CN111262010A - 一种天线及通过天线进行无线通信的植入医疗装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天线及一种借助天线进行无线通信的植入医疗装置，所述医疗设备包含:设备外壳、混合电路、天线以及馈通组件，所述天线设计为立体三维的形状，最大程度增加了天线的辐射口径，减小了天线二维面积，通过耦合将导电壳体变为部分辐射部件，实现数据的传输，提高了能量传输效率和数据的传输距离。

Description

一种天线及通过天线进行无线通信的植入医疗装置

技术领域

本发明涉及一种天线，该天线能够被封装于植入式医疗装置，通过馈通组件与植入式医疗装置的混合电路连接，实现植入式医疗装置和体外远程设备的远场通信，适用于医疗器械和临床领域。

背景技术

植入式医疗设备(植入体)普遍存在提供诊断或治疗能力。植入式心脏除颤器(ICD)、植入式心脏监视器(ICM)、植入式心脏起搏器(Cardiac Pacemaker)、无导线植入心脏起搏器、皮下式植入心脏除颤器(SICD)以及各种组织、器官和神经刺激器或传感器等三类有源植入产品，一般需要医生或专业人员用体外程控仪与植入体刺激器之间实现无线通讯，完成数据传输，植入体软件升级，紧急停止等可能的功能。本发明目的是解决无线通讯的效率和通讯质量，提高无线传输效率，避免出现通讯不畅或失败。

传统的通讯方式通过电感近场耦合的方式，在几厘米的距离下进行无线通讯，这种方式的缺点是：通讯距离太近，使用方式受限且数据率较低，数据率一般在数千或数十千比特。

随着技术的进步，植入体电路与体外程控仪和其他遥控设备的远程通讯变得可能，并且越来越普遍的应用在设备控制、数据传输和实时监控等方面，植入体与体外设备能够在数米的距离下进行通讯。作为通讯的硬件基础之一，植入体天线被放置在壳体外的连接头内，这样可以保证天线辐射的能量不被金属壳体吸收，并最大限度地被传导出去。

随着电路和结构愈发的集成化和小型化，天线的物理空间受到限制。一般来说，通讯距离与天线的辐射效率/增益，发射端天线的发射功率，接收端天线的灵敏度有关。天线的效率/增益与天线的大小存在正相关。为了最大程度的增加天线效率，增加最大传输距离，设计人员提出了各种方案。例如，修改通讯频率和解码方式，使得在相同硬件条件下系统对信号有更好的敏感度；或者尝试设计方向性更好的天线，以期待在某一方向上达到较好的效率；或者增加匹配网络以达到更小的回波损耗和更好的辐射效率，在特定频率下可以实现更远的传输距离。这些方法通常是不可取的，因为他们要么在实际情况中偏离了植入体在法规中所允许的通讯频段，要么在手术过程中需要额外的要求，要么在变化的环境中很难保持通讯的稳定性，并且增加所需要使用的器件。

一般来说，为了达到较理想的天线效率，天线的总长需要至少四分之一至二分之一个波长。天线长度的减小会降低天线的辐射阻抗，从而使天线和源端的匹配以及和空气阻抗的耦合变得更加困难，从而显著降低天线效率。本示例提出了一种增加天线有效辐射效率的方案，该天线通过在三维空间多次弯折并和壳体进行耦合，以获得更好的辐射能力。

发明内容

本发明提供了一种天线，该天线包括三个部分，第一部分包含两个L型段ABC和DEF及连接两个L型段短边的圆弧段CD。所述两L型段ABC和DEF所在平面相互垂直，所述两个L型段两边AB和EF长度不相同，且位于两短边BC和DE所在平面的同一侧，第二部分为处于同一平面的一个弯折段GH，所述弯折段所在平面与第一部分中两个L型段所在平面都垂直，第三部分为一个圆弧段FG，将所述第一部分的L型段的最长边EF与第二部分的弯折段GH连接。

