CN113241860A - 可植入设备及其无线电能传输装置 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种可植入设备及其无线电能传输装置，该无线电能传输装置包括电能发射单元以及电能接收单元，其中，131kHz≤该无线电能传输装置的谐振频率≤660kHz。本申请基于人体电磁安全性，以电能传输时人体组织的比吸收率(SAR)和温升为参考，通过仿真确定了无线电能传输装置的安全工作频段，保证了植入式无线电能传输装置的电磁安全性。
Description
本申请是申请号为201810580055.2、名称为“可植入设备及其无线电能传输装置”的中国发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及无线充电领域，具体的，涉及一种可植入设备及其无线电能传输装置。
背景技术
随着医疗技术的进步，越来越多的可植入设备得以广泛的应用，例如心脏起搏器、心脏除颤器、脑起搏器等可植入设备。
目前，可植入设备普遍使用一次性电池供电，当电池能量不足时，需要二次手术更换电池，给病人带来痛苦和经济负担。因此，可植入设备的供电一直是可植入设备需要解决的关键技术问题之一，无线充电是可植入设备供电可选的解决方案之一。
无线电能传输技术是一种新型能量供给技术，备受国内外专家学者的关注。磁耦合谐振无线电能传输技术，相比于传输功率小的微波能量传输和传输距离小的电磁感应式无线能量传输技术，是当前在传输距离和传输功率上具有优势的一种无线能量传输技术。因此，将磁耦合谐振无线电能传输技术应用于可植入式设备已成为该领域的发展趋势。
然而，在可植入设备无线供能时，不可避免地会产生电磁辐射，可能对人体带来影响，存在电磁安全性问题。其中，比吸收率(Specific Absorption Rat，SAR)和温升△T是评估人体电磁安全性指标中的两项重要指标，在温升方面，当体温达到41℃时，一部分人会出现抽搐，43℃被认为是绝对致死温度。在SAR方面，国际非电离辐射委员会(ICNIRP)与电气和电子工程师协(IEEE)规定，每10g组织平均SAR值不能超过10W/kg。
因此，如何使得可植入设备及其无线电能传输装置具有较高的电磁安全性，成为本领域需要解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本申请提出了一种可植入设备及其无线电能传输装置。
根据本申请的一个方面，提出了一种可植入设备的无线电能传输装置，该电能传输装置包括电能发射单元以及电能接收单元，131kHz≤该无线电能传输装置的谐振频率≤660kHz。
可选地，200kHz≤该无线电能传输装置的谐振频率≤500kHz。
可选地，该无线电能传输装置处于谐振状态时，补偿电路阻抗匹配需满足如下表达式：
其中的ω为无线电能传输装置的谐振角频率，Cf1为电能发射单元的第一补偿电容，C1为电能发射单元的第二补偿电容，Lf1为电能发射单元的补偿电感，L1为电能发射单元的发射线圈的电感，C2为电能接收单元的补偿电容，L2为电能接收单元的接收线圈的电感；
第二补偿电容和发射线圈串联，第一补偿电容与串联的第二补偿电容和发射线圈并联后再与第一补偿电感串联；
电能接收单元的补偿电容与接收线圈串联。
可选地，所述接收线圈设置于所述可植入设备的壳体上，所述接收线圈与所述可植入设备的壳体之间设置有铁氧体薄膜，所述发射线圈与接收线圈间隔设置。
可选地，所述发射线圈的面积大于所述接收线圈的面积。
可选地，所述发射线圈的面积为所述接收线圈面积的1.1至1.5倍。
可选地，所述发射线圈和接收线圈均为单极性线圈；或者所述发射线圈和接收线圈均为双极性线圈，在工作状态下，所述电能发射单元的双极性线圈中的多个线圈件具有相反的磁场方向；所述电能接收单元的双极性线圈中的多个线圈件具有相反的磁场方向。
根据本申请的另一方面，还提供了一种可植入设备，该可植入设备包括所述的无线电能传输装置。
可选地，所述可植入设备为心脏起搏器、心脏除颤器或脑起搏器。
