CN111064285A - 一种用于植入式设备的无线能量信号传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于植入式设备的无线能量信号传输系统，包括体外部分和植入体部分；体外部分包括体外能量发射模块和体外信号收发模块，植入体部分包括体内能量接收模块和体内信号收发模块；所述体外能量发射模块连接有第一线圈，所述体内能量接收模块连接有第三线圈，所述体外能量发射模块通过第一线圈与第三线圈的电磁耦合方式将能量传输至体内能量接收模块；所述体外信号收发模块连接有第二线圈，所述体内信号收发模块连接有第四线圈，所述体外信号收发模块与体内信号收发模块之间通过第二线圈与第四线圈的电磁耦合方式进行双向的信号传输。本发明合理的设置四个线圈的形状和位置使得线圈之间不会相互干扰，实现了能量和双向数据的无线传输。

Description

一种用于植入式设备的无线能量信号传输系统

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，具体涉及一种用于植入式设备的无线能量信号传输系统。

背景技术

植入式医疗器械属于第三类医疗器械，是国家监管最严的一类医疗器械。其分为无源植入类医疗器械和有源植入类医疗器械，有源医疗器械相对无源医疗器械而言，需要使用电、气等驱动原件，且在风险等级、技术难度各方面来说均是比较高的。对于植入式医疗器械等电子装置，其主要特点是微型化、低功耗、高可靠性及生物相容性。其中作为体外和体内连接的能量和信号交流，则需要用到无线传输系统。

目前市面上的一些植入式设备大部分采用锂电池供电，比如心脏起搏器、人工心脏及药丸式电子内窥镜等。这种内置锂电池供电方式的最大缺点就是使用寿命的限制，电池耗尽时将要重新通过手术植入。因此，针对植入式设备目前通长采用电磁感应技术来实现无线充电和信号的传输。

电磁感应技术的原理是将外部电源的电能进行功率放大，再转换成交流电，通过体外和体内线圈之间的电磁耦合建立能量传输通道，将能量传递给体内植入电子器件。但是电磁感应技术有一个很大的缺点，即线圈之间的耦合系数小、不仅所需要的传输距离近、能量传递效率也很低。美国麻省理工学院的研究者提出了一种全新的无线能量传输的方法，该方法依靠磁耦合谐振原理快速建立一个能量传输通道，可以把能量高效地从发射端传递到接收端。该方法相比于其他的无线供能方法具有传输效率高、有效传输距离远等优。

现有技术中的植入式设备，通常采用磁耦合谐振原理进行能量和数据的传输。具体方案通常采用两个线圈，其中一个在体外发射能量和信号，另外一个在体内接收能量和信号。由于使用两个线圈很难实现正反双向数据的有效传输，如果在体外单元再增加反向接收的相合线圈时，又会被正向传输信号的相合线圈所干扰，同样很难实现反向信号有效传输。此外，由于体内空间尺寸有限，且需要间隔皮肤等组织，这样进一步的影响了能量和数据的传输，从而无法有效的实现植入设备稳定运转以及信号交流。

当然也有采用双频三线圈的办法来解决上述问题，比如公开号为CN108390701A，名称为一种植入设备通讯系统。其具体方案为：在体外设置双线圈，而体内单线圈，通过体外数据线圈的对称结构降低线圈相互之间的干扰，从而实现了反向数据传递。但是由于体内接收能量和数据时共用一个线圈，或体外能量和数据发送共用一个线圈，由于受线圈有载Q值的限制，能量传输的效率较低或者数据传输的速率低，导致下行数据与能量传输不能同时进行。当然还有使用双频四线圈，即将信号线圈缠绕到数据线圈上面，利用线圈的正交性，降低射频能量对数据通道的干扰，但该线圈的绕法，极大地降低了能量线圈的Q值，从而降低射频能量的传递效率。比如在2012发表在ISCAS期刊上，名称为a novel overlappingcoil structure for dual band telemetry system，即叠层线圈的办法，使用能量线圈与数据线圈部分叠加的办法，只能够减低内部能量线圈对内部数据的干扰，不能降低外部能量对数据的干扰。

