括：接收所述内部线圈传输过来的加载了控制信息的内部通信模块，该内部通信模块具体包括：

调制解调模块，用于对所述加载了控制信息的高频电磁波进行解调处理，得到所述控制信息，将所述控制信息传输给人体植入式设备中的CPU控制模块；

串联谐振电路，用于在所述CPU控制模块的控制下，通过电感将所述高频电磁波转换为交流电，将所述交流电传输给整流电路；

整流电路，用于对所述串联谐振电路传输过来的交流电进行整流处理，得到直流电，将所述直流电传输给稳压电路；

稳压电路，用于利用稳压处理后的直流电，通过充电电路对所述人体植入式设备的电池进行充电处理。

3.根据权利要求2所述的对人体植入式设备进行无接触电能传输的装置，其特征在于，所述的人体植入式设备还包括：CPU控制模块和开关电路模块；

所述的CPU控制模块，用于接收所述内部通信模块传输过来的控制信息，验证所述控制信息中包括的标识码和所述人体植入式设备内置的标识码是否一致，如果是，则执行所述控制信息对所述人体植入式设备中的对应模块进行控制处理；否则，丢弃所述控制信息；

开关电路模块，用于采用三极管构成开关电路，在所述CPU控制模块的控制下，所述开关电路开启或者关闭所述人体植入式设备的电池的充电电路。

4.根据权利要求3所述的对人体植入式设备进行无接触电能传输的装置，其特征在于，所述的人体植入式设备还包括：

充电控制模块，用于接收到所述CPU控制模块传输过来的开启充电命令后，利用单片机发送出控制信号，该控制信号控制所述开关电路模块开启所述人体植入式设备的电池的充电电路；接收到所述CPU控制模块传输过来的关闭充电命令后，利用单片机发送出控制信号，该控制信号控制所述开关电路模块关闭所述人体植入式设备的电池的充电电路；

充电保护模块，用于通过电感、电容和开关二极管构成降压变换器，所述降压变换器控制所述充电电路上的充电电流保持在设定的电流范围内，控制所述充电电路上的充电电压保持在设定的电压范围内。

5.根据权利要求4所述的对人体植入式设备进行无接触电能传输的装置，其特征在于，所述的人体植入式设备还包括：

充电监测模块，用于利用集成电路芯片检测所述人体植入式设备的电池的参数特性，该参数特性包括所述电池的电量值、充电状态、温度、电压，将所述参数特性传输给CPU控制模块。

6.根据权利要求5所述的对人体植入式设备进行无接触电能传输的装置，其特征在于：

所述的CPU控制模块，还用于接收到所述充电监测模块传输过来的所述人体植入式设备的电池的参数特性后，提取所述参数特性中包含的电量值，当所述电量值小于设定的电量门限值时，向所述充电控制模块发送开启充电命令；当所述电量值大于或者等于设定的电量门限值时，向所述充电控制模块发送关闭充电命令。

7.根据权利要求2至6任一项所述的对人体植入式设备进行无接触电能传输的装置，其特征在于：

所述的稳压电路，还用于对电池输出的直流电进行稳压处理，输出稳压处理后的直流电给整流电路；

所述的整流电路，还用于对所述稳压电路传输过来的直流电进行逆变处理，得到交流电，将所述交流电传输给串联谐振电路；

所述的串联谐振电路，还用于通过电感将所述交流电转换为高频电磁波，将所述高频电磁波传输给调制解调模块；

调制解调模块，还用于接收CPU控制模块传输过来的状态信息，对所述状态信息进行调制处理，将所述状态信息加载到所述串联谐振电路传输过来的高频电磁波上，所述状态信息中包括所述人体植入式设备的标识码，将所述高频电磁波传输给所述内部线圈。