CN112467892A - 基于多天线阵列的植入式医疗电子设备的充电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于多天线阵列的植入式医疗电子设备的充电系统，包括多天线阵列发射模组和植入式充电模块，多天线阵列发射模组包括时钟分配系统、8个通用软件无线电平台、8个功率放大器和8个射频识别天线，每个通用软件无线电平台内部分别配备有射频子板，8个射频子板的发射频率分别通过与其对应的通用软件无线电平台进行设置为各不相同，每个通用软件无线电平台的UHD驱动程序中安装有波束形成算法，时钟分配系统同步提供8路时钟信号，8个通用软件无线电平台与8个功率放大器一一对应连接，8个功率放大器与8个射频识别天线一一对应连接，植入式充电模块采用微型RFID标签实现；优点是不存在安全隐患，且充电效率较高。

Description

基于多天线阵列的植入式医疗电子设备的充电系统
技术领域
本发明涉及一种植入式医疗电子设备的充电系统，尤其是涉及一种基于多天线阵列的植入式医疗电子设备的充电系统。
背景技术
近年来，植入性医疗电子设备逐渐取代传统的便携式医疗电子设备，成为全球医疗研发热点。相比于传统的便携式医疗电子设备，植入式医疗电子设备在外型或使用上更为灵巧方便，且能够实时监测健康状况，甚至能预知疾病。如植入式心脏起搏器，植入式心脏起搏器是一种植入于体内的电子治疗仪器，其通过脉冲发生器发放由电池提供能量的电脉冲，该电脉冲通过导线传导至电极，刺激电极所接触的心肌，使心脏激动和收缩，从而达到治疗由于某些心律失常所致的心脏功能障碍的目的，还可预防如阵发性房性快速心律失常和颈动脉窦晕厥等心脏疾病。
传统的植入式医疗电子设备主要包括两部分：医疗功能模块和供电模块。医疗功能模块和供电模块均植入人体内，医疗功能模块完成特定医疗功能，供电模块为医疗功能模块供电。植入式医疗电子设备的供电模块由单一电池构成，由于电池的电量终有耗尽的时候，当电池电量耗尽的时候就需更换电池。然而，植入式医疗电子设备中电池的更换，并不像消费电子设备那么简单。电池位于人体内，需要进行手术才能进行更换。对于患者来说，这又将是一次痛苦的体验，甚至还会有感染的风险。此外，电池含有有毒物质，在更换过程中万一发生泄漏，则会危及患者健康。如果通过增加电池容量来延长电池使用时间，势必会增加电池体积，最终导致植入式医疗电子设备的尺寸增加，影响整体设计和性能。在保证电池具有较小体积的基础上，如何挺高电池的使用寿命，避免频繁更换电池对患者造成伤害已成为植入式医疗电子设备当前亟待解决的问题。
目前，已有研究人员提出了通过对植入式医疗电子设备的电池进行充电的方式，来保证电池具有足够的电量，从而避免电池的频繁更换。如图1所示，现有的植入式医疗电子设备主要包括三部分：医疗功能模块、采用电池实现的供电模块和用于为电池充电的充电系统。充电系统分别两部分，一部分是设置在体内的充电模块和体内感应线圈，另一部分是设置在体外的射频天线和体外感应线圈，充电模块与供电模块连接。在对电池充电时，将体外感应线圈贴在人体皮肤表面，且其位置位于体内感应线圈的正上方，并与体内感应线圈平行，发射天线产生的射频信号进入体外感应线圈后产生交变磁场，体内感应线圈由于交变磁场的存在而感应交流电流，植入式充电模块将交流电流转换成直流电压对供电模块进行充电。现有的植入式医疗电子设备的充电系统在充电时体外感应线圈与人体保持紧贴，而体外感应线圈不可避免会产生热量，一旦热量过大，将导致与体外感应线圈紧贴的人体组织烫伤，存在安全隐患。并且，当体外感应线圈与体内感应线圈保持平行时，体内感应线圈才能产生较大的交流电流，使充电系统具有较高的充电效率。但是，由于人体的特殊性，在实际操作过程中体外感应线圈与体内感应线圈的平行很难保证，以致充电效率并不高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种不存在安全隐患，且充电效率较高的基于多天线阵列的植入式医疗电子设备的充电系统。