上述这些方案无论是单频多线圈还是双频多线圈，都没有解决高效率的射频能量传递和高速率的射频无线通讯的问题。其主要原因是由于在植入体的线圈体积受限，射频能量对信号线圈造成严重干扰，有体外发射能量对体内信号的干扰，体内能量线圈对体内信号线圈的干扰，同时还有体外信号线圈对体内能量线圈的干扰等，同时，体内外线圈相对正对位置的变动，也容易影响能量和数据的传递效率。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供了一种用于植入式设备的无线能量信号传输系统，根据磁通量相互抵消的原理，在体内和内外分别设置了两个线圈，其中一对用来实现能量的收发，另一对用来显示数据的传输，并且四个线圈的形状和位置的设置使得能量线圈与信号线圈之间不会相互干扰，从而实现能量和双向数据的无线传输。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种用于植入式设备的无线能量信号传输系统，其包括：

体外部分和植入体部分；

所述体外部分包括体外能量发射模块和体外信号收发模块，所述植入体部分包括体内能量接收模块和体内信号收发模块；

所述体外能量发射模块连接有第一线圈，所述体内能量接收模块连接有第三线圈，所述体外能量发射模块通过第一线圈与第三线圈的电磁耦合方式将能量传输至体内能量接收模块；

所述体外信号收发模块连接有第二线圈，所述体内信号收发模块连接有第四线圈，所述体外信号收发模块与体内信号收发模块之间通过第二线圈与第四线圈的电磁耦合方式进行双向的信号传输。

优选地，所述体外能量发射模块包括相连的能量控制单元及能量发射单元，所述能量发射单元的输出端与第一线圈电连接；

所述体外信号收发模块包括依次相连的数字信号控制单元、第一模数转换单元及第一数据收发单元，所述第一数据收发单元与第二线圈连接；

所述体内能量接收模块包括相连的能量接收单元及电源处理单元，所述能量接收单元的输入端与第三线圈电连接；

所述体内信号收发模块包括依次相连的第二数据收发单元、第二模数转换单元、刺激输出单元及全局控制单元，所述第二数据收发单元与第四线圈电连接，所述全局控制单元的输出端与第二模数转换单元连接，所述刺激输出单元与人体组织电连接。

优选地，所述第一线圈的尺寸大于第三线圈的尺寸，所述第一线圈与第三线圈的投影存在重合；

所述第二线圈的尺寸大于第四线圈的尺寸，所述第二线圈与第四线圈的投影存在重合。

优选地，所述第一线圈与第三线圈同心设置，所述第二线圈在第一线圈内的投影面积与第二线圈在第一线圈外的投影面积相等，所述第二线圈耦合时通过第一线圈内的投影区域与第一线圈外的投影区域的正负磁通量相互抵消。

优选地，所述第三线圈为椭圆环形线圈。

优选地，所述第四线圈包括两个左右相互对称且相连的椭圆环形线圈，所述第四线圈与第三线圈同心设置，所述第三线圈耦合时通过第四线圈左右两边的椭圆环形线圈的正负磁通量相互抵消；

所述第二线圈包括两个左右相互对称且相连的四方环形线圈，所述第一线圈为四方环形线圈。

优选地，所述第二线圈包括两个左右相互对称且相连处折弯的四方环形线圈；

所述第四线圈为椭圆环形线圈，所述第四线圈与左边或右边的四方环形线圈同心设置，所述第一线圈为椭圆环形线圈。

优选地，所述第四线圈在第三线圈内的投影面积与第四线圈在第三线圈外的投影面积相等，所述第四线圈耦合时通过第三线圈内的投影区域与第三线圈外的投影区域的正负磁通量相互抵消。

优选地，所述第一线圈和第三线圈皆为圆环形线圈，所述第二线圈包括两个左右相互对称且相连的四方环形线圈，所述第四线圈为倒工字型线圈。

优选地，所述第一线圈为四方环形线圈，所述第二线圈包括呈一字型的中间部线圈及连接在中间部线圈两端的端部环形线圈，所述第三线圈为椭圆环形线圈，所述第四线圈为倒8字型线圈，所述倒8字型线圈的左右两侧导线的绕向相反。

与现有技术相比，本发明所提供的用于植入式设备的无线能量信号传输系统具有以下有益效果：

根据磁通量相互抵消的原理，在体内和内外分别设置了两个线圈，其中一对用来实现能量的收发，另一对用来显示数据的传输，在体内有限的尺寸范围内，合理的设置了四个线圈的形状和位置关系，有效的解决了能量线圈与信号线圈之间相互干扰的问题，从而实现了能量和双向数据的无线传输。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一个简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，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是本发明一种用于植入式设备的无线能量信号传输系统的总体模块示意图。

