CN106877520A - 手术室无线供电系统 - Google Patents

Abstract

一种手术室无线供电系统，包括设置于手术床底部的接收线圈和设置于手术室地面的发射线圈组，以及相应的电路。本系统，在手术室地面铺设发射线圈组，在手术床底部设置接收线圈，通过功率检测及反馈调节电路自动根据手术设备的功耗情况调节发射线圈的发射功率，配合相应的防干扰措施，可以在保证不影响手术设备工作的条件下，极大地降低手术室供电系统的布线复杂程度。配合不间断电源、相应的储能设备以及通信模块，本系统能够有效保证供电安全，基本实现除气管、插管外，手术床周无布线的理想状态。便于术者及助手的走动、换位，提高手术效率。

Description

手术室无线供电系统

技术领域

本发明涉及低压供电系统，尤其涉及一种针对手术室环境的无线供电系统。

背景技术

现代手术的顺利完成离不开各种有源医学电气电子设备，如电钻、电刀、电凝、心血监护等。这些设备都是为了现代化的手术特意设计，有些设备是手术器械的革命，如双极电凝的止血作用，省却了丝线结扎的繁杂和松动。但这些电器需要在手术床旁边配置各式各样的供电设备。而不同规格、不同用途的供电设备均需要通过不同的接口及粗细、长短不一的导线与手术床上或医生手中的器械相连。因此，手术床周围的导线错综复杂，很难排布，杂乱的导线给术者和助手的活动带来不便，甚至可能导致灾难性事故。如全神贯注于手术的术者或助手在移动时没有留神脚下或身边的线路，就会拉动电线甚至被绊倒。在抢救过程中这一问题尤为突出。

为此，一些手术室尝试配备供电吊塔，从顶棚引下来的供电主体或插座，为手术室电器设备供电。但是不同厂家的设备规格不统一，大大小小的设备堆砌、散落必然需要占据大量空间。

另一种解决手术设备连线的方式是采用无线供电技术。但现有的无线供电技术主要针对的还都是家用设备，比较典型的是无线手机、平板电脑、笔记本电脑等充电设备，或无线供电桩，无线供电的照明灯等。针对医用无线设备，尤其是手术器械、无线摄像系统，无线信号传输，或无线通讯指挥机器人手臂，无线充电的电子体温计等，目前尚无无线供电设备与之匹配。目前医用无线供电系统的大多局限于小功率无线供电。例如，谭永宏的无线供电的医用工作站，以无线供电模式来解决输液泵、监测仪等不同设备都通过一个接线板供电。但这种接线板容易因液体滴落其上而发生短路。

何淑珍发明的植入式自适应无线传输方法和系统。该系统包括体外无线电源发射单元及体内无线电源接收和恢复单元，为克服液体造成的供电设备短路问题提供了启示，并实现了根据植入体内设备对所需电量的变化进行体外无线电源发射功率的自适应调节。该发明避免由于无线电源传输距离的变化导致的体外对植入体内设备供电不足与过量的问题，提高了供电的可靠性及安全性。但该发明所提供的供电方案，其供电电能和功率均较低，只能解决纤小植入体一类低功率设备的近距离无线供电，无法满足手术室多个电器或设备的供电需求。

医用器械通常需要远距离、大功率无线供电。但大功率无线充电所用的电磁场比较强，通常会干扰手术室里的各种电子设备，导致心电监护系统、金属器械带有感应电流，尤其，环状金属设备所受感应电流还会更强。而现有技术条件下，并没有合适的方法能够解决大功率无线充电设备所造成的电磁干扰以及感应电流。因此，目前急需一种能够解决手术室远距离、大功率可靠供电时，无线供电线圈所产生的电磁干扰与感应电流影响的技术。

发明内容

为了解决现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种手术室供电系统，包括发射端电路、至少一个发射线圈、接收端电路和至少一个与所述发射线圈频率相匹配的接收线圈：

所述发射线圈铺设于手术室地面，所述接收线圈设置于手术床底部，所述接收端电路设置于手术床床体内；

所述发射端电路包括依次串接的三相进线模块、数控直流电源和逆变电路，其中，所述三相进线模块连接所述数控直流电源的交流输入端，所述数控直流电源的直流输出端连接所述逆变电路的直流输入端，所述逆变电路的交流输出端连接所述发射线圈的输入端；所述三相进线模块用于将电网能量输入至手术室供电系统，所述数控直流电源用于根据要求产生直流电，所述逆变电路用于将数控直流电源输出的直流电转化为能够通过线圈进行电磁辐射的交流电，