本申请的发明人认为，影响电磁安全性的SAR和温升主要由电流和频率的大小决定。一方面，频率越低，磁场在人体内产生的涡流越小，但是无线电能传输的效率以及传输功率等性能将受到影响；另一方面，频率越高虽然能够提高电能传输效率和功率，但会产生较大的涡流损耗，带来组织发热等问题。因此，本申请基于提高电磁安全性，以电能传输时人体组织的SAR和温升为参考，确定了无线电能传输装置的安全工作频段，保证了植入式无线电能传输装置的电磁安全性。
本申请的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施方式及其说明用于解释本申请。在附图中：
图1a-图1c为本申请提供的人体和电能传输装置仿真模型；
图2为本申请提供的电能传输装置的电路示意图；
图3为SAR和温度变化仿真结果示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施方式及各个实施方式中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本申请。
仿真模型
图1a-图1c为人体和无线电能传输装置的仿真模型，其中图1a是仿真模型整体示意图，图1b是仿真模型的剖面图，图1c是线圈模型。仿真模型包括发射单元1、接收单元2、心脏起搏器壳体3、生物材料4以及人体组织5，其中发射单元1包括发射线圈和发射端铁氧体薄膜，接收单元2包括接收线圈和接收端铁氧体薄膜。铁氧体薄膜用于增加线圈电感且减弱接收端心脏起搏器壳体上的涡流对无线充电的影响，涡流会减小接收线圈接收的感应电压。
在仿真建模时，要设置人体组织相应电磁参数，而据研究表明，除个别鸟类，几乎所有生物组织都是非磁性物质，因此只需研究人体组织的电特性，也就是电导率δ和相对介电常数εr。组织的电导率和相对介电常数与组织吸收电磁辐射大小息息相关，且不同组织的电导率与相对介电常数不同，同一组织的电导率和介电常数也会随着频率的变化而变化。表1列出了脑、脂肪、心脏、肺、心脏等组织在频率为100kHz、200kHz、300kHz、500kHz、700kHz、1MHz时的电导率和相对介电常数。
表1在不同频率下人体组织的电导和相对介电常数
图1a中所涉及的无线电能传输装置的电路示意图如图2所示，发射线圈和接收线圈的电感分别为L1和L2，发射线圈交流电阻为R1，接收线圈交流电阻为R2，发射端补偿电容为C1和Cf1，补偿电感为Lf1，补偿电感的电阻为Rf1，接收端补偿电容为C2。补偿电容C1与发射线圈串联，然后与补偿电容并联Cf1，最后和补偿电感Lf1串联。Lf1、C1、Cf1和C2构成使系统谐振的LCC-C补偿网络。由于补偿电感与发射线圈和接收线圈之间的耦合系数很小，忽略它们之间的互感。发射线圈与接收线圈之间的互感为M。晶体管S1、S2、S3和S4构成逆变电路，将直流电转换为高频交流电，二极管D1、D2、D3和D4构成全桥整流电路，将接收线圈接收到的交流电转化为直流，电容C0与电感L0组成滤波电路，滤除高频分量，以稳定的直流电为电池Ub充电。当无线充电系统处于谐振状态时，补偿电路阻抗匹配需满足如下表达式：
上述电路为本申请中所采用的示例性电路，本申请的技术方案并不限于该电路的工况情形。
线圈
在不同的实施方式中，所述发射线圈和接收线圈均可以为单极性线圈或双极性线圈。
此外，发射线圈和/或接收线圈还可以采用单层、双层或者多层结构，双层或者多层结构可以用来增加线圈的电感。可选地，为了减小发射线圈的电阻，发射线圈采用利兹(Litz)线绕制。可选地，为了增大发射线圈的电感，发射线圈与铁氧体薄膜紧密相连。可选地，由于接收线圈要植入人体，可选用纤薄且柔软的柔性电路板，也可选用利兹(Litz)线绕制的线圈。可选地，发射线圈尺寸大于接收线圈尺寸，优选地，发射线圈的面积为接收线圈面积的1.1至1.5倍，以在发射线圈与接收线圈相对位置出现偏移时依然能够获得较高的传输效率。铁氧体薄膜紧贴发射线圈和/或接收线圈。
电磁安全仿真激励
当频率不同时，线圈的电流值也不同，对采用LCC-C补偿电路的无线充电系统而言，当接收端电流