图2是本发明一种用于植入式设备的无线能量信号传输系统实施例一的结构示意图。

图3是本发明一种用于植入式设备的无线能量信号传输系统实施例一的实验测量图。

图4是本发明一种用于植入式设备的无线能量信号传输系统实施例二的结构示意图。

图5是本发明一种用于植入式设备的无线能量信号传输系统实施例二的实验测量图。

图6是本发明一种用于植入式设备的无线能量信号传输系统实施例三的图。

图7是本发明一种用于植入式设备的无线能量信号传输系统实施例四的图。

具体实施方式

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中在申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请；本申请的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。本申请的说明书和权利要求书或上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

本发明实施例提供了一种用于植入式设备的无线能量信号传输系统，如图1所示，其包括：体外部分和植入体部分；所述体外部分包括体外能量发射模块和体外信号收发模块，所述植入体部分包括体内能量接收模块和体内信号收发模块；所述体外能量发射模块连接有第一线圈L1，所述体内能量接收模块连接有第三线圈L3，所述体外能量发射模块通过第一线圈L1与第三线圈L3的电磁耦合方式将能量传输至体内能量接收模块；所述体外信号收发模块连接有第二线圈L2，所述体内信号收发模块连接有第四线圈L4，所述体外信号收发模块与体内信号收发模块之间通过第二线圈L2与第四线圈L4的电磁耦合方式进行双向的信号传输。

磁耦合谐振是将两个具有相同谐振频率的物体通过磁耦合方式实现电能的无线传输，其工作原理是通过高频逆变的方法将直流电逆变为高频交流电送到发射线圈，线圈中由于存在交变的电流会产生交变电磁场；基于磁耦合谐振原理，发射线圈与接收线圈处于谐振状态；这个交变电流在处于谐振的体外线圈中，通过电感能够产生交变的磁场，通过电容能够产生交变的电场，电场和磁场相互交换，再有效接收范围内，通过磁场耦合谐振方式在体内线圈中再次产生交变电场和磁场，实现高效的能量的数据传输。

本发明采用磁耦合谐振的原理来进行能量和数据的传输，通过第一线圈L1与第三线圈L3通过电磁耦合的方式将第一线圈L1的电能传送给第三线圈L3，从而实现对植入式设备的供电，同时，第二线圈L2与第四线圈L4通过电磁耦合的方式实现体外与体内数据的双向传输。

本发明的两对线圈采用不同的发射频率，相比两个线圈而言，可以满足更高要求的能量传递效率以及数据传递量的需求，因为能量和数据分开传输，使用不同的频段进行传输，可以改善一方面体内线圈需要Q值越大，能量传递效率提高了，但是线圈匝数，长度等需要增加，意味着L值就越大，L值越大，则发射信号时候，阻抗越大，信号的传递效率降低了。这样很难平衡高能量传递效率和高数据传递需求，而两对线圈的设计可以较好的解决该问题。

具体实施时，如图1所示，所述体外能量发射模块包括相连的能量控制单元及能量发射单元，所述能量发射单元的输出端与第一线圈L1电连接；

所述体外信号收发模块包括依次相连的数字信号控制单元、第一模数转换单元及第一数据收发单元，所述第一数据收发单元与第二线圈L2连接；

所述体内能量接收模块包括相连的能量接收单元及电源处理单元，所述能量接收单元的输入端与第三线圈L3电连接；

所述体内信号收发模块包括依次相连的第二数据收发单元、第二模数转换单元、刺激输出单元及全局控制单元，所述第二数据收发单元与第四线圈L4电连接，所述全局控制单元的输出端与第二模数转换单元连接，所述刺激输出单元与人体组织电连接。

所述能量控制单元主要是给第一线圈L1提供持续稳定的电源供应，数字信号控制单元（摄像头等）为信号输入来源的传感设备，第一模数转换单元对数据进行数据处理后，通过第一数据收发单元传递给体外信号发射第二线圈L2；同时也能接收处理第四线圈L4发送的数据，在不同的频率范围内实现数据的发射和接收。