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于多天线阵列的植入式医疗电子设备的充电系统，包括设置在体外的多天线阵列发射模组和设置在体内的植入式充电模块，所述的多天线阵列发射模组包括时钟分配系统、8个通用软件无线电平台、8个功率放大器和8个射频识别天线，每个所述的通用软件无线电平台内部分别配备有射频子板，8个所述的射频子板的发射频率分别通过与其对应的通用软件无线电平台进行设置，且设置为各不相同，分别设置为915MHz、922MHz、935MHz、964MHz、983MHz、988MHz、1005MHz和1028MHz，每个所述的通用软件无线电平台的UHD驱动程序中安装有波束形成算法，8个所述的通用软件无线电平台分别与所述的时钟分配系统连接，所述的时钟分配系统同步提供8路时钟信号，8路时钟信号一一对应输入8个所述的通用软件无线电平台中作为同步参考信号，8个所述的通用软件无线电平台与8个所述的功率放大器一一对应连接，8个所述的功率放大器与8个所述的射频识别天线一一对应连接，所述的植入式充电模块采用微型RFID标签实现；
在对供电模块进行充电时，所述的时钟分配系统产生8路时钟信号控制8个所述的通用软件无线电平台同步驱动其上配备的8个射频子板，8个所述的射频子板按照其发射频率同步产生一个射频信号，每个所述的通用软件无线电平台将其对应的射频子板产生的射频信号送入与其连接的功率放大器中，8个所述的功率放大器分别对送入其内的射频信号进行放大后送入与其连接的射频识别天线中，8个所述的射频识别天线分别将送入其内的射频信号发射到外部环境，此时外部环境中产生了8路射频发射信号，每个所述的通用软件无线电平台和所述的微型RFID标签均从外部环境中捕获到这8路射频发射信号，此时每个所述的通用软件无线电平台从其捕获的8路射频发射信号中找到其对应的1路射频发射信号，将该路射频发射信号采用其内安装的波束形成算法进行方向调节，使该路射频发射信号的发射方向对准所述的微型RFID标签，从而调整所述的微型RFID标签捕获到的8路射频发射信号的方向，使所述的微型RFID标签获取的的射频能量最大，所述的微型RFID标签将射频能量转化为直流电压为供电模块充电。
所述的时钟分配系统采用Ettus公司生产的型号为CDA-2900Octoclock的高精度时钟源实现，8个所述的通用软件无线电平台均采用Ettus公司生产的型号为USRP N210(Universal Software Radio Peripheral N210)的通用软件无线电平台实现，8个所述的功率放大器分别采用亚德诺(ADI)半导体公司生产的型号为HMC453QS16的功率放大器实现，8个所述的射频识别天线分别采用MTI公司生产的型号为MT242025的射频识别天线实现，每个所述的射频子板分别采用Ettus公司生产的型号为SBX-40的射频子板实现，所述的微型RFID标签采用Xerafy公司生产的型号为Dash-On XS的微型RFID标签实现。
与现有技术相比，本发明的优点在于通过设置在体外的多天线阵列发射模组和设置在体内的植入式充电模块，多天线阵列发射模组包括时钟分配系统、8个通用软件无线电平台、8个功率放大器和8个射频识别天线构建充电系统，每个通用软件无线电平台内部分别配备有射频子板，8个射频子板的发射频率分别通过与其对应的通用软件无线电平台进行设置，且设置为各不相同，分别设置为915MHz、922MHz、935MHz、964MHz、983MHz、988MHz、1005MHz和1028MHz，每个通用软件无线电平台的UHD驱动程序中安装有波束形成算法，8个通用软件无线电平台分别与时钟分配系统连接，时钟分配系统同步提供8路时钟信号，8路时钟信号一一对应输入8个通用软件无线电平台中作为同步参考信号，8个通用软件无线电平台与8个功率放大器一一对应连接，8个功率放大器与8个射频识别天线一一