所述天线为MICS的微波通讯，工作频率为MICS 402MHz到405MHz。

所述天线为单极天线，没有相应的对偶结构。

所述天线的弯折段包含垂直Z型、连续多个垂直Z型、水平Z型、连续多个水平Z型、水平梯形、连续多个水平梯形、垂直梯形、连续多个垂直梯形、水平W型、连续多个水平W型、垂直W型、连续多个垂直W型。

所述天线第一部分的圆弧段CD与第三部分圆弧段FG所在平面垂直，所述第三部分圆弧段FG与所述第一部分中有较短长边的L型段所在平面平行。

本发明提供了一种可植入医疗装置，所述医疗装置(医疗设备)由装置外壳(设备外壳)、混合电路、天线以及馈通组件四个部分构成，所述天线包括三个部分，第一部分包含两个L型段ABC和DEF及连接两个L型段短边的圆弧段CD。所述两L型段ABC和DEF所在平面相互垂直，所述两个L型段两边AB和EF长度不相同，且位于两短边BC和DE所在平面的同一侧，第二部分为处于同一平面的一个弯折段GH，所述弯折段所在平面与第一部分中两个L型段所在平面都垂直，第三部分为一个圆弧段FG，将所述第一部分的L型段的最长边EF与第二部分的弯折段GH连接。

所述天线通过馈通组件与所述医疗装置主体连接并被封装于所述馈通组件内。

所述植入医疗装置的辐射部分由天线本体及植入体壳体共同构成。

所述植入医疗装置和体外程控仪分别有一套硬件配置，包括射频天线，射频芯片和相应的软件进行配置。

所述天线通过由一圆弧段和一平面段连接构成的段面和医疗装置主体连接。

所述医疗装置的边缘线与所述天线第一部分中含有较短长边的L型段所在平面平行。

所述天线在与壳体平行的下方进行最后一次翻折，平行部分可以通过耦合将壳体变为部分辐射部件，提高了信号传输效率。

本发明公开描述了一种能够通过天线实现和体外远程设备之间信号传输的植入式医疗装置。在一些示例中，该植入式医疗装置能够自动完成对心脏内部的心电信号参数感知的触发，例如，没有从外部源发起的触发输入，例如基于从患者发起的或由医生从外部设备发起的请求，并且至少部分地基于患者的一个或多个生理参数，将感知的生理参数传输给外源性远场设备。