所述接收端电路包括依次串接的整流电路、逆变器、不间断电源和电源输出装置，其中，所述整流电路的交流输入接口连接所述接收线圈的输出接口，所述整流电路的直流输出接口连接所述逆变器的直流输入接口，所述整流电路由4个二极管桥接构成，用于将接收线圈接收到的交流信号转化为直流；所述逆变器的交流输出接口连接所述不间断电源的输入接口，用于将所述整流电路输出的直流信号转化为220V50Hz的交流电；所述不间断电源的输出接口连接所述电源输出装置，用于在线路故障时报警并提供稳定的电能输出。

所述发射端电路将电能转换为电磁能量通过发射线圈向对应的接收线圈进行辐射，所述接收线圈在接收到对应发射线圈的电磁辐射能量后通过接收端电路将电磁能量转化为电能，通过其内的电源输出装置输出至相应的手术仪器设备。所述接收线圈面积较大，可同时覆盖多各发射线圈。当所述发射线圈或所述接收线圈为多组线圈时，可通过发射端电路或接收端电路的相应控制单元进行控制，通过线圈之间的感应耦合关系控制位于接收线圈范围外的发射线圈不工作，以节省电能并避免不必要的电磁辐射干扰。随着手术床的移动，系统可自动选择接收线圈覆盖范围内的发射线圈进行工作。

进一步的，上述系统中，为进一步避免电磁辐射干扰，所述发射线圈或所述接收线圈还可设置于屏蔽结构内，所述屏蔽结构包括设置于所述发射线圈或所述接收线圈非辐射方向上的金属框、金属网、或金属板。由于本系统中发射线圈和接受线圈均接近地面附近，发射线圈将电磁能量通过地面辐射至接收线圈，因此所述发射线圈或接收线圈的辐射方向均为对地的方向，费辐射方向均为不对地的各向。

进一步的，上述系统中，为进一步保证系统各模块共地避免干扰，所述手术床的底轮为金属轮，所述屏蔽结构、发射端电路和接收端电路连接所述金属轮，通过所述金属轮接地。

进一步的，上述系统中，为进一步避免发射端电路工作产生的电磁干扰，所述发射端电路设置于屏蔽柜内，所述屏蔽柜还可设置调节所述数控直流电源的控制接口。所述数控直流电源根据控制接口设置的参数产生合乎要求的直流电。所述控制接口包括可进行控制操作的面板、计算机接口或控制芯片接口等。

进一步的，上述系统中，为避免无线充电电磁场干扰手术室内无线数据通信系统，所述发射线圈和所述接收线圈的工作频率选择4k至9kHz的低频，避开通信频段。

同时，为保证系统对电能的利用效率，上述系统中，所述发射端电路和所述接收端电路分别还包括相互配合的发射端LSK解调模块和接收端LSK调制模块；

所述发射端LSK解调模块环接于所述数控直流电源与所述发射线圈之间，所述发射端LSK解调模块包括功率信息解调单元和控制单元；所述功率信息解调单元用于解调所述发射线圈接收到的功率信息，所述控制单元用于根据所述解调单元解调出的功率信息调节所述数控直流电源的输出功率；所述控制单元包括嵌入式MCU；

所述接收端LSK调制模块环接于所述电源输出装置与所述接收线圈之间，所述接收端LSK调制模块包括PWM误差采样单元和功率信息调制单元；所述PWM误差采样单元用于采集所述电源输出装置输出的功率信息，所述功率信息调制单元用于将所述功率信息调制至能够通过所述接收线圈进行辐射的信号。

进一步的，上述系统中，为保证无线供电出现故障时的供电，所述不间断电源还包括蓄电池，所述蓄电池设置于所述手术床的床体立柱内。在UPS(不间断电源)报警期间，将供电系统切换至应急供电模式，通过所述蓄电池输出电能，提供至少30分钟以上的供电。

同时，为进一步减少手术台周围接线，上述系统中，所述接收端电路还包括无线数据发射电路，所述无线数据发射电路与所述发射端LSK解调模块和接收端LSK调制模块连接，用于传输所述功率信息和医疗设备数据。所述医疗设备数据包括心电信号、呼吸信号等。

其中，所述无线数据发射电路选择2.4GHz扩频通信芯片进行数据传输。

进一步，上述系统中，为进一步避免电源输出高频纹波分量对后续设备造成不良干扰，所述发射端电路还包括滤波电路、平波电路，所述滤波电路设置于所述三相进线模块与所述数控直流电源之间，所述平波电路设置于所述数控直流电源与所述逆变电路之间；

