CN113300478A - 一种用于植入式医疗设备的抗偏移无线输电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于植入式医疗设备的抗偏移无线输电系统，属于无线输电领域，包括：位于人体外的高频功率源和发射端，以及植入人体内的接收端；发射端包括平面源线圈和发射线圈；平面源线圈与高频功率源相连接；发射线圈包括左子线圈和右子线圈，两个子线圈均为螺旋绕组，且一端向内侧弯折，使发射线圈呈中间为平面、两端向内侧弯折的U型线圈；接收端包括平面接收线圈和平面负载线圈；平面接收线圈与发射线圈的工作频率相同，平面负载线圈用于连接植入式医疗设备；工作时，左子线圈和右子线圈中产生大小相同、方向相反的磁场。本发明能够在接收端发生偏移时，提高无线输电效率。

Description

一种用于植入式医疗设备的抗偏移无线输电系统
技术领域
本发明属于无线输电领域，更具体地，涉及一种用于植入式医疗设备的抗偏移无线输电系统。
背景技术
随着人们对安全、舒适、优质医疗服务的需求不断增加，植入式医疗设备逐渐取代传统的便携式医疗设备，成为当前医学研究的热点。各种植入式设备，如脊髓刺激器、心脏起搏器、脑起搏器、视网膜假体、胶囊内窥镜、耳蜗植入物等广泛应用于医疗领域，这些设备可以有效地应用于药物传递、诊断、健康状态监测。这些植入式医疗设备需要在供电状态下才能正常工作，由于电池寿命有限，患者需要定期接受手术更换电池，或者给设备电池充电。通过手术更换电池，不仅给人的身体带来新的创伤，而且由于维护的价格昂贵带来了经济压力。传统的有限传输充电方式，则会带来皮肤感染的可能性，危害人体安全。
无线电力传输技术成为克服这些问题的一种潜在技术，它可以在没有物理接触的情况下为植入式医疗设备充电。该技术更加安全可靠，避免了更换电池的感染风险，减小了植入式医疗设备的尺寸，同时也减少了线缆带来的安全隐患。
目前常用的磁耦合无线输电技术只有在系统对称放置时才会最大程度的提升效率，然而，对于植入体内的医疗设备可能存在横向偏移、纵向偏移和角度偏移等系统错位的问题，尤其是在给植入式医疗设备充电时，患者往往处于倚靠状态，其身体的倾斜导致无线输电系统中接收端的偏移问题尤其突出。其次，电磁场从发射端传输到接收端时存在电磁泄露问题，会对周围设备和人体造成潜在危害。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种用于植入式医疗设备的抗偏移无线输电系统，其目的在于，在接收端发生偏移时，提高无线输电效率。
为实现上述目的，本发明提供了一种用于植入式医疗设备的抗偏移无线输电系统，包括：位于人体外的高频功率源和发射端，以及植入人体内的接收端；
发射端包括平面源线圈和发射线圈；平面源线圈与高频功率源相连接；发射线圈包括左子线圈和右子线圈，两个子线圈均为螺旋绕组，且一端向内侧弯折，使发射线圈呈中间为平面、两端向内侧弯折的U型线圈；
接收端包括平面接收线圈和平面负载线圈；平面接收线圈与发射线圈的工作频率相同，平面负载线圈用于连接植入式医疗设备；
工作时，左子线圈和右子线圈中产生大小相同、方向相反的磁场。
本发明所提供的用于植入式医疗设备的抗偏移无线输电系统，由于其发射线圈包括左、右两个子线圈，且工作时，两个子线圈中产生大小相同、方向相反的磁场，形成了一个磁场闭环，当接收端在发射线圈所在平面上发生位置偏移(包括横向偏移和纵向偏移)，或者相对于发射线圈所在平面发生角度偏移时，平面接收线圈仍然能够接收到较高的磁通，保证较高的传输效率；由于发射线圈的两端向内侧弯折，当平面接收线圈偏移至发射线圈的边缘位置时，仍然能够接收到较大的磁通，保证较高的传输效率。总体而言，本发明提供的用于植入式医疗设备的抗偏移无线输电系统，在接收端发生位置偏移和角度偏移时，仍然能够保证较高的无线输电效率，满足植入式医疗设备的充电效率要求，提高了植入式医疗设备的自由度。
进一步地，左子线圈和右子线圈的弯折角度与人体倚靠充电时接收端的偏移角度相匹配。
本发明中，由于发射线圈中的左子线圈和右子线圈的弯折角度与人体倚靠充电时接收端的偏移角度相匹配，对植入式医疗设备进行充电时，能够最大程度上提高平面接收线圈接收的磁通，进一步无线输电效率。
