CN110011431A - 一种应用于人体植入式设备的超声耦合无线充电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于人体植入式设备的超声耦合无线充电系统，包括发射端电源管理模块、发射端阻抗匹配模块、超声发射模块、超声接收模块、接收端阻抗匹配模块、接收端电池管理模块、植入式电池、接收端通信模块和发射端通信模块。本发明采用超声波耦合无线电能传输方式为植入式设备供电，减少了其他方式为人体植入式设备使用者带来的痛苦和危害，更便捷和更安全。采用阻抗匹配技术，降低负载电池阻抗变化对系统能量传输效果的影响，提高了系统能量传输的稳定性，对充电电池进行管理，实时采集电池电量信息，缩短了整个系统的充电时间，进一步减轻了因超声长时间工作对人体造成的潜在危害，保证电池处于正常的电能状态，延长电池的使用寿命。

Description

一种应用于人体植入式设备的超声耦合无线充电系统

技术领域

本发明属于无线充电的技术领域，尤其涉及一种应用于人体植入式设备的超声耦合无线充电系统。

背景技术

随着医学技术的飞速发展，各种功能的电子医疗产品不断进入人们的生活。特别是植入式医疗设备的出现，对病人减轻病痛折磨，甚至延长生命起到了至关重要的作用。人体植入式医疗设备是一种埋藏在人体内部的电子设备，用来代替某些器官维持生命的延续或者实现对人体疾病的检测、诊断和治疗功能，广泛存在于人体中的各个组织器官。而植入式医疗设备的运行离不开电能的支撑，对植入式医疗设备的供电方式进行研究是植入式医疗设备发展的重要突破点，具有极大的发展意义。

人体植入设备的发展工程中，供电问题一直是研究的重点和难点，怎样才能提供持久、稳定、高效的电力供应是目前研究的重要方向。目前，植入式设备的供电主要采用以下几种方式：

(1)早期的植入式医疗设备，功率等级较高的如人工心脏Cardiowest，为了维持其长期运行的电能，采用导线直接穿破人体皮肤的方式为体内设备供电。该方法技术成熟，简单直接。但是容易造成感染，并且病人的活动范围会受到严重限制，因此，该种供电方式也受到了严重的限制。

(2)采用一次性电池，如镍镉电池、锂电池等。这种电池不仅安全可靠，还具有能量密度高等特点，而且可以实现全密封，污染小。替代了传统的铅汞电池，延长了植入式设备的使用寿命并提高了安全性。尽管采用高新科技扩大了电池的容量，但是，电池的使用寿命终究是有限的。当电能耗尽时，病人需要承受外科手术的痛苦去更换体内的电子设备。这种二次手术会给病人带来精神和肉体上的痛苦，以及不菲的经济负担。

(3)利用电磁能之间的转换而实现的无线电能传输的方法。该方法主要通过电磁场的变换完成电能的传输，根据电磁场的远近又可以细分为近场共振电感耦合、中场电磁耦合和远场电磁耦合三种方式。该方式由于都是采用电磁能的转换而进行能量传输，所以下植入式设备的应用中，对人体存在一定的电磁安全隐患。同时受人体电导率等因素的影响，电磁波在人体中会产生涡流等效应不仅对人体组织有损害，还会进一步减小传输距离和传输效果。

(4)利用近场电容耦合(Near-field Capacitive Coupling，NCC)对植入式设备进行供电。由于电容耦合更弱，对传输系统的稳定性要求也更高，传输效率更低。同时，直接施加的电场对人体的安全造成了更大的不确定性。

(5)超声波耦合无线电能传输技术(Ultrasonic Coupled Power Transfer，ACPT)对植入式设备进行充电。激励源将电能施加到PZT系列压电材料上面，通过压电材料将电能转化为超声波穿过人体组织，接收端压电材料再将接收到的超声能转化为电能供植入式设备使用。该方法同样可以实现无线充电，同时具有方向性好，单位发射面积功率密度高等优点，并且采用声电能转换弥补了电磁能转换时产生的涡流发热等现象，安全性更高。

上述的无线电能传输方案中，近场共振电感耦合和近场电容耦合提供的功率较小，距离也比较近，多进行皮下的无线电能供电；中场电磁耦合和远场电磁耦合的无线电能传输方案能够给较深层的植入式设备进行电能供应，但功率较小；使用超声波耦合无线电能传输方案，目前可以通过传播的超声波实现与电磁传输相同等级的功率，并且最大传输距离也可以达到几厘米，同时由于安全性较高，因此具有很大的研究意义和发展前景。