所述滤波电路用于滤除三相电能信号中的高频干扰分量；

所述平波电路用于对所述数控直流电源输出的波形进行整形滤除纹波。

本发明的有益效果

本发明，将无线充电技术应用在手术室供电系统中，将发射线圈布置在手术室地面上，将接收线圈靠近地面，设置于手术床底部，以此缩短无线充电所需的电磁辐射距离，保证能量传输的效果。这样的设计可以在达到同等辐射功率效果的条件下，尽可能减小两侧天线所产生的电磁场强度。减少对手术室其他设备的干扰，严格控制手术室电磁场能量环境，有效避免在手术设备上产生激发感应电流。

为进一步避免电磁干扰，本发明还在所述发射线圈和所述接收线圈的非辐射方向上设置屏蔽结构，将电路及屏蔽结构通过金属的手术床底轮接地，并采用低频线圈，将线圈的电能辐射频率(4k～9kHz)和手术室内通信设备的频率(2.4GHz)区分开。以此避免系统受到过多的高频干扰，并保证电源输出的纹波分量得到有效抑制。

进一步的，为提高供电系统的利用率，本发明还在电路中设置LSK调制与解调模块，将手术室中各负载设备的功率需求信息通过LSK方式调制并进行发送，在发射端根据具体的功率信息实时动态调整系统的输出与辐射功率，能够满足手术室各设备的用电需求。

更进一步，为保证术中电源的稳定，本发明还在手术床立柱中设计有蓄电池，将获取的多余的电能通过蓄电池进行存储，在电源故障时通过蓄电池保证术中各设备正常供电。为进一步保证电源输出的稳定，电路结构中还加入了滤波电路和平波电路，将电路中的高频或纹波分量进行滤除，保证输出电流和电压稳定可靠。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，并与本发明的实施例一起，用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为根据本发明的手术室无线供电系统示意图；

图2为根据本发明的手术室无线供电系统的电路框图；

图3为根据本发明的手术室无线供电系统的屏蔽结构示意图；

图4为根据本发明的手术室无线供电系统的发射线圈分布示意图；

图5为目前手术室布线示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

图1为根据本发明的手术室无线供电系统示意图。区别于图5所示的现有供电设备，本系统包括发射端电路1、至少一个发射线圈5、接收端电路3和至少一个与所述发射线圈5频率相匹配的接收线圈7，其特征在于，所述发射线圈5铺设于手术室地面6(铺设方式包括铺设于手术室地板下，或者在有防水、耐磨耐压处理后设置在地板平面，铺设的具体位置参见图4，通常置于一个或多个手术床可能位置的地板下)，所述接收线圈7设置于手术床8底部，尤其为保证与地面的距离足够近，通常设置于手术床底盘内，所述接收端电路3设置于手术床8床体内；接收线圈面积较大，可同时覆盖多个子发射线圈，位于接收线圈覆盖范围外的子发射线圈不工作。随着手术床的移动，系统可自动选择接收线圈覆盖范围内的子发射线圈工作。

参照图2电路示意图，所述发射端电路1包括依次串接的三相进线模块(即图2中的AC模块)、数控直流电源1-1和逆变电路1-3，所述逆变电路1-3的交流输出端连接所述发射线圈5的输入端；

所述接收端电路3包括依次串接的整流电路3-9、逆变器3-10、不间断电源3-11和电源输出装置3-12，其中，所述整流电路3-9(所述整流电路由4个二极管桥接，具体电路可参见图2)的交流输入接口连接所述接收线圈7的输出接口，所述整流电路3-9的直流输出接口连接所述逆变器3-10的直流输入接口，所述逆变器3-10的交流输出接口连接所述不间断电源3-11的输入接口，所述不间断电源3-11的输出接口连接所述电源输出装置3-12。

接收线圈接收电能后通过整流电路、逆变电路变为220V 50Hz交流电，经UPS后给多种用电器供电。无线供电出现故障时UPS可报警，并提供30分钟以上的供电，此时可将供电系统人工切换到应急有线供电方式。

进一步，为进一步减小线圈辐射的干扰，所述发射线圈5或所述接收线圈7设置于如图3所示的屏蔽结构10内，所述屏蔽结构10包括设置于所述发射线圈5或所述接收线圈7非辐射方向上的金属框、金属网、或金属板。供电发射线圈前电路置于屏蔽柜中，放置于手术室外或室内远离手术床的位置。所述屏蔽柜还设有调节所述数控直流电源1-1的控制接口。手术床8的底轮4为金属轮，所述屏蔽结构10、发射端电路1和接收端电路3连接所述金属轮，通过所述金属轮接地。所述的控制接口包括可进行控制操作的面板、计算机接口或控制芯片接口

所述发射线圈5和所述接收线圈7的工作频率为4k至9kHz.