进一步地，工作时，左子线圈和右子线圈中通入方向相反的电流。
本发明中，由于工作时，发射线圈中的左子线圈和右子线圈中通入方向相反的电流，能够在改善系统容错性的同时，最大程度降低无线输电系统的电磁泄露，更好地满足了植入式医疗设备的安全需求。
进一步地，平面接收线圈为单环线圈或螺旋绕组。
本发明中，平面接收线圈为单环线圈或螺旋绕组，在接收端发生偏移时，接收效率较高，且能够减小植入人体的接收端尺寸，提高了安全性。
进一步地，平面接收线圈为圆形单环线圈、方形单环线圈、圆形螺旋绕组或方形螺旋绕组。
进一步地，平面接收线圈和平面负载线圈分别印制在介质基板的两面。
本发明将平面接收线圈和平面负载线圈分别印制在介质基板的两面，能够在较小的尺寸下降低频率。
在一些可选的实施方式中，左子线圈和右子线圈串联在一起，且平面源线圈为S型单环线圈或S型螺旋绕组；高频功率源设置有1个，且其正、负极分别与平面源线圈的两端相连。
本发明中，发射线圈的左子线圈和右子线圈串联在一起，相应地平面源线圈和高频功率源均仅需设置1个，能够简化控制。
在一些可选的实施方式中，左子线圈和右子线圈独立设置，且平面源线圈设置有两个，分别与左子线圈和右子线圈耦合，每个平面源线圈为单环线圈或螺旋绕组；高频功率源设置有两个，分别与两个平面源线圈相连。
本发明中，发射线圈的左子线圈和右子线圈独立设置，相应地，平面源线圈和高频功率源分别设置两个，能够增加控制的灵活性。
进一步地，平面源线圈与发射线圈中的两个子线圈的耦合相同，由此能够保证发射线圈中磁场的均匀性。
进一步地，发射端还包括与发射线圈串联第一补偿电容，和/或，接收端还包括与平面接收线圈串联的第二补偿电容；
第一补偿电容用于调节接发射线圈的工作频率，第二补偿电容用于调节接收线圈的工作频率。
本发明利用补偿电容调节发射线圈和平面接收线圈的工作频率，能够方便地调节两个线圈的工作频率，使二者相等。
进一步地，发射端与接收端达到阻抗匹配，由此能够最大化发射端与接收端之间的传输效率。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明所提供的用于植入式医疗设备的抗偏移无线输电系统，由于其发射线圈包括左、右两个子线圈，发射线圈的两端向内侧弯折，且工作时，两个子线圈中产生大小相同、方向相反的磁场，在接收端发生位置偏移和角度偏移时，仍然能够保证较高的无线输电效率，满足植入式医疗设备的充电效率要求，提高了植入式医疗设备的自由度。
(2)本发明中，由于发射线圈中的左子线圈和右子线圈的弯折角度与人体倚靠充电时接收端的偏移角度相匹配，对植入式医疗设备进行充电时，能够最大程度上提高平面接收线圈接收的磁通，进一步无线输电效率。
(3)本发明中，由于工作时，发射线圈中的左子线圈和右子线圈中通入方向相反的电流，能够在改善系统容错性的同时，最大程度降低无线输电系统的电磁泄露，更好地满足了植入式医疗设备的安全需求。
(4)本发明中，平面接收线圈为单环线圈或螺旋绕组，在接收端发生偏移时，接收效率较高，且能够减小植入人体的接收端尺寸，提高了安全性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的用于植入式医疗设备的用于植入式医疗设备的抗偏移无线输电系统示意图；
图2为本发明实施例提供的发射端示意图；其中，(a)为发射线圈示意图，(b)为平面源线圈示意图；
图3为本发明实施例提供的发射线圈中电流分布示意图；
图4为本发明实施例提供的接收端示意图；
图5为本发明实施例提供的发射线圈中磁场示意图；
图6为本发明实施例提供的无线输电系统的偏移示意图；其中，(a)为发射线圈和接收线圈位于同一水平轴的示意图，(b)为发射线圈和接收线圈位于非同一水平轴的示意图，(c)为平面接收线圈与发射线圈位置夹角与发射线圈两端弯折角度相同时的示意图，(d)为平面接收线圈与发射线圈位置夹角为90度时的示意图；
图7为本发明实施例提供的植入式医疗设备的无线输电系统的等效电路图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