对应连接，植入式充电模块采用微型RFID标签实现，在对供电模块进行充电时，时钟分配系统产生8路时钟信号控制8个通用软件无线电平台同步驱动其上配备的8个射频子板，8个射频子板按照其发射频率同步产生一个射频信号，每个通用软件无线电平台将其对应的射频子板产生的射频信号送入与其连接的功率放大器中，8个功率放大器分别对送入其内的射频信号进行放大后送入与其连接的射频识别天线中，8个射频识别天线分别将送入其内的射频信号发射到外部环境，此时外部环境中产生了8路射频发射信号，每个通用软件无线电平台和微型RFID标签均从外部环境中捕获到这8路射频发射信号，此时每个通用软件无线电平台从其捕获的8路射频发射信号中找到其对应的1路射频发射信号，将该路射频发射信号采用其内安装的波束形成算法进行方向调节，使该路射频发射信号的发射方向对准微型RFID标签，从而调整微型RFID标签捕获到的8路射频发射信号的方向，使微型RFID标签获取的的射频能量最大，微型RFID标签将射频能量转化为直流电压为供电模块充电，由此本发明中通过8个射频子板、8个功率放大器和8个射频识别天线构成多天线阵列，多天线阵列发射的射频信号传播范围较大，避免了与身体组织的直接接触，不存在烫伤身体组织的安全隐患，而且8个通用软件无线电平台及每个通用软件无线电平台中设置的波束形成算法的配合，使8个射频识别天线发射的射频发射信号都能对准微型RFID标签，即将8个射频识别天线的能量聚焦在微型RFID标签上，由此使微型RFID标签捕获的射频能量最大化，提高充电系统的充电效率，由此，本发明不存在安全隐患，且充电效率较高。
附图说明
图1为采用现有的充电系统实现的植入式医疗电子设备的结构框图；
图2为采用本发明的充电系统实现的植入式医疗电子设备的结构框图；
图3为本发明的基于多天线阵列的植入式医疗电子设备的充电系统的结构图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例：如图2和图3所示，一种基于多天线阵列的植入式医疗电子设备的充电系统，包括设置在体外的多天线阵列发射模组和设置在体内的植入式充电模块，多天线阵列发射模组包括时钟分配系统、8个通用软件无线电平台(U1-U8)、8个功率放大器(V1-V8)和8个射频识别天线(N1-N8)，每个通用软件无线电平台内部分别配备有射频子板，8个射频子板的发射频率分别通过与其对应的通用软件无线电平台进行设置，且设置为各不相同，分别设置为915MHz、922MHz、935MHz、964MHz、983MHz、988MHz、1005MHz和1028MHz，每个通用软件无线电平台的UHD驱动程序中安装有波束形成算法，8个通用软件无线电平台分别与时钟分配系统连接，时钟分配系统同步提供8路时钟信号，8路时钟信号一一对应输入8个通用软件无线电平台中作为同步参考信号，8个通用软件无线电平台与8个功率放大器一一对应连接，8个功率放大器与8个射频识别天线一一对应连接，植入式充电模块采用微型RFID标签实现；在对供电模块进行充电时，时钟分配系统产生8路时钟信号控制8个通用软件无线电平台同步驱动其上配备的8个射频子板，8个射频子板按照其发射频率同步产生一个射频信号，每个通用软件无线电平台将其对应的射频子板产生的射频信号送入与其连接的功率放大器中，8个功率放大器分别对送入其内的射频信号进行放大后送入与其连接的射频识别天线中，8个射频识别天线分别将送入其内的射频信号发射到外部环境，此时外部环境中产生了8路射频发射信号，每个通用软件无线电平台和微型RFID标签均从外部环境中捕获到这8路射频发射信号，此时每个通用软件无线电平台从其捕获的8路射频发射信号中找到其对应的1路射频发射信号，将该路射频发射信号采用其内安装的波束形成算法进行方向调节，使该路射频发射信号的发射方向对准微型RFID标签，从而调整微型RFID标签捕获到的8路射频发射信号的方向，使微型RFID标签获取的的射频能量最大，微型RFID标签将射频能量转化为直流电压为供电模块充电。
