CN108721719B - 一种基于谐振式无线电能传输的人体辅助供血装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种基于谐振式无线电能传输的人体辅助供血装置，属于无线电能传输领域，特别是涉及一种基于谐振式无线电能传输的人体辅助供血装置。解决了传统辅助供血泵体积大、质量大、不利于安装且创口裸露易造成感染的问题。它包括外置电池、母线电容、逆变器、主控器、中继线圈、发射线圈、发射侧谐振电容、接收线圈、接收侧谐振电容、高频整流桥、维持电容和电活性聚合物薄膜。它主要用于无线电能传输的人体辅助供血装置。

Description

一种基于谐振式无线电能传输的人体辅助供血装置
技术领域
本发明属于无线电能传输领域，特别是涉及一种基于谐振式无线电能传输的人体辅助供血装置。
背景技术
在针对心脏衰竭的病症治疗过程中，传统方法采用人体辅助供血泵，即在心脏主血管安装电机装置，辅助并替代心脏泵血功能，供给人体器官血液。现有技术中电机泵的体积较大，不利于外科医生安装，同时重量较重，对病人也是一种负担，最主要问题是需要通过皮下手术，外接电源线，将电机泵所需电源外置，这样长期的创口裸露，会造成细菌或病毒感染，从而严重威胁病人的生命健康。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的问题，提出一种基于谐振式无线电能传输的人体辅助供血装置。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于谐振式无线电能传输的人体辅助供血装置，它包括发射侧系统和接收侧系统，所述发射侧系统包括外置电池、母线电容、逆变器、主控器、中继线圈、发射线圈和发射侧谐振电容，所述接收侧系统包括接收线圈、接收侧谐振电容、高频整流桥、维持电容和电活性聚合物薄膜，所述发射侧系统置于人体外部，其中外置电池与逆变器相连且并联有母线电容，主控器将信号传递给逆变器，逆变器与发射线圈相连且串联有发射侧谐振电容，中继线圈嵌套在发射线圈外部且中继线圈上设置有发射侧谐振电容，所述接收侧系统置于人体内部，其中接收线圈与高频整流桥相连且串联有接收侧谐振电容，高频整流桥与电活性聚合物薄膜相连且并联有维持电容。
更进一步的，所述外置电池为锂电池或镍氢电池，电压为24V-36V。
更进一步的，所述发射线圈外直径尺寸为8cm-12cm，所述中继线圈外直径尺寸为10cm-14cm，所述接收线圈外直径尺寸为4cm-6cm所述发射线圈(8)与中继线圈(7)在同一平面内。
更进一步的，所述发射线圈与中继线圈之间采用LC串联谐振式能量传输，所述中继线圈与接收线圈之间采用LC串联谐振式能量传输，传输距离为5cm-10cm。
更进一步的，所述高频整流桥中集成有高频整流滤波电路。
更进一步的，所述电活性聚合物薄膜分为三层，上下两层为铁电高分子聚合物，中间层为有机硅膜或VHB材料。
更进一步的，所述铁电高分子聚合物为聚偏氟乙烯。
更进一步的，所述电活性聚合物薄膜所需供电流为阶跃脉冲直流电，电压为100V-5kV，功率为5W-10W，通电时间需维持0.76秒。
更进一步的，所述电活性聚合物薄膜使用铝制金属箔片外加绝缘薄膜作为导线。
电活性聚合物薄膜为一种新型特殊材料，共分三层，上下两层为铁电高分子聚合物该类聚合物具有电子偶极距，中间层为有机硅膜或VHB材料，通过提供上下层直流电压使偶极矩方向反向变化，导致接入正极电源的电活性聚合物薄膜侧发生收缩，而负极维持原形变，从而电活性聚合物薄膜整体形态发生变化，通过阶跃脉冲直流电信号，可实现电活性聚合物薄膜规律形变。设计电活性聚合物薄膜14辅助供血结构紧密安装于血管壁外侧，使用铝制金属箔片外加绝缘薄膜代替传统导线，从而协同挤压血管壁，为心脏提供血液，可根据不同供血需求设计不同等级的辅助装置。其所需供电电压为100V-5kV，功率为5W-10W。由于电活性聚合物薄膜属于特殊负载，在通电与断电的过程中其系统的阻值及容值会发生变化，本发明中电活性聚合物薄膜的容值由10pF变化至30pF，阻值由1Mohm变化至2.5Mohm。
