CN106451626A - 一种植入式电子刺激器的无线充装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种植入式电子刺激器的无线充装置，包括供电电源、脉冲发生电路、功率开关电路、发射电路、接收电路和桥式整流电路，供电电源的正极输出端分别与所述脉冲发生电路的电源输入端、功率开关电路的电源输入端、发射电路的电源输入端连接，脉冲发生电路的脉冲输出端与所述功率开关电路的信号输入端连接，功率开关电路的信号输出与所述发射电路信号输出端连接，发射电路发射输出端与所述接收电路接收输入端通过无线通信连接，接收电路的信号输出端与所述桥式整流电路的输入端连接，桥式整流电路的输出端与所述可充电电池连接。本发明通过采用发射线圈和接收线圈工作在谐振状态，提高了耦合效率，降低了干扰，避免射频对人体组织的危害。
Description
技术领域
本发明属于医疗器械技术领域，特别涉及电子刺激器的无线充技术，具体涉及一种植入式电子刺激器的无线充装置。
背景技术
为了恢复人体功能或者治疗疾病，临床上，通过电刺激直接对人体施加电流。电刺激时，流经导线的电子电流转变为组织中流动的离子电流，从而能够引起可兴奋组织细胞膜上的跨膜电荷传输，施加这些电流的目的是使靶神经和肌肉去极化并达到阈值电压。各种刺激所用的电刺激器可分为体外或经皮刺激器和植入刺激器两种。体外刺激器无法可靠地重复激发和选择性刺激深层肌肉，因此，临床应用受到限制。植入刺激是指刺激器的所有组成部分，包括电池、脉冲发生器、导线和电极等，永久植入体内，而且系统被植入后皮肤封闭。
植入式神经刺激是以一定程度的电流脉冲刺激靶点神经，以调整或恢复脑部、神经或肌肉的功能，使症状缓解的一种方法。植入式神经刺激器最常见的临床应用有心脏起博、人工耳蜗、迷走神经刺激器等。心脏起搏将电极、电源、电路等全部植入体内。起搏器为心脏提供合适间隔的电刺激以代替心脏传导障碍造成的兴奋中断，对心室的电刺激可缓减或消除心动过缓的症状，节律性刺激(起搏)可以提高心率，以满足身体对氧气的需要。人工耳蜗是一种电子装置，它代替病变受损的听觉器官，把声音转换成编码的电信号传入人体的内耳耳蜗，刺激分布在那里的听神经纤维，再由大脑产生听觉。人工耳蜗是许多耳聋患者的重要选择，它可以帮助有重度及深度听力障碍的人重获听觉，使他们在有声世界里更好地与人交流，迷走神经刺激器是通过手术植入安装在颈部的装置，它对迷走神经施加周期性的温和电刺激。临床应用结果已经证明，当抗癫痫药物效力不够，或者药物的副作用太大，或者无法进行神经外科手术时，迷走神经刺激器可以有效控制某些癫痫病症，在某些情况下，迷走神经刺激器还能够有效地止住癫痫发作，且副作用很小。此外，植入式神经刺激器的其他临床应用主要有脊髓刺激治疗疼痛，深部脑刺激治疗帕金森病、震颤和肌张力障碍，骶神经刺激治疗尿失禁等。
植入式神经刺激器一般包括植入式脉冲发生器和电极，前者用于根据医生程控设置的参数产生电脉冲，后者用于将电脉冲传递到靶神经，如果二者在患者皮下距离较远，则中间用延长导线转接。从能量提供方式上分，植入式神经刺激器有体外射频(RF)供电式、原电池供电式和可充电式电池供电式三类。体外射频供电需要将射频电源放置外，适合于不连续工作的植入式刺激器，而原电池供电式刺激可连续工作，但原电池的体积占去了刺激器的很大空间，这对植入式产品来说是不利的，因为任何植入式产品对于宿主来说都是异物，显而易见，体内异物的体积越小越好。此外，原电池的使用寿命也是决定刺激器寿命的主要因素。刺激器使用寿命越长，则折合到年度的费用越低，而且患者可以推迟手术更换刺激器的周期，减少痛苦。为延长使用寿命，需要更大的电池容量。尺寸和重量要尽量小，兼顾这看似矛盾的二者需求，最佳的方法就是使用可充电电池。可充电刺激器具有小的体积和重量，通过每隔几周一次的充电，可实现较高剂量的刺激和较长的使用寿命，是具有良好综合性能的产品。
目前，各种无线充电器方案较多，但大多数无线充电器采用平面线圈进行发射和接收，传输距离较近，不适合作为体内植入式电子刺激器的充电器，而且这些产品的工作频率较高，对发射器和接收器之间的人体组织有较大的不利影响。
发明内容