附图说明

图1为一种天线的立体结构示意图。

图2为从图1中R箭头所示方向看天线的立体结构示意图。

图3为另一种天线的立体结构示意图。

图4为植入医疗设备外观结构及其植入心脏内部时各部分组件在心脏中所处相对位置的示意图。

图5为图1所示天线的一种固定方法的天线结构示意图。

图6为图1所示天线安装到可植入医疗装置ICD的位置结构示意图。

图7为从图6中箭头T方向看天线安装到可植入医疗装置ICD的位置结构示意图。

具体实施方式

图1为一种天线的立体结构示意图。以图1所示的天线为实施例，说明该天线在植入式医疗装置中的具体操作过程。为了方便说明和描述，图1从天线一端向另一端按照字母A、B、C、D、E、F、G、H、I、J将天线的各个节点处进行标记。天线包含三个部分，第一部分为从字母A到F标记的部分，包含两个L型段ABC和DEF及连接两个L型段短边的圆弧段CD。结合图6可以看到，所述两个L型段ABC和DEF所在的平面即平面Ⅱ和平面Ⅲ相互垂直，所述两个L型段的两边AB和EF长度不相同，且位于两短边BC和DE构成平面即平面Ⅰ的同一侧。第二部分为从字母G到J的部分，包括处于同一平面的一个弯折段GH。第三部分为一个圆弧段FG，将所述第一部分的L型段的最长边的端点F与第二部分的弯折段起点G连接。天线第一部分的圆弧段CD所在平面Ⅰ与第三部分圆弧段FG所在平面Ⅱ垂直，所述第三部分圆弧段FG与所述第一部分中有较短长边的L型段DEF所在平面Ⅲ平行。天线整体构成一个单极天线，没有反射板部分。单极天线的最大特点是能在很宽的频带上提供令人满意的辐射特性，同时具有结构简单、重量轻、馈电结构简单、便于分析、全向特性好等诸多优点。天线的原材料可以选择铜板，也可以选择镀锡钢板。天线的工作原理为MICS的微波通讯，天线工作的频率为从MICS402MHz到MICS 405MHz。通过高频率增加天线有效辐射效率，通过在三维空间多次弯折以获得更好的辐射能力。该天线能够被封装于植入式心脏除颤器、植入式心脏监视器、植入式心脏起搏器、无导线植入心脏起搏器、皮下式植入心脏除颤器以及各种组织，器官和神经刺激器或传感器等植入式医疗装置，其中天线安装到皮下式植入心脏除颤器的结构示意图见图5和图6。天线与植入医疗装置内部电路板连接进行通信，实现植入式医疗装置和体外远程设备的远场通信。天线的宽度可以根据所使用的植入医疗装置进行调整，可以通过将图1天线主体结构上任何一段拓宽并选择适当的方式进行固定，包含的固定方式有：通过打孔进行机械结构固定、胶水粘接、螺栓连接、焊接、铆接，轴与孔的配合过盈配合、轴与孔的配合过渡配合间隙配合及加键连接再用螺纹压紧等。天线应该被封装于植入医疗装置内部且天线长度应该尽可能长，加强天线的信号传输灵敏度。

图2为从图1中R箭头所示方向看天线的立体结构示意图。天线第二部分为一个弯折段GH，该弯折段处于同一平面内，图2所示了弯折段的一种形状，实际操作过程中，弯折段除了可以设计为图2所示的垂直梯形以外，还可以设计为垂直Z型、连续多个垂直Z型、水平Z型、连续多个水平Z型、水平梯形、连续多个水平梯形、连续多个垂直梯形、水平W型、连续多个水平W型、垂直W型、连续多个垂直W型中的一种或者几种之间的组合。但需要保证所述各种形状的弯折段所在平面Ⅰ与第一部分中两个L型段ABC和DEF所在平面Ⅱ和Ⅲ都垂直。

图3为另一种天线的立体结构示意图。为了方便说明和描述，图3从天线一端向另一端按照字母a、b、c、d、e、f将天线的各个节点处进行标记。天线包含三个部分，第一部分为从字母a到b标记的部分，为一个S形段。图3与图1的区别之处仅在于天线第一部分。图3第二部分为从字母b到c的部分，包括处于同一平面的一个弯折段cd。第三部分为一个圆弧段bc，将所述第一部分的S型段与第二部分的弯折段连接。天线第一部分的S形段ab所在平面Ⅰ与第三部分圆弧段bc所在平面Ⅱ垂直。天线通过由圆弧段de和平面段ef构成的整体结构和设备混合电路连接。

植入式医疗设备(植入体)普遍存在提供诊断或治疗能力。植入式心脏除颤器、植入式心脏监视器、植入式心脏起搏器、无导线植入心脏起搏器、皮下式植入心脏除颤器以及各种组织、器官和神经刺激器或传感器等三类有源植入产品，一般需要医生或专业人员用体外程控仪与植入体刺激器之间实现无线通讯，完成数据传输，植入体软件升级，紧急停止等可能的功能。本实施例以ICD为例，说明天线在植入式医疗装置中的工作方案。