本实施例中，时钟分配系统采用Ettus公司生产的型号为CDA-2900Octoclock的高精度时钟源实现，8个通用软件无线电平台均采用Ettus公司生产的型号为USRP N210(Universal Software Radio Peripheral N210)的通用软件无线电平台实现，8个功率放大器分别采用亚德诺(ADI)半导体公司生产的型号为HMC453QS16的功率放大器实现，8个射频识别天线分别采用MTI公司生产的型号为MT242025的射频识别天线实现，每个射频子板分别采用Ettus公司生产的型号为SBX-40的射频子板实现，微型RFID标签采用Xerafy公司生产的型号为Dash-On XS的微型RFID标签实现。

Claims (2)

1.一种基于多天线阵列的植入式医疗电子设备的充电系统，其特征在于包括设置在体外的多天线阵列发射模组和设置在体内的植入式充电模块，所述的多天线阵列发射模组包括时钟分配系统、8个通用软件无线电平台、8个功率放大器和8个射频识别天线，每个所述的通用软件无线电平台内部分别配备有射频子板，8个所述的射频子板的发射频率分别通过与其对应的通用软件无线电平台进行设置，且设置为各不相同，分别设置为915MHz、922MHz、935MHz、964MHz、983MHz、988MHz、1005MHz和1028MHz，每个所述的通用软件无线电平台的UHD驱动程序中安装有波束形成算法，8个所述的通用软件无线电平台分别与所述的时钟分配系统连接，所述的时钟分配系统同步提供8路时钟信号，8路时钟信号一一对应输入8个所述的通用软件无线电平台中作为同步参考信号，8个所述的通用软件无线电平台与8个所述的功率放大器一一对应连接，8个所述的功率放大器与8个所述的射频识别天线一一对应连接，所述的植入式充电模块采用微型RFID标签实现；
在对供电模块进行充电时，所述的时钟分配系统产生8路时钟信号控制8个所述的通用软件无线电平台同步驱动其上配备的8个射频子板，8个所述的射频子板按照其发射频率同步产生一个射频信号，每个所述的通用软件无线电平台将其对应的射频子板产生的射频信号送入与其连接的功率放大器中，8个所述的功率放大器分别对送入其内的射频信号进行放大后送入与其连接的射频识别天线中，8个所述的射频识别天线分别将送入其内的射频信号发射到外部环境，此时外部环境中产生了8路射频发射信号，每个所述的通用软件无线电平台和所述的微型RFID标签均从外部环境中捕获到这8路射频发射信号，此时每个所述的通用软件无线电平台从其捕获的8路射频发射信号中找到其对应的1路射频发射信号，将该路射频发射信号采用其内安装的波束形成算法进行方向调节，使该路射频发射信号的发射方向对准所述的微型RFID标签，从而调整所述的微型RFID标签捕获到的8路射频发射信号的方向，使所述的微型RFID标签获取的的射频能量最大，所述的微型RFID标签将射频能量转化为直流电压为供电模块充电。
2.根据权利要求1所述的基于多天线阵列的植入式医疗电子设备的充电系统，其特征在于所述的时钟分配系统采用Ettus公司生产的型号为CDA-2900Octoclock的高精度时钟源实现，8个所述的通用软件无线电平台均采用Ettus公司生产的型号为USRP N210(Universal Software Radio Peripheral N210)的通用软件无线电平台实现，8个所述的功率放大器分别采用亚德诺(ADI)半导体公司生产的型号为HMC453QS16的功率放大器实现，8个所述的射频识别天线分别采用MTI公司生产的型号为MT242025的射频识别天线实现，每个所述的射频子板分别采用Ettus公司生产的型号为SBX-40的射频子板实现，所述的微型RFID标签采用Xerafy公司生产的型号为Dash-On XS的微型RFID标签实现。
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