所述电源处理单元用于将无线接收到的能量进行处理，用于给体内芯片等电子元器件进行供电，从而保持体内设备的稳定工作，第二数据收发单元主要是将接收到的数据输入到第二模数转换单元，在全局控制单元的综合处理下，将刺激信号通过刺激输出单元（如柔性电极或者其他传感器等）刺激人体组织，如视网膜、神经末梢等。

由于人体内空间尺寸受限，无法像体外线圈（第一线圈L1和第二线圈L2）一样进行任意尺寸的线圈设计，且相互之间的距离无法相隔太远，故在有限的空间内，线圈相互之间存在严重的干扰问题，因此本发明根据根据磁通量平衡的原则，通过合理的设置四个线圈的形状和位置关系，有效的解决了线圈之间的相互干扰问题。

上述的四个线圈相互之间在平面方向位置的变化对相互干扰较大，在垂直方向的位置变化对传递效率和干扰影响则更大，同时，体内外线圈动轻微距离的变动以及相对正对位置的变动，均容易影响能量和数据传递效率。

因此，将四个线圈的位置关系做出如下限定，这样有利于减小线圈相互之间的干扰。

所述第一线圈L1的尺寸大于第三线圈L3的尺寸，所述第一线圈L1与第三线圈L3的投影存在重合；所述第二线圈L2的尺寸大于第四线圈L4的尺寸，所述第二线圈L2与第四线圈L4的投影存在重合。

下表为四个线圈的分类说明表：

以上线圈材质包括铜、金等材质，但保护范围不限于铜、金等材质。

下表为四个线圈的干扰情况说明表。

线圈	耦合系数	说明	传递干扰情况
				L1，L2	K12	第一线圈与第二线圈耦合	能量干扰信号的发射和接收
L1，L3	K13	第一线圈与第三线圈耦合	向体内发射能量
				L1，L4	K14	第一线圈与第四线圈耦合	能量干扰信号的发射和接收
L2，L3	K23	第二线圈与第三线圈耦合	信号干扰能量的传递效率
				L2，L4	K24	第二线圈与第四线圈耦合	向体内传输信号

下面来分析上述四个线圈相互之间的干扰情况。

L1的射频能量对体外信号线圈L2的信号造成严重干扰，导致体外信号线圈L2无法将信号发送给体内信号线圈L4；

体外信号线圈L2对体外能量线圈L1的能量传递效率也有一定影响；

体外能量线圈L1对体内信号线圈L4的距离比较近，故体外能量线圈L1对体内信号线圈L4的信号接收也造成严重的干扰，对其发射信号也影响大；

体内能量线圈L3和体内信号线圈L4由于均在体内，并且有时是挨在一起，故L3对L4干扰也挺大，由于体内信号线圈L4发射功率一般比较低，L3不仅干扰信号的接收，同时还干扰体内信号线圈L4的发射，导致体外信号线圈L2难以收到信号；

若在信号发射功率比较大的情况下，体外信号线圈L2对体内能量线圈L3的能量接收的效率也产生一定影响，一般体内信号线圈匝数小，对其他三个线圈的影响比较微弱。

具体实施时，所述第一线圈L1与第三线圈L3同心设置，所述第二线圈L2在第一线圈L1内的投影面积与第二线圈L2在第一线圈L1外的投影面积相等，所述第二线圈L2耦合时通过第一线圈L1内的投影区域与第一线圈L1外的投影区域的正负磁通量相互抵消。

按照磁通量相互抵消的原则，第二线圈L2的在第一线圈L1内部投影部分的面积和外部投影部分面积是相等的，当然也包括线圈的实际圈数所占用的面积，从而避免高功率的体外能量线圈L1对低功率的体外信号线圈L2的干扰，同样，体外信号线圈L2在接收信号时，也能避免来自体外能量线圈L1的发射功率的影响。

四个线圈的形状和位置关系实施例一：

如图2所示，所述第三线圈L3为椭圆环形线圈，所述第四线圈L4包括两个左右相互对称且相连的椭圆环形线圈，所述第四线圈L4与第三线圈L3同心设置，所述第三线圈L3耦合时通过第四线圈L4左右两边的椭圆环形线圈的正负磁通量相互抵消；所述第二线圈L2包括两个左右相互对称且相连的四方环形线圈，所述第一线圈L1为四方环形线圈。