图4为ICD100的外观结构及其植入心脏内部时各部分组件在心脏中所处相对位置的示意图。ICD由装置外壳105、装置外壳中的混合电路、天线以及馈通组件四个部分构成。天线封装于ICD头部结构107的馈通组件内，所述馈通组件内部不仅封装有天线馈通，还封装有导线馈通。导线馈通见图5中ICD头部结构，导线馈通与导线115连接，通过天线将ICD主体电路板与心脏接通对心电信号参数进行感知或通过点击进行治疗。装置外壳内部通常包括电源、电容、混合电路，混合电路通常由芯片通过程序编码的方式实现。ICD功能的发挥可以通过两种方式实现，一种为ICD机体内部自动式调控，不需要人为手动触发和控制，能够自动实现。另一种通过外部程控设备190发出通讯信号185实现，ICD的外部程控设备一般为程控仪、患者助手或者其他等能够对其下达指令或者感知其内部信号的器件。ICD和外部程控设备190之间的通讯方式可以是有线通讯、蓝牙、WIFI、LTE或CDMA等无线通讯网络中的一种或者多种。图1所示ICD导线115为单导线，临床使用过程中还可能是双导线、三导线、四导线，导线的基本结构与导线115类似。导线115由线圈118电极120A和电极120B构成，线圈118通过连接器107与ICD主体相连，线圈的功能为：通过放电达到感知或者治疗的目的。电极120A和电极120B对心脏事件的信号参数进行感测，电极120B也叫螺旋头，内部含有螺旋状的线圈。导线上的电极螺旋120A在使用前旋在导线外围的绝缘材料内部，在植入人体心脏内部前可以从导线另一端旋出，使得导线的120A电极端与心脏内部的心肌组织固定。电极导线需要通过绝缘材料硅胶、聚氨酯或环氧树脂等材料进行包覆。

图5为图1所示天线的一种固定方法的天线结构示意图。图5中虚线代表虚线括住的天线部分，不代表平面。图5和图1中天线的区别之处在于虚线括住的部分208，图4天线在图1所示天线第一部分L段DEF的长边EF部分进行了进一步加工。图4天线202将图2天线中L段DEF的长边EF段部分宽度拓宽，并在拓宽的段面204上进行打孔206，孔的个数为0到10个，孔大小可以结合具体医疗装置的大小进行调整，天线的孔用于将固定天线固定在ICD头部内。固定方式可以选择通过胶水粘接、螺栓连接、焊接、铆接，轴与孔的配合过盈配合、轴与孔的配合过渡配合间隙配合及加键连接再用螺纹压紧等。

图6为图1所示天线安装到可植入医疗装置ICD的位置结构示意图。316为医疗装置的装置外壳，装置外壳内部含有混合电路，完成植入装置对心电参数的感知和通信功能。ICD的头部内封装有馈通组件，所述馈通组件包含天线馈通和导线馈通。天线馈通为连接天线和设备主体的组件。天线320一端通过天线馈通经部位312与设备主体内部电路板连接，另一端开放或者连接刺激器内部电路形成回路。导线馈通过1到5根导线308与设备主体316内部的混合电路连接，所述导线接入混合电路的位置设计到一个范围区域，本图所示接入的区域为310。导线馈通组件中含有四个硅胶绝缘体318将三个导体302隔开，防止导体之间连通而造成设备短路。天线通过由一圆弧段HI和一平面段IJ连接构成的整体结构和医疗装置混合电路连接。314为地线，将设备内部的电路板接地，形成回路，进行无线信号的传输。ICD和体外程控仪分别有一套硬件配置，包括射频天线，射频芯片和相应的软件配置。导线馈通上的304为固定组件，固定方式包括：胶水粘接固定、机械结构固定、螺栓连接、焊接和铆接。同时固定结构304须为具备导电功能的导电体，将天线320与植入医疗装置内部的电路板进行连接，使天线与装置内部的电路接通，发挥无线通信功能。

图7为从图6中箭头T方向看天线安装到可植入医疗装置ICD的位置结构示意图。图7中虚线代表虚线框所在的平面，每四条虚线围成一个虚线框，一个虚线框位于一个平面，图中三个虚线框代表三个虚线框分别所在的三个平面，此三个平面两两相互垂直。天线406在与ICD壳体平行的下方进行最后一次翻折，且天线406第一部分中含有较短长边的L型段DEF所在平面Ⅲ与天线壳体边缘线平行，与人体组织直接接触的装置壳体402材料为能够导电的金属钛，平行部分AB可以通过耦合将壳体402变为部分辐射部件，使得天线本体320和植入体壳体316共同构成植入医疗装置的辐射部分，提高了信号传输效率。ICD头部的导线馈通上含有四个硅胶绝缘体404，与图3中的318相同。标号408为安装到图3中304组件上的固定部位，通过固定将导线馈通固定在植入医疗装置ICD的头部。固定部位408的固定方式包括：机械结构固定、胶水粘接、螺栓连接、焊接、铆接，轴与孔的配合过盈配合、轴与孔的配合过渡配合间隙配合及加键连接再用螺纹压紧等。