本发明的目的为解决现有技术的上述问题和不足，本发明提供了一种植入式电子刺激器的无线充装置，本发明通过调节各个线圈的空间方位，使之产生的磁场在接收线圈处形成聚焦，从而增大了接收线圈和发射线圈之间的距离，而且采用较低的工作频率，降低了对人体组织的影响，为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种植入式电子刺激器的无线充装置，包括可充电电池，还包括供电电源、脉冲发生电路、功率开关电路、发射电路、接收电路和桥式整流电路，所述供电电源的正极输出端分别与所述脉冲发生电路的电源输入端、功率开关电路的电源输入端、发射电路的电源输入端连接，该脉冲发生电路的脉冲输出端与所述功率开关电路的信号输入端连接，所述功率开关电路的信号输出与所述发射电路信号输出端连接，该发射电路发射输出端与所述接收电路接收输入端通过无线通信连接，该接收电路的信号输出端与所述桥式整流电路的输入端连接，该桥式整流电路的输出端与所述可充电电池连接。
优选地，所述脉冲发生电路包括PWM控制器、电阻R0、电容C0和电容C1、电容C2，所述功率开关电路包括场效应管Q1、电容C3、电阻R1、电阻R2、电阻R3和稳压二极管D1，所述发射电路包括谐振电容C5和若干并联的发射电感Ln，所述PWM控制器的参考电压输入端分别与所述电容C2的一端、电阻R0的一端连接，所述电阻R0的另一端与所述电容C0的一端、PWM控制器的振荡输入端连接，该PWM控制器的采样输入端分别与电容C3的一端、电阻R1的一端连接，PWM控制器的脉冲输出端分别与所述稳压二极管D1的阴极、电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端与所述场效应管Q1的栅极连接，所述场效应管Q1的源极与所述电阻R1的另一端、电阻R3的一端连接，该场效应管Q1的漏极与若干并联的发射电感Ln的一端、谐振电容C5的一端连接，若干并联的发射电感Ln的另一端、谐振电容C5的另一端、电容C4的一端都与供电电源的正极输出端连接，所述PWM控制器的电源输入端与所述供电电源的正极输出端、电容C1的一端连接，所述PWM控制器的反馈输入端、电容C0的另一端、电容C1的另一端、电容C2的另一端、电容C3的另一端、电容C4的一端、电阻R3的另一端分别与地连接，所述发射电感Ln与所述接收电路的接收输入端通过无线通信连接，所述桥式整流电路包括整流二极管D2、整流二极管D3、整流二极管D4和整流二极管D5，所述接收电路的第一输出端分别与所述整流二极管D2的阳极、整流二极管D4的阴极连接，所述接收电路的第二输出端分别与所述整流二极管D3的阳极、整流二极管D5的阴极连接，所述整流二极管D2的阴极与所述整流二极管D3的阴极连接后再与可充电电池的正极连接，所述整流二极管D4的阳极与所述整流二极管D5的阳极连接后再与可充电电池的负极连接。
优选地，所述接收电路包括接收电感LR、电容C6，所述接收电感LR与所述电容C6并联后的第一端与所述整流二极管D2的阳极、整流二极管D4的阴极连接，所述接收电感LR与所述电容C6并联后的第二端与所述整流二极管D3的阳极、整流二极管D5的阴极连接。
优选地，所述若干并联的发射电感Ln至少为五个线圈并联而成。
优选地，所述五个线圈并联成所述的发射电感Ln时的各个线圈轴线交汇在同一焦点上。
优选地，每个所述的线圈内还设有磁芯，每个所述的线圈环绕在所述磁芯上，所述由线圈和磁芯的轴线也交汇在同一焦点上。
优选地，所述磁芯为铁氧体圆柱形磁芯，每个磁芯上环绕的线圈为60匝。
优选地，所述线圈的电感量不小于200μH。
综上所述，本发明由于采用了上述技术方案，本发明具有以下有益效果：
(1)、无线充电方案可有效地缩小植入式电刺激器的体积，延长植入式电刺激的使用寿命，可以推迟患者手术更换刺激器的周期，减少了伤害和痛苦。
(2)、本发明采用多发射线圈，通过合理布局各线圈的空间位置，使之在接收线圈处形成较强的交流磁场，从而扩大了无线充电器的充电距离，提高了充电效率；而且本发明采用低频交流磁场进行能量传输，避免了射频电磁场对人体组织造成的危害。
(3)、本发明通过开关式驱动器工作在软切换状态，提高了驱动效率，将驱动信号通过发射线圈将脉冲信号发射出去；本发明通过采用发射线圈和接收线圈工作在谐振状态，提高了耦合效率，降低了干扰。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实例或现有技术中的技术方案，下面将对实施实例或现有技术描述中所需要的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一种植入式电子刺激器的无线充装置的原理框图。