1为高频功率源，2为发射端，21为平面源线圈，22为发射线圈，23为第一补偿电容，3为接收端，31为平面接收线圈，32为平面负载线圈，33为第二补偿电容，4为植入式医疗设备。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
为了解决现有的用于对植入式医疗设备进行充电的无线输电系统在接收端发生偏移时，能量传输效率大大降低的技术问题，本发明提供了一种用于植入式医疗设备的抗偏移无线输电系统，其整体思路在于：通过对发射线圈的结构进行特殊设计，使其包含左、右两个子线圈，两个子线圈的一端向内侧弯折，整个发射线圈呈现出中间为平面而两端向内侧弯折的U型发射线圈，且工作时，两个子线圈中产生大小相同、方向相反的磁场，形成磁场闭环，使接收端在发射线圈所在平面上发生位置偏移(包括横向偏移和纵向偏移)，或者相对于发射线圈所在平面发生角度偏移，或者偏移至发射线圈的边缘位置时，仍然能够接收到较大的磁通，保证较高的传输效率。在此基础上，进一步通过向左、右两个子线圈中通入方向相反的电流的方式控制两个子线圈中产生的磁场，进一步降低电磁泄露，保证植入式医疗设备的安全需求。
本发明提供的用于植入式医疗设备的抗偏移无线输电系统，可用于对脊髓刺激器、心脏起搏器、脑起搏器、视网膜假体、胶囊内窥镜、耳蜗植入物等任意一种植入式医疗设备进行充电，不失一般性地，若没有特殊说明，以下实施例中，所指的植入式医疗设备均为心脏起搏器。
以下为实施例。
实施例1：
一种用于植入式医疗设备的抗偏移无线输电系统，如图1所示，包括：位于人体外的高频功率源1和发射端2，以及植入人体内的接收端3；
发射端2包括平面源线圈21和发射线圈22；平面源线圈21与高频功率源1相连接；发射线圈22包括左子线圈和右子线圈，两个子线圈均为螺旋绕组，且一端向内侧弯折，使发射线圈22呈中间为平面、两端向内侧弯折的U型线圈；
接收端3包括平面接收线圈31和平面负载线圈32；平面接收线圈31与发射线圈22的工作频率相同，平面负载线圈用于连接植入式医疗设备；
工作时，左子线圈和右子线圈中产生大小相同、方向相反的磁场。
本实施例提供的用于植入式医疗设备的抗偏移无线输电系统，其通过无线输电实现对植入式医疗设备充电的原理如下：平面源线圈21将高频功率源1产生的交变磁场耦合至发射线圈22；发射线圈22与平面接收线圈31形成谐振耦合，两个线圈之间形成一条能量传输通道，使发射线圈22中的交变磁场传输至平面接收线圈31，激发平面接收线圈31产生新的交变磁场，从而实现能量的传输；平面负载线圈32与平面接收线圈31形成电磁耦合，使平面接收线圈31中的交变磁场转移至平面负载线圈，从而实现磁能到电能的转换；由平面负载线圈32将其中的电能传输至植入式医疗设备，即心脏起搏器，实现对植入式医疗设备的充电。
考虑到体内植入了心脏起搏器的患者在对心脏起搏器进行充电时，其身体往往处于倚靠状态，导致植入其体内的心脏起搏器和接收端3会发生固定角度的偏移，因此，本实施例中，左子线圈和右子线圈的弯折角度与人体倚靠充电时接收端的偏移角度相匹配，由此使得对植入式医疗设备进行充电时，能够最大程度上提高平面接收线圈接收的磁通，进一步无线输电效率。
本实施例中，发射端2如图2所示，为了简化控制，可选地，发射线圈22如图2中的(a)所示，左子线圈和右子线圈串联在一起；相应地，平面源线圈21为S型单环线圈；高频功率源1设置有1个，且其正、负极分别与平面源线圈21的两端相连；在实际应用中，平面源线圈21也可能是S型螺旋绕组。
为了在保证传输效率的情况下，降低电磁泄露，保证安全性，本实施例工作时，发射线圈21中的左子线圈和右子线圈中通入方向相反的电流，如图3所示。
可选地，平面源线圈21与发射线圈22中的两个子线圈的耦合相同，即平面源线圈21与左子线圈的互感以及平面源线圈21与右子线圈的互感相同，由此能够保证发射线圈中磁场的均匀性。