成年人心跳次数的正常范围在每分钟在60-100次，大多数人的心跳次数在每分钟70-90次，如果取中间值按每分钟80次心跳计算，其频率约为1.3Hz，即阶跃脉冲直流电通电时间需要维持0.76秒。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：电活性聚合物薄膜体积小、重量轻，驱动完全不需要任何液体，属于干驱动系统，且结构简单，控制方便，系统效率高。采用多级升压调节的方式使电压等级高达5kV，满足电活性聚合物薄膜的供电要求。利用外置可更换电池，很好的解决了能量续航的问题。与感应式无线电能传输的方式相比，谐振式无线供电增大了系统的传输距离，提高电能传输效率，使得接收侧植入手术难度降低，增大辅助供血装置可控范围，增加患者活动空间的自由性，减小创口裸露造成细菌或病毒感染的风险，提高整个系统的稳定性。
附图说明
图1为本发明所述的一种基于谐振式无线电能传输的人体辅助供血装置原理图
图2为本发明所述的一种基于谐振式无线电能传输的人体辅助供血装置工作状态图
图3为本发明所述的发射线圈、中继线圈、接收线圈位置关系图
图4为本发明所述的电活性聚合物薄膜辅助供血结构图
图5为本发明所述的电活性聚合物薄膜形态图
图6为本发明所述的电活性聚合物薄膜工作状态图
1-发射侧系统，2-接收侧系统，3-外置电池，4-母线电容，5-逆变器，6-主控器，7-中继线圈，8-发射线圈，9-发射侧谐振电容，10-接收线圈，11-接收侧谐振电容，12-高频整流桥，13-维持电容，14-电活性聚合物薄膜
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。
参见图1-6说明本实施方式，一种基于谐振式无线电能传输的人体辅助供血装置，它包括发射侧系统1和接收侧系统2，所述发射侧系统1包括外置电池3、母线电容4、逆变器5、主控器6、中继线圈7、发射线圈8和发射侧谐振电容9，所述接收侧系统2包括接收线圈10、接收侧谐振电容11、高频整流桥12、维持电容13和电活性聚合物薄膜14，所述发射侧系统1置于人体外部，其中外置电池3与逆变器5相连且并联有母线电容4，主控器6将信号传递给逆变器5，逆变器5与发射线圈8相连且串联有发射侧谐振电容9，中继线圈7嵌套在发射线圈8外部且中继线圈7上设置有发射侧谐振电容9，所述接收侧系统2置于人体内部，其中接收线圈10与高频整流桥12相连且串联有接收侧谐振电容11，高频整流桥12与电活性聚合物薄膜14相连且并联有维持电容13。
电活性聚合物薄膜14为一种新型特殊材料，共分三层，上下两层为铁电高分子聚合物该类聚合物(聚偏氟乙烯)具有电子偶极距，中间层为有机硅膜或VHB材料，通过提供上下层直流电压使偶极矩方向反向变化，导致接入正极电源的电活性聚合物薄膜14侧发生收缩，而负极维持原形变，从而电活性聚合物薄膜14整体形态发生变化，通过阶跃脉冲直流电信号，可实现电活性聚合物薄膜规律形变。设计电活性聚合物薄膜14辅助供血结构紧密安装于血管壁外侧，使用铝制金属箔片外加绝缘薄膜代替传统导线，从而协同挤压血管壁，为心脏提供血液，可根据不同供血需求设计不同等级的辅助装置。其所需供电电压为100V-5kV，功率为5W-10W。根据成年人正常心跳次数的平均值每分钟80次计算，得到阶跃脉冲直流电通电时间需要维持0.76秒。