为了节约电能，无线供电系统中设置反馈环路，通过所述发射端LSK解调模块1-4和接收端LSK调制模块3-8，根据手术床用电功率自动调节发射线圈组中每一个子线圈中的电流。由于无线供电手术床功率变化的数据量少，所以通过负载调制(Load Shift Keying,LSK)实现输入功率自适应调节功能。手术床内的无线电源接收和恢复单元将无线电能恢复为直流电源；直流电源的波动变化量通过PWM误差采样与LSK调制技术无线反馈到体外无线电源发射单元，并通过体外LSK解调与嵌入的MCU数字控制技术自适应调节输入功：

所述发射端LSK解调模块1-4环接于所述数控直流电源1-1与所述发射线圈5之间，所述发射端LSK解调模块1-4包括功率信息解调单元和控制单元；所述功率信息解调单元用于解调所述发射线圈5接收到的功率信息，所述控制单元(嵌入式MCU)用于根据所述功率信息调节所述数控直流电源1-1的输出功率；

所述接收端LSK调制模块3-8环接于所述电源输出装置3-12与所述接收线圈7之间，所述接收端LSK调制模块3-8包括PWM误差采样单元和功率信息调制单元；所述PWM误差采样单元用于采集所述电源输出装置3-12输出的功率信息，所述功率信息调制单元用于将所述功率信息调制至能够通过所述接收线圈7进行辐射的信号。

为保证电源稳定，在供电故障状态下仍然能够满足手术需求，所述不间断电源3-11还包括蓄电池，所述蓄电池设置于所述手术床8的床体立柱内。蓄电池具有的续航能力可保证3～5小时常规手术期间不接收无线供电，手术间期0.5～1小时内快速高效接收地板无线供电并存储电能。无线供电装置出现问题时，UPS(Uninterruptible Power System/Uninterruptible Power Supply，不间断电源)会报警并提供短时供电，此时可启用应急有线供电。

进一步的，所述的手术室供电系统中，所述接收端电路3还包括无线数据发射电路，所述无线数据发射电路与所述发射端LSK解调模块1-4和接收端LSK调制模块3-8连接，用于传输所述功率信息和医疗设备数据(包括心电信号、呼吸信号等均使用无线数据链发射)，以尽量避免手术床四周的电线。所述无线数据发射电路采用2.4GHz扩频通信芯片，不会受到无线供电低频电磁波的干扰。

为了进一步减少电磁干扰，在供电电路三相进线后加入滤波电路，在逆变电路后加入平波电路，然后交变电流导出屏蔽柜，经地下导线为发射线圈供电。所述滤波电路设置于所述三相进线模块与所述数控直流电源1-1之间，所述平波电路1-2设置于所述数控直流电源1-1与所述逆变电路1-3之间；

所述滤波电路用于滤除三相电能信号中的高频干扰分量；

所述平波电路1-2用于对所述数控直流电源1-1输出的波形进行整形滤除纹波.

本实施例所提供的手术床可以移动，不影响手术室的清洁和消毒净化，根据不同手术，术前可调整床的位置和方向等，但在手术过程中床可在发射线圈范围内移动，不影响手术床稳定的接收电能并供电。

手术床还可以作为一个无线中继接收装置,也可通过有线方式(和电源同线)采集手术器械和测量仪器的数据,然后通过无线方式传到最终的接收端。本实施例中，接收端电路3将接收的电能转换为工频220V交流电进行供电，现有手术用电器电源系统不必改动，可能降低使用成本。

本实施例中，手术床板下还可设置不同电压电源接口及托盘8-1，托盘8-1上可放置手术用电器械供电装置，为术中医师使用的钻、双极电刀、单极电刀等设备供电；床立柱前或后侧的床下可安置托架8-1，放置钻、双极或单极等操作装置。

本实施例中，手术床是直接用于手术操作野电器、电源的源头，操作线路如同“灯笼外辐条”一样：在手术常规消毒、铺单后，操作手柄一端留在术野内无菌巾上，另一端和控制台连接；功率监测及反馈调节电路，用于实时监测用电功率并调节每一个供电子线圈电流。配合应急供电装置，无线供电装置出现问题时，UPS会报警并提供短时供电，此时可启用应急有线供电。