图2是本发明的一种植入式电子刺激器的无线充装置的工作电路原理图。
图3是本发明的接收电路的工作原理图。
图4是本发明的PWM控制器的输出波形图。
图5是本发明的场效应管的栅极输入波形形图。
图6是本发明的场效应管的漏极输出波形形图。
图7是本发明的发射线圈聚焦原理图。
附图中，1-供电电源，2-脉冲发生电路，3-功率开关电路，4-发射电路，5-接收电路，6-桥式整流电路
具体实施方式
下面将结合本发明实例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1，一种植入式电子刺激器的无线充装置，包括可充电电池BT，还包括供电电源1、脉冲发生电路2、功率开关电路3、发射电路4、接收电路5和桥式整流电路6，所述供电电源1的正极输出端分别与所述脉冲发生电路2的电源输入端、功率开关电路3的电源输入端、发射电路4的电源输入端连接，该脉冲发生电路2的脉冲输出端与所述功率开关电路3的信号输入端连接，所述功率开关电路3的信号输出与所述发射电路4信号输出端连接，该发射电路4发射输出端与所述接收电路5接收输入端通过无线通信连接，该接收电路5的信号输出端与所述桥式整流电路6的输入端连接，该桥式整流电路6的输出端与所述可充电电池BT连接。在本发明中，所述供电电源1采用12V直流电压供电。发射电路4与接收电路5在空间上是两个相互独立的部。采用12V直流电源(或采用12V电池)作为无线充装置的供电电源，它为脉冲发生电路2、功率开关电路3和发射电路4提供能量，也可以采用其他方式的电源。脉冲发生电路2输出频率为50kHz、占空比为50％的方波脉冲，该方波脉冲用于驱动功率开关电路3，在脉冲发生电路2的驱动下，功率开关电路3对12V直流电源输出的电压进行斩波，使之成为50kHz、占空比为50％的方波脉冲，该方波脉冲用于驱动发射电路4。发射电路4采用多线圈结构，安装时使各个线圈的轴线通过焦点，在各个线圈并联连接，并采用同相位的电流驱动，因此在焦点上形成较强的交流磁场，接收电路5安装体内电子刺激器内部，调整发射电路4圈焦点的位置，使接收电路5处于发射电路4的焦点上，由于焦点处磁场的不断变化，而且变化较强，因此在电磁接收电路5产生较强的电流，该接收电路5经桥式整流电路6进行整流，经整流输出的电流送给可充电电池进行充电。
作为本发明最佳实施例，如图2和图3所示，所述脉冲发生电路2包括PWM控制器IC1、电阻R0、电容C0和电容C1、电容C2，所述功率开关电路3包括场效应管Q1、电容C3、电阻R1、电阻R2、电阻R3和稳压二极管D1，所述发射电路(4)包括谐振电容C5和若干并联的发射电感Ln，所述PWM控制器IC1的参考电压输入端VREF(第八引脚)分别与所述电容C2的一端、电阻R0的一端连接，所述电阻R0的另一端与所述电容C0的一端、PWM控制器IC1的振荡输入端(第四引脚)连接，该PWM控制器IC1的采样输入端IN(第三引脚)分别与电容C3的一端、电阻R1的一端连接，PWM控制器IC1的脉冲输出端OUT(第六引脚)分别与所述稳压二极管D1的阴极、电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端与所述场效应管Q1的栅极连接，所述场效应管Q1的源极与所述电阻R1的另一端、电阻R3的一端连接，该场效应管Q1的漏极与若干并联的发射电感Ln的一端、谐振电容C5的一端连接，若干并联的发射电感Ln的另一端、谐振电容C5的另一端、电容C4的一端都与供电电源1的正极输出端连接，所述PWM控制器IC1的电源输入端VCC(第七引脚)与所述供电电源1的正极输出端、电容C1的一端连接，所述PWM控制器IC1的反馈输入端INV(第二引脚)、电容C0的另一端、电容C1的另一端、电容C2的另一端、电容C3的另一端、电容C4的一端、电阻R3的另一端分别与地连接，所述发射电感Ln与所述接收电路5的接收输入端通过无线通信连接，所述桥式整流电路6包括整流二极管D2、整流二极管D3、整流二极管D4和整流二极管D5，所述接收电路5的第一输出端分别与所述整流二极管D2的阳极、整流二极管D4的阴极连接，所述接收电路5的第二输出端分别与所述整流二极管D3的阳极、整流二极管D5的阴极连接，所述整流二极管D2的阴极与所述整流二极管D3的阴极连接后再与可充电电池BT的正极连接，所述整流二极管D4的阳极与所述整流二极管D5的阳极连接后再与可充电电池BT的负极连接。