本实施例的接收端3具体如图4所示，考虑到接收端3需要植入人体，在保证出传输效率的情况下，其尺寸应尽可能小，因此，本实施例中，平面接收线圈31为方形螺旋绕组，平面负载线圈32为方形单环线圈，并且为了在较小的尺寸下降低频率，本实施例中平面接收线圈31和平面负载线圈32分别印制在介质基板的两面；应当说明的是，在本发明其他一些实施例中，平面接收线圈31也可以是圆形螺旋绕组等其他形状的螺旋绕组，或者是单环线圈，如圆形单换线圈、方形单环线圈等；平面负载线圈32也可以是圆形单环线圈等其他形状的单环线圈，或者是螺旋绕组。
由于平面接收线圈31和发射线圈22的工作频率相同，为了便于调节频率，如图1、图2和图4所示，本实施例中，发射端2还包括与发射线圈22串联第一补偿电容23，接收端3还包括与平面接收线圈31串联的第二补偿电容33；
第一补偿电容23用于调节接发射线圈22的工作频率，第二补偿电容33用于调节接收线圈23的工作频率。
利用补偿电容调节发射线圈和平面接收线圈的工作频率，能够方便地调节两个线圈的工作频率，使二者相等；应当说明的是，此处仅为本发明可选的实施方式，不应理解为对本发明的唯一限定，在本发明其他的一些实施例中，也可以通过线圈自身的参数设计将线圈的工作频率调节到目标频率。
为了能够最大化发射端与接收端之间的传输效率，本实施例中，发射端2与接收端3达到阻抗匹配；实际应用中，可通过调节平面源线圈21的位置，使发射端2和接收端3达到阻抗匹配。
总体而言，本实施例所提供的用于植入式医疗设备的抗偏移无线输电系统，由于其工作时，两个子线圈中产生大小相同、方向相反的磁场，形成了一个磁场闭环，如图5所示，当接收端在发射线圈所在平面上发生位置偏移，包括横向偏移和纵向偏移，或者相对于发射线圈所在平面发生角度偏移时，平面接收线圈仍然能够接收到较高的磁通，保证较高的传输效率；由于发射线圈的两端向内侧弯折，当平面接收线圈偏移至发射线圈的边缘位置时，仍然能够接收到较大的磁通，保证较高的传输效率。由于本实施例在接收端发生位置偏移和角度偏移时，都具有较高的传输效率，因此，本实施例有效提高了无线输电系统的自由度，因此，发射端2和接收端3的位置可以在同一水平轴，也可以在非同一水平轴，如图6中的(a)和(b)所示，发射端2和接收端3之间的位置夹角可以为0度到90度之间的任意角度，如图6中的(c)和(d)所示。
本实施例的等效电路图如图7所示，其中包括高频功率源(AC)1，高频功率源1的内阻Rs，平面源线圈21的电感L1、电阻R1，发射线圈22的电感L2、电阻R2、电容C2，平面接收线圈31的电感L3、电阻R3、电容C3，平面负载线圈32的电感L4、电阻R4。假定输入电压为Vs，平面源线圈21电流为I1，发射线圈22电流为I2，平面接收线圈31电流为I3，平面负载线圈32电流为I4，则整个无线输电系统的电路方程为：
Figure BDA0003084193580000091
Figure BDA0003084193580000092
Figure BDA0003084193580000093
Figure BDA0003084193580000094
其中M12，M13，M14，M23，M24，M34为线圈之间的互感。
计算系统的传输效率时，需要系统的电磁参数计算足够准确。目前，针对规则形状的方螺旋、圆螺旋等结构的电磁参数计算比较成熟，然而对于不规则形状线圈的电磁参数获取还未有较好的方式。因此，获得复杂系统的电磁参数相对较难。本实施例以发射端2和接收端3的中心为参考，计算出每条边上的坐标，进而采用坐标的形式计算各个线圈的电磁参数，包括线圈的电感、电阻和系统之间的互感。为了精确获得系统的设计参数，本实施例中系统的结构参数是通过对发射线圈22的线间距，平面负载线圈32的线间距和圈数进行了优化设计，这种优化方法可以为植入式医疗设备的无线输电装置提供新的设计手段。最终，本实施例中，各部分的具体参数如下：
发射线圈22和平面接收线圈31的尺寸不一致，发射线圈22尺寸较大，平面接收线圈31尺寸为mm级别或者1cm-3cm。本实施例中发射端2是采用直径为1mm的铜线绕制，其中平面源线圈的21长为150mm，宽为50mm，发射线圈22的圈数为3圈，长为150mm，弯折的角度为65度，高度为30mm，螺旋图案之间的间距为10mm，发射线圈22串联第一补偿电容23调节谐振频率至13.56MHz。接收端3利用PCB技术制作了双面板，平面接收线圈31中螺旋图案的圈数为3圈，线宽为2mm，螺旋的线间距为3mm，平面接收线圈31与第二补偿电容33串联调节谐振频率至13.56MHz。平面负载线圈32的长和宽为40mm。平面负载线圈32和平面接收线圈31厚度为0.035mm，两者之间填充FR-4基板，基板厚度为1.6mm。