四个线圈相互之间的干扰情况分析如下：

K12：第一线圈（体外能量线圈）L1与第二线圈（体外信号线圈）L2，按照磁通量相互抵消的原则，第二线圈L2在第一线圈L1内部投影部分的面积和外部投影部分面积是相等的，该投影面积也包括线圈实际圈数所占用的面积，从而避免高功率的体外能量线圈L1对低功率的体外信号线圈L2的干扰；同样的，信号信号线圈L2在接收信号时，也能避免来自体外能量线圈L1的发射功率影响；

K13：第一线圈（体外能量线圈）L1和第三线圈（体内能量线圈）L3处于同心分布，能量传递效率是也是最高的；

K14：第一线圈（体外能量线圈）L1与第四线圈（体内信号线圈）L4的距离一般比较近，则体外能量的发射对体内信号接收和发射均有较大影响，故体内信号线圈设计成两个左右相互对称且相连的椭圆环形线圈的结构，故根据磁通量平衡的原则，体内信号线圈L4在体外能量线圈L1的内部实现了磁通量相抵消，将干扰降至最低；

K23；第二线圈（体外信号线圈）L2与第三线圈（体内能量线圈）L3的中间耦合，一般体内能量线圈L3接收产生的磁场时，对体外信号线圈L2的发射影响有限，主要是功率大的信号发射L2对L3接收L1能量传递效率产生影响，故L3也是分布在L2两个半边内，基本实现磁通量平衡；

K24；第二线圈（体外信号线圈）L2与第四线圈（体内信号线圈）L4之间进行数据的双向传递，理想的传递效率还是将第四线圈设置成对称结构且与L2同心；

K34；第三线圈（体内能量线圈）L3和第四线圈（体内信号线圈）L4一起放置在体内，若是空间大，则尽可能拉开距离，对于紧挨在一起的线圈，体内能量线圈L3对体内信号线圈L4干扰加大，尤其是发射信号的情况下，因此，按照磁通量平衡原则，体内信号线圈L4设置成两个左右相互对称且相连的椭圆环形线圈，可以抵消体内能量线圈L3对内体信号线圈L4的干扰。

根据实施例一所提供的四个线圈对其进行实验，体外能量发射线圈L1的频率为1MHZ，发射电压为200V，体外信号线圈L2的发射频率为13.56Hz，发射电压为20V的情况下，体内外的线圈均按照实际的使用场景，在距离15mm情况下，中间隔离猪肉，猪肉的厚度在10-15mm，如图3所示，从上至下的四条曲线依次表示为L1体外能量发射、L2体内能量接收、L3 体外信号发射、L4体内信号接收，通过L1和L2可知，体外能量发射和体内能量接收的频率是一致的，只是其波峰更小而已，也就是说体外能量可以传递给体内；L4体内信号的曲线趋向于平缓，也就是体内信号线圈基本不受干扰。

四个线圈的形状和位置关系实施例二：

如图4所示，所述第三线圈L3为椭圆环形线圈，所述第二线圈L2包括两个左右相互对称且相连处折弯的四方环形线圈；所述第四线圈L4为椭圆环形线圈，所述第四线圈L4与左边或右边的四方环形线圈同心设置，所述第一线圈L1为椭圆环形线圈，所述第四线圈为倒8字型线圈，所述倒8字型线圈的左右两侧导线的绕向相反。

实施例二的总体原则还是保证主要影响线圈之间的磁通量相互平衡原则：由于体内植入空间限制，因此需要将尺寸做到很小内，确保第三线圈（体内能量线圈）L3与第一线圈（体外能量线圈）L1同心，并能与第二线圈（体外信号线圈）L2实现磁通量平衡，第二线圈（体外信号线圈）L2与体外能量线圈L1采用对称结构，相互之间磁通量平衡，确保信号发射给第四线圈（体内信号线圈）L4，体内信号线圈L4重点排布在靠近体外信号线圈L2对称结构的一边的中心，这样信号能够更好的传递，同时信号回传也能实现较高的传递效率。该方案的优点是占用体积小，信号传递效率稍高。所述倒8字型线圈的左右两侧导线的绕向相反，也就是当期电流大小相等方向相反时，其左右两侧的磁通量是大小相等，方向相反的，也就是左右两侧的磁通量相互抵消。