如图3所示，作为本发明的最佳实施例，如图2和图7所示，所述接收电路5包括接收电感LR、电容C6，所述接收电感LR与所述电容C6并联后的第一端与所述整流二极管D2的阳极、整流二极管D4的阴极连接，所述接收电感LR与所述电容C6并联后的第二端与所述整流二极管D3的阳极、整流二极管D5的阴极连接。所述接收电路5采用单个带磁芯的线圈作为电感进行接收信号，该接收电感LR(接收线圈)与电容C6构成并联谐振回路，以感应出最大的电流，然后经过由整流二极管D2、整流二极管D3、整流二极管D4和整流二极管D5构成的桥式整流电路6输出直流电流，从而实现了对可充电电池BT进行充电。
在本发明中，如图1和图2所示，采用12V直流电源(或采用12V电池)作为无线充装置的供电电源，它为脉冲发生电路2、功率开关电路3和发射电路4提供能量，12V电源作为充装置的供电电源，它为它为脉冲发生电路2、功率开关电路3和发射电路4提供能量。脉冲发生电路2由PWM控制器IC1集成电路及其外围电路构成。PWM控制器IC1选用电流型PWM控制芯片，型号采用UC3845控制芯片，其内部振荡器形成频率为100kHz的触发脉冲，经内部电路分频后在输出频率为50kHz、占空比为50％的方波脉冲，该方波脉冲用于功率开关电路3，其波形如图4所示。电路中，电容C1、电容C4分别是12V电源的滤波电容，电容C2是5V参考电压的滤波电容。功率开关电路3由电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C3、场效应管Q1及稳压二极管D1构成。电阻R2和场效应管Q1内部的结电容CGS、结电容CGD一起组成RC网络(未图示)，所述场效应管Q1采用的型号为1N5819，结电容的充放电直接影响着场效应管Q1的开关速度，电阻R2过小，易引起振荡，电磁干扰也会很大；电阻R2过大，会场效应管Q1的开关速度，稳压二极管D1保证PWM控制器IC1的第六引脚不低于地电平。图5所示为场效应管Q1的栅极波形，图6所示为场效应管Q1的漏极波形，场效应管Q1工作在谐振状态，所以场效应管Q1工作在软切换状态，这使得电压和电流不同时作用在场效应管Q1上，因而减少了场效应管Q1的开关损耗。其工作过程如下：在场效应管Q1处于导通期间，场效应管Q1的漏极电压为0V。在场效应管Q1由导通向关断过度期间，由于谐振电容C5两端的电压不能发生突变，因而，场效应管Q1是零电压关断，在场效应管Q1由关断向导通过度期间，由于电路的谐振作用，使得场效应管Q1的漏极电压在导通之前就已经降到0V，因而实现场效应管Q1的零电压开启。
在本发明中，如图3所示，发射电路4由发射线圈LA、LB……Ln和谐振电容C5构成，发射线圈采用铁氧体圆柱形磁芯，每个线圈绕60匝，使线圈的电感量达到200μH，如果忽略各线圈间的互感，则总电感为每个线圈的电感除以线圈的个数，总电感与谐振电容C5构成并联谐振回路，其谐振频率设置在100kHz。本发明的发射线圈聚焦原理图，如图7所示，发射线圈采用多线圈结构，安装时使各个线圈的轴线通过焦点F，在各个线圈并联连接，并采用同相位的电流驱动，因此在焦点F上形成较强的交流磁场，接收线圈安装体内电子刺激器内部，调整发射线圈LA、LB……Ln焦点的位置，使接收线圈处于发射线圈的焦点F上。由于焦点F处磁场的不断变化，而且变化较强，因此在电磁接收线圈产生较强的电流。
作为本发明的最佳实施例，如图2、图3和图7所示，所述若干并联的发射电感Ln至少为五个线圈100并联而成，所述五个线圈100并联成所述的发射电感Ln(电感A、B、C、D、F)时的各个线圈轴线交汇在同一焦点F上，其中，每个所述的线圈100内还设有磁芯200，每个所述的线圈100环绕在所述磁芯200上，所述由线圈100和磁芯200的轴线也交汇在同一焦点F上，所述磁芯200为铁氧体圆柱形磁芯，每个磁芯200上环绕的线圈100为60匝，所述线圈100的电感量不小于200μH。