重庆医科大学的杨增涛、王华公开了一种基于超声波的无线充电系统(公开号为CN204481580U)的专利，提出了一种基于超声波的无线充电系统，包括外部超声波发射装置、植入体内的超声波接收换能片、适配电路模块及可充电电池模块，其中超声波发射装置发射脉冲式聚焦超声波，并通过换能片将超声波转换成电能，之后再通过适配电路模块将电能进行整流后充到可充电电池中。该一种基于超声波的无线充电系统的专利，至少包括供置于体外的超声波发射装置，用于作脉冲式地输出低强度的聚焦超声波，且所述聚焦超声波的占空比不大于百分之十供植入体内的圆柱形换能片，用于接收所述聚焦超声波并将其转换成具有电势差的压电信号，并予以输出供植入体内的并连接于所述换能片的适配电路模块，用于接收所述压电信号并将其转换成适于充电的直流电信号，并予以输出供植入体内的并连接于所述适配电路模块的电池模块，用于接收所述直流电信号以进行电池模块充电。其中：

(1)圆柱形换能片为1-3型压电复合材料。

(2)圆柱形换能片的直径为2-3个所述聚焦超声波的波长。

(3)为1-3型压电复合材料换的所述圆柱形换能片由压电陶瓷方柱、聚合物及上下电极组成，所述压电陶瓷方柱和聚合物设置于所述上下电极之间，所述压电陶瓷方柱排列在聚合物中，且所述压电陶瓷方柱占整个所述圆柱形换能片体积的40％-80％，所述压电陶瓷方柱的高度与方形边长之比至少大于3。

(4)适配电路模块和电池模块为纯电阻特性，且所述超声波发射装置发射超声波的频率介于所述圆柱形换能片的正谐振频率和反谐振频率之间。

(5)适配电路模块和电池模块的阻抗等于所述圆柱形换能片在正谐振点上的阻抗，且所述超声波发射装置发射超声波的频率为所述圆柱形换能片的正谐振频率。

(6)超声频率在700kHz-1000kHz之间。

该技术方案具有如下的缺点：

1.选择的超声频段较高，在700kHz-1000kHz之间，充电过程中生物组织的超声吸收系数较大，存在较高的热损伤问题。

2.针对不同的负载情况，未提出适当的阻抗匹配方法来进行调整，保证功率和效率维持在一个未定的范围，提高系统能量的传输性能。

3.针对植入式设备的电池，未进行电池管理，在系统对电池进行充电时，无法实时了解电池的充电状况，对充电时间无法进行精准控制，影响充电效果和电池寿命。

发明内容

基于以上现有技术的不足，本发明所解决的技术问题在于提供一种应用于人体植入式设备的超声耦合无线充电系统，采用超声波耦合无线电能传输方式为植入式设备供电，减少了其他方式为人体植入式设备使用者带来的痛苦和危害，更便捷和更安全。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案来实现：本发明提供一种应用于人体植入式设备的超声耦合无线充电系统，包括：

发射端电源管理模块，位于人体外部并用于接收位于人体内部的接收端电池管理模块反映的电池状态信息并进行整理分析，决定是否对植入式设备的电池进行充电；

发射端阻抗匹配模块，位于人体外部并与所述发射端电源管理模块连接，用于使系统阻抗处于纯阻性阻抗状态，保证系统电能的有效传输；

超声发射模块，位于人体外部并与所述发射端阻抗匹配模块连接，用于将电能转换为超声能并穿过人体组织进行无线能量传输；

超声接收模块，位于人体内部并用于将接收到的所述超声发射模块转换成的超声能转换成电能；

接收端阻抗匹配模块，位于人体内部并与所述发射端阻抗匹配模块配合，用于使系统阻抗处于纯阻性阻抗状态，保证系统电能的有效传输；

接收端电池管理模块，位于人体内部并与所述接收端阻抗匹配模块连接，用于将采集到的植入式电池信息发送到人体外的所述发射端电源管理模块。

由上，采用超声波耦合无线电能传输方式为植入式设备供电，采用低频率超声能量传输，将阻抗匹配应用于人体植入式超声耦合无线电能传输方式，对植入式电池进行管理，采集电池电能信息，并通过超声通信传输到发射端，进一步控制电能传输过程。