由于电活性聚合物薄膜14的供电要求特殊，本发明使用中继线圈7、发射线圈8和接收线圈10三线圈形式的无线供电模型，即多级跳跃式无线升压模型。发射线圈8外直径尺寸为8cm-12cm、中继线圈7外直径尺寸为10cm-14cm、接收线圈10外直径尺寸为4cm-6cm，且发射线圈8与中继线圈7在同一平面内。发射线圈8与中继线圈7之间、中继线圈7与接收线圈10之间均采用LC串联谐振式能量传输方式，中继线圈7与接收线圈10之间的传输距离为5cm-10cm。外置电池3为锂电池或镍氢电池，电压为24V-36V，其作为系统的主能源供给直流电到逆变器5，通过主控器6控制系统谐振工作频率使电活性聚合物薄膜14的阶跃脉冲直流电通电时间维持0.76秒，发射线圈8LC串联电压型谐振电路，将电能转化为高频磁能，激励中继线圈8，使中继线圈8发生谐振，其中中继线圈8的主要能量为无功能量，其电流值为谐振电流的3-15倍，从而提高系统磁场强度，增大系统传输距离及效率。发射侧系统1中母线电容4起到恒压滤波的作用。接收线圈10为多匝电感线圈，通过与中继线圈7产生串联谐振，将磁能转化为高频交流电能，通过高频整流桥12将高频电能转化为电活性聚合物薄膜14所需的电压为100V-5kV的稳定直流电。接收侧系统2中的高频整流桥12中集成有高频整流滤波电路。接收侧系统2中的维持电容13起到维持电平的作用，保证系统升压过程为稳定的梯形波。
以上对本发明所提供的一种基于谐振式无线电能传输的人体辅助供血装置，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种基于谐振式无线电能传输的人体辅助供血装置，其特征在于：它包括发射侧系统(1)和接收侧系统(2)，所述发射侧系统(1)包括外置电池(3)、母线电容(4)、逆变器(5)、主控器(6)、中继线圈(7)、发射线圈(8)和发射侧谐振电容(9)，所述接收侧系统(2)包括接收线圈(10)、接收侧谐振电容(11)、高频整流桥(12)、维持电容(13)和电活性聚合物薄膜(14)，所述发射侧系统(1)置于人体外部，其中外置电池(3)与逆变器(5)相连且并联有母线电容(4)，主控器(6)将信号传递给逆变器(5)，逆变器(5)与发射线圈(8)相连且串联有发射侧谐振电容(9)，中继线圈(7)嵌套在发射线圈(8)外部且中继线圈(7)上设置有发射侧谐振电容(9)，所述接收侧系统(2)置于人体内部，其中接收线圈(10)与高频整流桥(12)相连且串联有接收侧谐振电容(11)，高频整流桥(12)与电活性聚合物薄膜(14)相连且并联有维持电容(13)，所述电活性聚合物薄膜(14)紧密安装于血管壁外侧，所述电活性聚合物薄膜(14)所需供电流为阶跃脉冲直流电，电压为100V-5kV，功率为5W-10W，通电时间需维持0.76秒，所述电活性聚合物薄膜(14)使用铝制金属箔片外加绝缘薄膜作为导线。
2.根据权利要求1所述的一种基于谐振式无线电能传输的人体辅助供血装置，其特征在于：所述外置电池(3)为锂电池或镍氢电池，电压为24V-36V。
3.根据权利要求1所述的一种基于谐振式无线电能传输的人体辅助供血装置，其特征在于：所述发射线圈(8)外直径尺寸为8cm-12cm，所述中继线圈(7)外直径尺寸为10cm-14cm，所述接收线圈(10)外直径尺寸为4cm-6cm，所述发射线圈(8)与中继线圈(7)在同一平面内。
4.根据权利要求1所述的一种基于谐振式无线电能传输的人体辅助供血装置，其特征在于：所述发射线圈(8)与中继线圈(7)之间采用LC串联谐振式能量传输，所述中继线圈(7)与接收线圈(10)之间采用LC串联谐振式能量传输，传输距离为5cm-10cm。
5.根据权利要求1所述的一种基于谐振式无线电能传输的人体辅助供血装置，其特征在于：所述高频整流桥(12)中集成有高频整流滤波电路。
6.根据权利要求1所述的一种基于谐振式无线电能传输的人体辅助供血装置，其特征在于：所述电活性聚合物薄膜(14)分为三层，上下两层为铁电高分子聚合物，中间层为有机硅膜或VHB材料。
7.根据权利要求6所述的一种基于谐振式无线电能传输的人体辅助供血装置，其特征在于：所述铁电高分子聚合物为聚偏氟乙烯。
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