以上所述仅为发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种植入式电子刺激器的无线充装置，包括可充电电池(BT)，其特征在于，还包括供电电源(1)、脉冲发生电路(2)、功率开关电路(3)、发射电路(4)、接收电路(5)和桥式整流电路(6)，所述供电电源(1)的正极输出端分别与所述脉冲发生电路(2)的电源输入端、功率开关电路(3)的电源输入端、发射电路(4)的电源输入端连接，该脉冲发生电路(2)的脉冲输出端与所述功率开关电路(3)的信号输入端连接，所述功率开关电路(3)的信号输出与所述发射电路(4)信号输出端连接，该发射电路(4)发射输出端与所述接收电路(5)接收输入端通过无线通信连接，该接收电路(5)的信号输出端与所述桥式整流电路(6)的输入端连接，该桥式整流电路(6)的输出端与所述可充电电池(BT)连接。
2.根据权利要求1所述的一种植入式电子刺激器的无线充装置，其特征在于：所述脉冲发生电路(2)包括PWM控制器(IC1)、电阻R0、电容C0和电容C1、电容C2，所述功率开关电路(3)包括场效应管Q1、电容C3、电阻R1、电阻R2、电阻R3和稳压二极管D1，所述发射电路(4)包括谐振电容C5和若干并联的发射电感Ln，所述PWM控制器(IC1)的参考电压输入端(VREF)分别与所述电容C2的一端、电阻R0的一端连接，所述电阻R0的另一端与所述电容C0的一端、PWM控制器(IC1)的振荡输入端连接，该PWM控制器(IC1)的采样输入端(IN)分别与电容C3的一端、电阻R1的一端连接，PWM控制器(IC1)的脉冲输出端(OUT)分别与所述稳压二极管D1的阴极、电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端与所述场效应管Q1的栅极连接，所述场效应管Q1的源极与所述电阻R1的另一端、电阻R3的一端连接，该场效应管Q1的漏极与若干并联的发射电感Ln的一端、谐振电容C5的一端连接，若干并联的发射电感Ln的另一端、谐振电容C5的另一端、电容C4的一端都与供电电源(1)的正极输出端连接，所述PWM控制器(IC1)的电源输入端(VCC)与所述供电电源(1)的正极输出端、电容C1的一端连接，所述PWM控制器(IC1)的反馈输入端(INV)、电容C0的另一端、电容C1的另一端、电容C2的另一端、电容C3的另一端、电容C4的一端、电阻R3的另一端分别与地连接，所述发射电感Ln与所述接收电路(5)的接收输入端通过无线通信连接，所述桥式整流电路(6)包括整流二极管D2、整流二极管D3、整流二极管D4和整流二极管D5，所述接收电路(5)的第一输出端分别与所述整流二极管D2的阳极、整流二极管D4的阴极连接，所述接收电路(5)的第二输出端分别与所述整流二极管D3的阳极、整流二极管D5的阴极连接，所述整流二极管D2的阴极与所述整流二极管D3的阴极连接后再与可充电电池(BT)的正极连接，所述整流二极管D4的阳极与所述整流二极管D5的阳极连接后再与可充电电池(BT)的负极连接。
3.根据权利要求2所述的一种植入式电子刺激器的无线充装置，其特征在于：所述接收电路(5)包括接收电感LR、电容C6，所述接收电感LR与所述电容C6并联后的第一端与所述整流二极管D2的阳极、整流二极管D4的阴极连接，所述接收电感LR与所述电容C6并联后的第二端与所述整流二极管D3的阳极、整流二极管D5的阴极连接。
4.根据权利要求2所述的一种植入式电子刺激器的无线充装置，其特征在于：所述若干并联的发射电感Ln至少为五个线圈(100)并联而成。
5.根据权利要求4所述的一种植入式电子刺激器的无线充装置，其特征在于：所述五个线圈(100)并联成所述的发射电感Ln时的各个线圈轴线交汇在同一焦点上。
6.根据权利要求5所述的一种植入式电子刺激器的无线充装置，其特征在于：每个所述的线圈(100)内还设有磁芯(200)，每个所述的线圈(100)环绕在所述磁芯(200)上，所述由线圈(100)和磁芯(200)的轴线也交汇在同一焦点上。
7.根据权利要求6所述的一种植入式电子刺激器的无线充电器，其特征在于：所述磁芯(200)为铁氧体圆柱形磁芯，每个磁芯(200)上环绕的线圈(100)为60匝。
8.根据权利要求7所述的一种植入式电子刺激器的无线充电器，其特征在于：所述线圈(100)的电感量不小于200μH。
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