在本发明其他的一些实施例中，发射线圈22和平面接收线圈31的谐振频率也可以为6.7MHz、40.68MHz等其他植入式医疗中常用的频率，在实际应用中，根据具体的频率对线圈的谐振频率进行相应调节即可，谐振频率的变化范围在100khZ到几百MHz之间；除了通过补偿电容对线圈的谐振频率进行调节，在本发明其他的一些实施例中，也可以直接通过线圈参数的设计完成谐振频率的调节。
实施例2：
一种用于植入式医疗设备的抗偏移无线输电系统。
本实施例与上述实施例1类似，所不同之处在于，本实施例中，左子线圈和右子线圈独立设置，且平面源线圈21设置有两个，分别与左子线圈和右子线圈耦合，每个平面源线圈为单环线圈或螺旋绕组；高频功率源1设置有两个，分别与两个平面源线圈相连。
本实施例中，发射线圈的左子线圈和右子线圈独立设置，相应地，平面源线圈和高频功率源分别设置两个，能够增加控制的灵活性。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于植入式医疗设备的抗偏移无线输电系统，其特征在于，包括：位于人体外的高频功率源(1)和发射端(2)，以及植入人体内的接收端(3)；
所述发射端(2)包括平面源线圈(21)和发射线圈(22)；所述平面源线圈(21)与所述高频功率源(1)相连接；所述发射线圈(22)包括左子线圈和右子线圈，两个子线圈均为螺旋绕组，且一端向内侧弯折，使所述发射线圈(22)呈中间为平面、两端向内侧弯折的U型线圈；
所述接收端(3)包括平面接收线圈(31)和平面负载线圈(32)；所述平面接收线圈(31)与所述发射线圈(22)的工作频率相同，所述平面负载线圈用于连接所述植入式医疗设备；
工作时，所述左子线圈和所述右子线圈中产生大小相同、方向相反的磁场。
2.如权利要求1所述的用于植入式医疗设备的抗偏移无线输电系统，其特征在于，所述左子线圈和所述右子线圈的弯折角度与人体倚靠充电时所述接收端的偏移角度相匹配。
3.如权利要求1或2所述的用于植入式医疗设备的抗偏移无线输电系统，其特征在于，工作时，所述左子线圈和所述右子线圈中通入方向相反的电流。
4.如权利要求1所述的用于植入式医疗设备的抗偏移无线输电系统，其特征在于，所述平面接收线圈(31)为单环线圈或螺旋绕组。
5.如权利要求4所述的用于植入式医疗设备的抗偏移无线输电系统，其特征在于，所述平面接收线圈(31)为圆形单环线圈、方形单环线圈、圆形螺旋绕组或方形螺旋绕组。
6.如权利要求4或5所述的用于植入式医疗设备的抗偏移无线输电系统，其特征在于，所述平面接收线圈(31)和所述平面负载线圈(32)分别印制在介质基板的两面。
7.如权利要求1-5任一项所述的用于植入式医疗设备的抗偏移无线输电系统，其特征在于，所述左子线圈和所述右子线圈串联在一起，且所述平面源线圈(21)为S型单环线圈或S型螺旋绕组；所述高频功率源(1)设置有1个，且其正、负极分别与所述平面源线圈(21)的两端相连。
8.如权利要求1-5任一项所述的用于植入式医疗设备的抗偏移无线输电系统，其特征在于，所述左子线圈和所述右子线圈独立设置，且所述平面源线圈(21)设置有两个，分别与所述左子线圈和所述右子线圈耦合，每个平面源线圈为单环线圈或螺旋绕组；所述高频功率源(1)设置有两个，分别与两个平面源线圈相连。
9.如权利要求1-5任一项所述的用于植入式医疗设备的抗偏移无线输电系统，其特征在于，所述平面源线圈(21)与所述发射线圈(22)中的两个子线圈的耦合相同。
10.如权利要求1-5任一项所述的用于植入式医疗设备的抗偏移无线输电系统，其特征在于，所述发射端(2)与所述接收端(3)达到阻抗匹配。
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