可选的，所述发射端电源管理模块包括：

功放电路，用于将普通的工频交流电转换成满足压电换能器进行正常能量转换工作的电压和电流；

开关电路，用于根据主控CPU单元发出的指令作用于开关，通过开关的开通和关断实现对所述功放电路工作状态的切换；

通信接口，用于将收集到的信息传入主控CPU单元；

主控CPU单元，用于将接收到的位于人体内部的接收端电池管理模块反映的电池状态信息进行整理分析，决定是否对植入式设备的电池进行充电，并作用于所述开关电路。

进一步的，所述接收端电池管理模块包括：

电能转换电路，用于将高频交流电转换成可供电池充电的稳定直流电；

电池检测电路，用于实时采集植入式电池的状态信息并转入CPU控制单元；

CPU控制单元，用于将采集到的植入式电池的状态信息通过通信接口发送至发射端电源管理模块；

通信接口，用于保持所述CPU控制单元和发射端电源管理模块之间的连通。

可选的，所述超声发射模块和超声接收模块均采用工作频率在20kHz到50kHz之间的压电换能器。

可选的，本发明的应用于人体植入式设备的超声耦合无线充电系统还包括：

接收端通信模块，位于人体内部并与所述接收端电池管理模块连接，用于将所述接收端电池管理模块采集到的植入式电池的状态信息向人体外发送到发射端通信模块；

发射端通信模块，位于人体外部并与接收端通信模块连接，用于将所述接收端通信模块发出的信息转送到所述发射端电源管理模块。

由上，本发明提供的应用于人体植入式设备的超声耦合无线充电系统至少具有如下有益效果：

(1)采用超声波耦合无线电能传输方式为植入式设备供电，减少了其他方式为人体植入式设备使用者带来的痛苦和危害，更便捷和更安全。

(2)系统超声的工作频率比较低，进一步降低了高频超声会对人体造成的潜在伤害。

(3)采用阻抗匹配技术，降低了负载电池阻抗变化对系统能量传输效果的影响，提高了系统能量传输的稳定性。

(4)对充电电池进行管理，实时采集电池电量信息，缩短了整个系统的充电时间，进一步减轻了因超声长时间工作对人体造成的潜在危害，同时，保证了电池处于正常的电能状态，延长了电池的使用寿命。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下结合优选实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。

图1为本发明的应用于人体植入式设备的超声耦合无线充电系统的原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式，其作为本说明书的一部分，通过实施例来说明本发明的原理，本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。在所参照的附图中，不同的图中相同或相似的部件使用相同的附图标号来表示。

如图1所示，本发明提出一种应用于人体植入式设备的超声耦合无线充电系统，采用超声波耦合无线电能传输方式，为人体植入式医疗设备进行供电，采用工作频率在20kHz到50kHz之间的压电换能器，降低系统使用的超声频率。本发明的整个系统由依次连接的发射端电源管理模块10、发射端阻抗匹配模块20、超声发射模块30、超声接收模块40、接收端阻抗匹配模块50、接收端电池管理模块60、接收端通信模块80和发射端通信模块90组成。其中，植入式电池70与接收端电池管理模块60相连，所有的发射端模块在人体的外部，接收端模块和电池部分模块都在人体内部。其中：

本发明的发射端电源管理模块10包括功放电路和控制功放电路开关的开关电路，同时包括主控CPU单元和通信接口。其中，功放电路将普通的工频交流电转换成满足压电换能器进行正常能量转换工作的电压和电流。开关电路根据主控CPU单元发出的指令作用于开关电路中的开关，通过开关的开通和关断实现对功放电路工作状态的切换(运行或停止)。通信接口负责将发射端通信模块90收集到的信息传入主控CPU单元。主控CPU单元将接收到的位于人体内部的接收端电池管理模块60反映的电池状态信息进行整理分析，最终决定是否对植入式设备的电池进行充电，并作用于开关电路。

另外，发射端阻抗匹配模块20和接收端阻抗匹配模块50一起工作，保证无论负载处于阻性、感性或者容性阻抗状态，通过调节阻抗匹配模块可以使整个电路工作在纯阻性阻抗状态，接收端阻抗匹配模块50与发射端阻抗匹配模块20配合，保证系统阻抗处于纯阻性阻抗状态，保证系统电能的有效传输。

本发明的超声发射模块30和超声接收模块40均采用压电换能器，超声发射模块30将电能转换为超声能进行穿过人体组织的无线能量传输，超声接收模块40将接收到的超声发射模块30转换的超声能转换成电能。