根据实施例二所提供的四个线圈对其进行实验，体外能量发射线圈L1的发射频率为1MHZ，其发射电压为100V，体外信号线圈L2的发射频率为13.56Hz，其发射电压5V的情况下，体内外线圈均按照实际的使用场景，在距离10-15mm情况下，如图5所示，从上至下的四条曲线依次表示为L1体外能量发射 、L2体内能量接收、 L3 体外信号发射、L4体内信号接收，通过L1和L2可知，体外能量发射和体内能量接收的频率是一致的，只是其波峰更小而已，也就是说体外能量可以传递给体内；L4体内信号的曲线的所有波峰的点连接起来并不是一条光滑的直线，也就是体内信号线圈在发射和接收时会受到一定的干扰，但是这个干扰在可接受的范围内。

具体实施时，所述第四线圈L4在第三线圈L3内的投影面积与第四线圈L4在第三线圈L3外的投影面积相等，所述第四线圈L4耦合时通过第三线圈L3内的投影区域与第三线圈L3外的投影区域的正负磁通量相互抵消。

四个线圈的形状和位置关系实施例三：

如图6所示，所述第一线圈L1和第三线圈L3皆为圆环形线圈，所述第二线圈L2包括两个左右相互对称且相连的四方环形线圈，所述第四线圈L4为倒工字型线圈。

实施例三的总体原则还是保证主要影响线圈之间的磁通量平衡原则: 第二线圈（体外信号线圈）L2和第四线圈（体内信号线圈）L4均设计为异形线圈，加工难度相对大一些，第一线圈（体外能量线圈）L1和第三线圈（体内能量线圈）设计为同心形，能量传递效率更高；体外信号线圈L2和体外能量线圈L1的里外面积均实实现相等，当然也包括线圈实际的面积，从而减低干扰。另外体内信号线圈L4和体内能量线圈L3的里外面积均实现相等，包括线圈实际的面积，从而减低干扰。该方案的优点是信号和能量传递效率高，体积较大些，数据回传面临体外能量线圈的干扰大一些。

四个线圈的形状和位置关系实施例四：

如图7所示，所述第一线圈L1为四方环形线圈，所述第二线圈L2包括呈一字型的中间部线圈及连接在中间部线圈两端的端部环形线圈，所述第三线圈L3为椭圆环形线圈。

实施例四的总体原则还是保证主要影响线圈之间的磁通量平衡原则；第二线圈（体外信号线圈）L2和第四线圈（体内信号线圈）L4均设计为异形线圈，加工难度相对大一些；体外信号线圈L2和体外能量线圈L1的里外面积均实现相等，主要是外部圆弧和内部方形部分实现磁通量平衡，当然也包括线圈实际的面积，从而减低干扰；另外体内信号线圈L4和体内能量线圈L3的里外面积均实现相等，包括线圈实际的面积，从而减低干扰；优点是信号和能量传递效率高，体积较大些，偏向狭长形状，在体内空间尺寸允许情况下，其衍生结构是将体内信号线圈结构进一步拉长，做到和体外能量线圈L1和体内信号线圈L4的面积上里外均平衡，从而解决体外能量L1对体内信号L4数据回传干扰的影响。该方案的优点是能进一步提高信号回传的效率。

当然，该无线能量信号传输系统还可以采用其他的四个线圈的结构方式，其不同的变形都属于本发明所保护的范围内。

外次，由于人体内空间尺寸受限，无法在体外线圈一样进行任意尺寸的线圈设计，故需要在有限尺寸内尽可能绕更多的匝数和层数，使得Q值尽可能大，同时要适合满足体内生物兼容性材料金等材质的绕线涂覆工艺，那么这些线圈就需要采用特性的涂覆工艺以及绕线工艺，在限定的尺寸内尽可能集成更多的线圈匝数，并满足线圈的绝缘性等电器性能。

综上所述，本发明公开了一种用于植入式设备的无线能量信号传输系统，根据磁通量相互抵消的原理，在体内和内外分别设置了两个线圈，其中一对用来实现能量的收发，另一对用来显示数据的传输，在体内有限的尺寸范围内，合理的设置了四个线圈的形状和位置关系，有效的解决了能量线圈与信号线圈之间相互干扰的问题，从而实现了能量和双向数据的无线传输。