进一步，接送病人的转运车也可安装小型的无线接收线圈，接收电能驱动转运车运送病人，省时省力。

本领域普通技术人员可以理解：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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 (10)

1.一种手术室供电系统，包括发射端电路(1)、至少一个发射线圈(5)、接收端电路(3)和至少一个与所述发射线圈(5)频率相匹配的接收线圈(7)，其特征在于，所述发射线圈(5)铺设于手术室地面(6)，所述接收线圈(7)设置于手术床(8)底部，所述接收端电路(3)设置于手术床(8)床体内；

所述发射端电路(1)包括依次串接的三相进线模块、数控直流电源(1-1)和逆变电路(1-3)，所述逆变电路(1-3)的交流输出端连接所述发射线圈(5)的输入端；

所述接收端电路(3)包括依次串接的整流电路(3-9)、逆变器(3-10)、不间断电源(3-11)和电源输出装置(3-12)，其中，所述整流电路(3-9)的交流输入接口连接所述接收线圈(7)的输出接口，所述整流电路(3-9)的直流输出接口连接所述逆变器(3-10)的直流输入接口，所述逆变器(3-10)的交流输出接口连接所述不间断电源(3-11)的输入接口，所述不间断电源(3-11)的输出接口连接所述电源输出装置(3-12)。

2.如权利要求1所述的手术室供电系统，其特征在于，所述发射线圈(5)或所述接收线圈(7)设置于屏蔽结构(10)内，所述屏蔽结构(10)包括设置于所述发射线圈(5)或所述接收线圈(7)非辐射方向上的金属框、金属网、或金属板。

3.如权利要求1所述的手术室供电系统，其特征在于，所述手术床(8)的底轮(4)为金属轮，所述屏蔽结构(10)、发射端电路(1)和接收端电路(3)连接所述金属轮，通过所述金属轮接地。

4.如权利要求1所述的手术室供电系统，其特征在于，所述发射端电路(1)设置于屏蔽柜内，所述屏蔽柜还设有调节所述数控直流电源(1-1)的控制接口。

5.如权利要求1至4任一所述的手术室供电系统，其特征在于，所述发射线圈(5)和所述接收线圈(7)的工作频率为4k至9kHz。

6.如权利要求5所述的手术室供电系统，其特征在于，所述发射端电路(1)和所述接收端电路(3)分别还包括相互配合的发射端LSK解调模块(1-4)和接收端LSK调制模块(3-8)；

所述发射端LSK解调模块(1-4)环接于所述数控直流电源(1-1)与所述发射线圈(5)之间，所述发射端LSK解调模块(1-4)包括功率信息解调单元和控制单元；所述功率信息解调单元用于解调所述发射线圈(5)接收到的功率信息，所述控制单元用于根据所述功率信息调节所述数控直流电源(1-1)的输出功率；

所述接收端LSK调制模块(3-8)环接于所述电源输出装置(3-12)与所述接收线圈(7)之间，所述接收端LSK调制模块(3-8)包括PWM误差采样单元和功率信息调制单元；所述PWM误差采样单元用于采集所述电源输出装置(3-12)输出的功率信息，所述功率信息调制单元用于将所述功率信息调制至能够通过所述接收线圈(7)进行辐射的信号。

7.如权利要求5至6任一所述的手术室供电系统，其特征在于，所述不间断电源(3-11)还包括蓄电池，所述蓄电池设置于所述手术床(8)的床体立柱内。

8.如权利要求7所述的手术室供电系统，其特征在于，所述接收端电路(3)还包括无线数据发射电路，所述无线数据发射电路与所述发射端LSK解调模块(1-4)和接收端LSK调制模块(3-8)连接，用于传输所述功率信息和医疗设备数据。

9.如权利要求8所述的手术室供电系统，其特征在于，所述无线数据发射电路包括2.4GHz扩频通信芯片。

10.如权利要求5或6所述的手术室供电系统，其特征在于，所述发射端电路(1)还包括滤波电路、平波电路(1-2)，所述滤波电路设置于所述三相进线模块与所述数控直流电源(1-1)之间，所述平波电路(1-2)设置于所述数控直流电源(1-1)与所述逆变电路(1-3)之间；

所述滤波电路用于滤除三相电能信号中的高频干扰分量；

所述平波电路(1-2)用于对所述数控直流电源(1-1)输出的波形进行整形滤除纹波。