和接收端等效电阻RL为定值时，接收端电压
通过计算可以得到：
发射端电压为：
发射端电流值为：
其中
Rf1和Lf1为补偿电感的电阻和电感，ω为电能发送装置的谐振角频率，R1为发射线圈电阻，R2为接收线圈电阻，M为接收和发射线圈间的互感。
通过以上公式，可以计算出传输功率为3W时不同频率下发射和接收线圈的电流值，以此作为仿真时的激励，如表2所示。
表2不同频率下的电压和电流
安全工作频段的选择
通过电磁和温度仿真，得到不同频率下的最大10g组织平均比吸收率值和组织最大温升值，将其与标准作对比，得到安全工作频段为131kHz–660kHz，如图3所示。优选地，安全工作频段为200kHz–500kHz。进一步优选地，安全工作频率可以为从200kHz作为起点，每隔5kHz的频率点，直至500kHz。
通过上述技术方案的描述，可以确定无线电能传输装置的安全工作频段，提高人体的电磁安全性。
以上所述仅为本申请的较佳实施方式而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种可植入设备的无线电能传输装置，该无线电能传输装置包括电能发射单元和电能接收单元，其特征在于，200kHz≤该无线电能传输装置的谐振频率≤660kHz，其中，该无线电能传输装置的谐振频率能够从200kHz作为起点，以每隔5kHz的频率点进行调整，直至660kHz，并且所述电能发射单元的发射线圈的面积为所述电能接收单元的接收线圈的面积的1.1至1.5倍，
以使所述可植入设备处在无线充电过程中的组织平均比吸收率值(SAR)不高于3.4W/kg且组织最大温升值(△T)不高于4.5K。
2.根据权利要求1所述的无线电能传输装置，其特征在于，所述发射单元包括发射线圈和发射端铁氧体薄膜，所述发射线圈与所述发射端铁氧体薄膜紧贴，所述接收单元包括接收线圈和接收端铁氧体薄膜，所述接收线圈和所述接收端铁氧体薄膜紧贴以形成柔性电路板。
3.根据权利要求1所述的无线电能传输装置，其特征在于，所述无线电能传输装置包括用于将直流电转换为高频交流电的逆变电路，其中，所述逆变电路包括串联的第一晶体管和第二晶体管以形成第一晶体管电路，以及串联的第三晶体管和第四晶体管以形成第二晶体管电路，所述发射线圈的一端与所述第一晶体管电路连接，所述发射线圈的另一端与第二晶体管电路连接。
4.根据权利要求1所述的无线电能传输装置，其特征在于，200kHz≤该无线电能传输装置的谐振频率≤500kHz，优选的，该无线电能传输装置的谐振频率不包括300kHz。
5.根据权利要求1所述的无线电能传输装置，其特征在于，该无线电能传输装置处于谐振状态时，补偿电路阻抗匹配需满足如下表达式：
其中ω为无线电能传输装置的谐振角频率，Cf1为电能发射单元的第一补偿电容，C1为电能发射单元的第二补偿电容，Lf1为电能发射单元的补偿电感，L1为电能发射单元的发射线圈的电感，C2为电能接收单元的补偿电容，L2为电能接收单元的接收线圈的电感；
其中，第二补偿电容和发射线圈串联，第一补偿电容与串联的第二补偿电容和发射线圈并联后再与第一补偿电感串联；所述电能接收单元的补偿电容与接收线圈串联。
6.根据权利要求5所述的无线电能传输装置，其特征在于，其中，所述接收线圈置于所述可植入设备的壳体上，所述接收线圈与所述可植入设备的壳体之间设置有铁氧体薄膜，所述发射线圈与接收线圈间隔设置。
7.根据权利要求5所述的无线电能传输装置，其特征在于，
所述发射线圈和接收线圈可以为单极性线圈；或者
所述发射线圈和接收线圈均为双极性线圈；在工作状态下，所述电能发射单元的双极性线圈中的多个线圈件具有相反的磁场方向；所述电能接收单元的双极性线圈中的多个线圈件具有相反的磁场方向。
8.一种可植入设备，其特征在于，该可植入设备包括根据权利要求1至7中任意一项所述的无线电能传输装置。
9.根据权利要求8所述的可植入设备，其特征在于，所述可植入设备为心脏起搏器、心脏除颤器或脑起搏器。
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