显然，以上所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，附图中给出了本申请的较佳实施例，但并不限制本申请的专利范围。本申请可以以许多不同的形式来实现，相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容的理解更加透彻全面。尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所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效替换。凡是利用本申请说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本申请专利保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于植入式设备的无线能量信号传输系统，包括：体外部分和植入体部分，其特征在于，

所述体外部分包括体外能量发射模块和体外信号收发模块，所述植入体部分包括体内能量接收模块和体内信号收发模块；

所述体外能量发射模块连接有第一线圈，所述体内能量接收模块连接有第三线圈，所述体外能量发射模块通过第一线圈与第三线圈的电磁耦合方式将能量传输至体内能量接收模块；

所述体外信号收发模块连接有第二线圈，所述体内信号收发模块连接有第四线圈，所述体外信号收发模块与体内信号收发模块之间通过第二线圈与第四线圈的电磁耦合方式进行双向的信号传输。

2.根据权利要求1所述的用于植入式设备的无线能量信号传输系统，其特征在于，所述体外能量发射模块包括相连的能量控制单元及能量发射单元，所述能量发射单元的输出端与第一线圈电连接；

所述体外信号收发模块包括依次相连的数字信号控制单元、第一模数转换单元及第一数据收发单元，所述第一数据收发单元与第二线圈连接；

所述体内能量接收模块包括相连的能量接收单元及电源处理单元，所述能量接收单元的输入端与第三线圈电连接；

所述体内信号收发模块包括依次相连的第二数据收发单元、第二模数转换单元、刺激输出单元及全局控制单元，所述第二数据收发单元与第四线圈电连接，所述全局控制单元的输出端与第二模数转换单元连接，所述刺激输出单元与人体组织电连接。

3.根据权利要求1或2所述的用于植入式设备的无线能量信号传输系统，其特征在于，所述第一线圈的尺寸大于第三线圈的尺寸，所述第一线圈与第三线圈的投影存在重合；

所述第二线圈的尺寸大于第四线圈的尺寸，所述第二线圈与第四线圈的投影存在重合。

4.根据权利要求3所述的用于植入式设备的无线能量信号传输系统，其特征在于，所述第一线圈与第三线圈同心设置，所述第二线圈在第一线圈内的投影面积与第二线圈在第一线圈外的投影面积相等，所述第二线圈耦合时通过第一线圈内的投影区域与第一线圈外的投影区域的正负磁通量相互抵消。

5.根据权利要求4所述的用于植入式设备的无线能量信号传输系统，其特征在于，所述第三线圈为椭圆环形线圈。

6.根据权利要求5所述的用于植入式设备的无线能量信号传输系统，其特征在于，所述第四线圈包括两个左右相互对称且相连的椭圆环形线圈，所述第四线圈与第三线圈同心设置，所述第三线圈耦合时通过第四线圈左右两边的椭圆环形线圈的正负磁通量相互抵消；

所述第二线圈包括两个左右相互对称且相连的四方环形线圈，所述第一线圈为四方环形线圈。

7.根据权利要求5所述的用于植入式设备的无线能量信号传输系统，其特征在于，所述第二线圈包括两个左右相互对称且相连处折弯的四方环形线圈；

所述第四线圈为椭圆环形线圈，所述第四线圈与左边或右边的四方环形线圈同心设置，所述第一线圈为椭圆环形线圈。

8.根据权利要求4所述的用于植入式设备的无线能量信号传输系统，其特征在于，所述第四线圈在第三线圈内的投影面积与第四线圈在第三线圈外的投影面积相等，所述第四线圈耦合时通过第三线圈内的投影区域与第三线圈外的投影区域的正负磁通量相互抵消。

9.根据权利要求8所述的用于植入式设备的无线能量信号传输系统，其特征在于，所述第一线圈和第三线圈皆为圆环形线圈，所述第二线圈包括两个左右相互对称且相连的四方环形线圈，所述第四线圈为倒工字型线圈。

10.根据权利要求8所述的用于植入式设备的无线能量信号传输系统，其特征在于，所述第一线圈为四方环形线圈，所述第二线圈包括呈一字型的中间部线圈及连接在中间部线圈两端的端部环形线圈，所述第三线圈为椭圆环形线圈，所述第四线圈为倒8字型线圈，所述倒8字型线圈的左右两侧导线的绕向相反。

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