本发明公开了一种可应用于植入医疗装置的无线通信的异形天线，本发明将天线设计为立体三维的形状，所述医疗装置的天线在与壳体平行的下方进行最后一次翻折，平行部分能增加天线和壳体之间的电容，可以通过耦合将壳体变为部分辐射部件，最大程度增加了天线的辐射口径，减小了天线二维面积，提高了辐射效率，提高了能量传输效率和数据的传输距离。

Claims (13)

1.一种天线，其特征在于，所述天线包括三个部分，第一部分包含两个L型段和连接两个L型段短边的圆弧段(CD)，所述两个L型段所在的平面相互垂直，所述两个L型段两边的长度不同，且位于两短边构成平面的同一侧；第二部分为处于同一平面的一个弯折段，所述弯折段所在平面与第一部分中两个L型段所在平面都垂直；第三部分为一个圆弧段(FG)，将所述第一部分的L型段的最长边与第二部分的弯折段连接。

2.如权利要求1所述的一种天线，其特征在于，所述天线为MICS的微波通讯，工作频率为MICS 402MHz到405MHz。

3.如权利要求2所述的一种天线，其特征在于，所述天线为单极天线，无对偶结构，为单馈点结构。

4.如权利要求3所述的一种天线，其特征在于，所述天线的弯折段包含垂直Z型、连续多个垂直Z型、水平Z型、连续多个水平Z型、水平梯形、连续多个水平梯形、垂直梯形、连续多个垂直梯形、水平W型、连续多个水平W型、垂直W型、连续多个垂直W型。

5.如权利要求4所述的一种天线，其特征在于，所述天线第一部分的圆弧段(CD)与第三部分圆弧段(FG)所在平面垂直，所述第三部分圆弧段(FG)与所述第一部分中有较短长边的L型段所在平面平行。

6.如权利要求5所述的一种天线，其特征在于，所述天线弯折段末端通过一圆弧段(HI)和一平面段(IJ)连接而成的整体结构和主体设备连接。

7.一种可植入医疗装置，其特征在于，所述医疗装置由装置外壳、混合电路、天线以及馈通组件四个部分构成，所述天线包括三个部分，第一部分包含两个L型段和连接两个L型段短边的圆弧段(CD)，所述两个L型段所在的平面相互垂直，所述两个L型段两边的长度不同，且位于两短边构成平面的同一侧；第二部分为处于同一平面的一个弯折段，所述弯折段所在平面与第一部分中两个L型段所在平面都垂直；第三部分为一个圆弧段(FG)，将所述第一部分的L型段的最长边与第二部分的弯折段连接。

8.如权利要求7所述的一种可植入医疗装置，其特征在于，所述天线通过馈通组件与所述医疗装置主体连接并被封装于所述馈通组件内。

9.如权利要求8所述的一种可植入医疗装置，其特征在于，所述植入医疗装置的辐射部分为天线本体及植入体壳体。

10.如权利要求9所述的一种可植入医疗装置，其特征在于，所述植入医疗装置包括混合电路模块，所述混合电路模块包括射频天线，射频芯片和相应的软件配置，其中植入体射频部分包含天线调试芯片。

11.如权利要求7所述的一种可植入医疗装置，其特征在于，所述天线通过由一圆弧段和一平面段连接构成的段面和医疗装置主体连接。

12.如权利要求11所述的一种可植入医疗装置，其特征在于，所述医疗装置的边缘线与所述天线第一部分中含有较短长边的L型段所在平面平行。

13.如权利要求12所述的一种可植入医疗装置，其特征在于，所述天线在与壳体平行的下方进行最后一次翻折。

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