本发明的接收端电池管理模块60主要包括电能转换电路、电池检测电路、CPU控制单元和通信接口。其中，电能转换电路实现电压转换功能，将高频交流电转换成可供电池充电的稳定直流电，包括整流和稳压两个部分；电池检测电路将实时采集植入式电池70的状态信息并转入CPU控制单元；CPU控制单元，将采集到的植入式电池70的状态信息通过通信接口发送至接收端通信模块80，进一步向人体外的发射端通信模块90进行发送；通信接口保持接收端电池管理模块60内的CPU控制单元和接收端通信模块80之间的连通。

其中，接收端通信模块80和发射端通信模块90采用超声通信方式的独立模块，接收端通信模块80将接收端电池管理模块60采集到的植入式电池70的状态信息向人体外发送到发射端通信模块90。发射端通信模块90将从人体内接收端通信模块80发出的信息转送到发射端电源管理模块10内的主控CPU单元。

本发明的应用于人体植入式设备的超声耦合无线充电系统中的频率在20kHz到50kHz之间，进一步降低生物组织的超声吸收系数，减小对组织造成的热损伤。本发明在超声发射模块30的前端和超声接收模块40的后端增加阻抗匹配模块，接收端接入的负载阻抗波动时提高系统电能传输的动态稳定性。另外，本发明提出植入式电池管理系统，对电池电量进行实时监测，保证电池不会出现电量不足或者电池过量充电现象，既延长了电池的使用寿命，又缩短了超声能量传输的充电时间，降低的对人体组织的损伤。

以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种应用于人体植入式设备的超声耦合无线充电系统，其特征在于，包括：

发射端电源管理模块，位于人体外部并用于接收位于人体内部的接收端电池管理模块反映的电池状态信息并进行整理分析，决定是否对植入式设备的电池进行充电；

发射端阻抗匹配模块，位于人体外部并与所述发射端电源管理模块连接，用于使系统阻抗处于纯阻性阻抗状态，保证系统电能的有效传输；

超声发射模块，位于人体外部并与所述发射端阻抗匹配模块连接，用于将电能转换为超声能并穿过人体组织进行无线能量传输；

超声接收模块，位于人体内部并用于将接收到的所述超声发射模块转换成的超声能转换成电能；

接收端阻抗匹配模块，位于人体内部并与所述发射端阻抗匹配模块配合，用于使系统阻抗处于纯阻性阻抗状态，保证系统电能的有效传输；

接收端电池管理模块，位于人体内部并与所述接收端阻抗匹配模块连接，用于将采集到的植入式电池信息发送到人体外的所述发射端电源管理模块。

2.如权利要求1所述的应用于人体植入式设备的超声耦合无线充电系统，其特征在于，所述发射端电源管理模块包括：

功放电路，用于将普通的工频交流电转换成满足压电换能器进行正常能量转换工作的电压和电流；

开关电路，用于根据主控CPU单元发出的指令作用于开关，通过开关的开通和关断实现对所述功放电路工作状态的切换；

通信接口，用于将收集到的信息传入主控CPU单元；

主控CPU单元，用于将接收到的位于人体内部的接收端电池管理模块反映的电池状态信息进行整理分析，决定是否对植入式设备的电池进行充电，并作用于所述开关电路。

3.如权利要求1所述的应用于人体植入式设备的超声耦合无线充电系统，其特征在于，所述接收端电池管理模块包括：

电能转换电路，用于将高频交流电转换成可供电池充电的稳定直流电；

电池检测电路，用于实时采集植入式电池的状态信息并转入CPU控制单元；

CPU控制单元，用于将采集到的植入式电池的状态信息通过通信接口发送至发射端电源管理模块；

通信接口，用于保持所述CPU控制单元和发射端电源管理模块之间的连通。

4.如权利要求1所述的应用于人体植入式设备的超声耦合无线充电系统，其特征在于，所述超声发射模块和超声接收模块均采用工作频率在20kHz到50kHz之间的压电换能器。

5.如权利要求1所述的应用于人体植入式设备的超声耦合无线充电系统，其特征在于，还包括：

接收端通信模块，位于人体内部并与所述接收端电池管理模块连接，用于将所述接收端电池管理模块采集到的植入式电池的状态信息向人体外发送到发射端通信模块；

发射端通信模块，位于人体外部并与接收端通信模块连接，用于将所述接收端通信模块发出的信息转送到所述发射端电源管理模块。