CN113644406A - 一种植入式医疗设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种植入式医疗设备，包括：外壳组件；头部组件，设置在所述外壳组件上；主体电路板，设置在所述外壳组件内；天线，设置在所述头部组件内，所述天线包括第一金属片和第二金属片，所述第一金属片和所述第二金属片倾斜连接。本发明提出的植入式医疗设备结构紧凑，工作频带宽，辐射效率高，鲁棒性强，成本低廉。
Description
技术领域
本发明涉及医疗设备领域，特别涉及一种植入式医疗设备。
背景技术
当前，随着人口生育率的不断下降，人口老龄化的问题不断的加剧，已经成为世界各国共同面临的难题。老龄化的人口不断增加，对高品质的医疗保健服务有巨大的市场需求。基于此应用背景，无线植入式医疗系统被提出，并不断的发展和应用，特别是植入式心脏起搏器/除颤仪等。无线植入式医疗系统能够实时对患者身体状况进行监测、预防和治疗，极大的保障了患者的生命安全和幸福生活。
天线作为无线植入式医疗设备与外界程控设备之间无线通信的桥梁，是无线植入式医疗系统不可或缺的组成部分，天线的性能将会直接决定植入式医疗设备能否正常受控工作。当植入式医疗设备在体内工作期间，天线的工作频率有可能会随着植入环境的不同发生偏移现象，导致天线难以在不同的植入环境下正常工作。同时当植入式医疗设备长期工作在人体组织环境中，植入式医疗设备可能出现漏液和液体渗透等问题，这就意味着天线周围的环境不在是最初的塑料包裹，环境的等效介电常数也会发生增大，天线的工作频率将向低频偏移，由此导致天线的工作性能下降，严重时将会中间植入式医疗设备与外界控制设备的通信链路。
发明内容
鉴于上述现有技术的缺陷，本发明提出一种植入式医疗设备，该植入式医疗设备中天线的工作带宽较宽，能够满足植入式医疗设备的工作需求，从而能够提高植入式医疗设备的工作性能。
为实现上述目的及其他目的，本发明提出一种植入式医疗设备，包括：
外壳组件；
头部组件，设置在所述外壳组件上；
主体电路板，设置在所述外壳组件内；
天线，设置在所述头部组件内，所述天线包括第一金属片和第二金属片，所述第一金属片和所述第二金属片倾斜连接。
进一步地，所述第一金属片和所述第二金属片为倒角连接。
进一步地，所述第一金属片和所述第二金属片连接形成一个宽度渐变的结构。
进一步地，所述天线为宽频带天线，天线的工作带宽覆盖25％的频带。
进一步地，所述第一金属片的一端连接低压电路板，所述低压电路板通过柔性电路板连接所述主体电路板。
进一步地，所述第一金属片的一端通过馈电结构连接所述低压电路板。
进一步地，所述柔性电路板通过匹配网络连接所述主体电路板，所述匹配网络用于调整所述天线的端口阻抗。
进一步地，所述低压电路板上设置有通孔，所述馈电结构设置在所述通孔内。
进一步地，所述天线位于所述外壳组件的外侧。
进一步地，所述天线辐射部分为蝶形结构或平面宽带渐变结构。
进一步地，所述第一金属片在靠近所述第二金属片的一端的宽度逐渐变大，直至与所述第二金属片连接。
综上所述，本发明提出一种植入式医疗设备，该植入式医疗设备包括外壳组件和头部组件，在外壳组件内设置主体电路板，在头部组件内设置天线。天线包括第一金属片和第二金属片，第一金属片和第二金属片倾斜连接，且第一金属片的宽度小于第二金属片的宽度。第二金属片可以为蝶形金属贴片，具有宽频带和结构小型化的优点，能够满足在空间受限的环境下应用需求。本发明中天线采用全金属的低损耗结构，消除主体电路板带来的介质损耗，降低了天线的损耗，实现了高辐射性能。该天线的工作带宽较宽，频段阈量大，能够消除植入式医疗设备在不同环境下或者长期工作发生漏液时带来的频率偏移和阻抗失配等问题，能够提高植入式医疗设备的通信稳定性和可靠性。
附图说明
图1：本发明中植入医疗设备外观结构及其植入人体内时各部分组件在人体中所处相对位置的示意图。
图2：本发明中植入医疗设备的结构图。
图3：本发明中天线和外壳组件的位置示意图。
图4：本发明中天线和主体电路板的连接图。
图5：本发明中天线的结构图。
图6：本发明中天线的另一结构图。
图7：本发明中PI型电路的示意图。
图8：本发明中天线的工作带宽的响应图。
图9：本发明中植入医疗设备的另一结构图。
图10：本发明中天线和主体电路板的另一连接图。
图11：本发明中天线的另一结构图。
图12：本发明中电容调整电路的示意图。
图13：本发明中天线的工作带宽的另一响应图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1所示，图1为植入医疗设备外观结构及其植入人体内时各部分组件在人体中所处相对位置的结构示意图。以ICD100为例，说明植入式医疗设备在植入人体200的心脏114部位时的具体操作。ICD100由外壳组件101、头部组件102和导线109组成。ICD100中安装有主体电路板、电源、电容、变压器、馈通组件、馈通缓冲组件和天线。所述植入式医疗设备具有四种功能120：处理器功能122、记忆功能124、遥测功能126和接口功能128。通常，ICD还能够通过与体外程控仪或者远程随访器连接，体外程控仪或者远程随访器发挥用户显示功能。处理器功能122指ICD能够通过电极进行自主感知人体200的心脏电信号或生理参数，自主完成诊断，并且下达治疗命令。如果是ICM，则处理器功能指其能够根据心电信号参数进行诊断，不包括治疗命令。记忆功能124指ICD具有对心电信号存储一段时间，并能够在以后的时间对该段时间记录的心电信号参数进行查找或阅读的功能。植入式医疗设备的馈通组件内部封装有天线馈通和导线馈通。ICD馈通组件有高压和低压两个部分，该高压部分与导线高压电极连接；低压部分为感知和天线两部分，感知部分与导线感知电极连接，天线部分与天线连接。ICD功能的发挥可以通过两种方式实现，一种为ICD机体能够自主调控，不需要人为手动触发和控制。另一种为通过外部程控设备进行通信，控制ICD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。同时ICD需要具有接口功能128，例如，ICD需要通过蓝牙接口、无线接口或者有线接口实现远场遥测监测和控制，植入式医疗设备至少具有其中一种接口功能。图1所示导线109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109由除颤线圈111、起搏感知电极环端112和起搏感知头端113构成。导线109通过头部组件102与ICD设备主体116连接。导线109穿过人体200的上腔静脉132和心房130，能够被植入心室110内部。线圈111能够通过释放脉冲，对诊断到的室颤事件进行除颤治疗。治疗时，设备主体外壳118本身作为一个电极，与线圈111之间形成电压差，对心室进行电刺激而达到治疗目的。起搏感知电极环端112能够感知心脏114内部的心电信号和生理参数。起搏感知头端113为螺旋状的固定头，起搏感知头端113在使用前旋转在导线内，在植入人体心脏内部时，从导线头的一端将起搏感知头端113从导线内旋转出来，并与心脏内部的心肌组织连接和固定。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。
如图2所示，本实施例提出一种植入式医疗设备100，该植入式医疗设备100例如为心脏起搏器或除颤仪，本实施例以植入式医疗设备100为心脏除颤器为例进行说明。该植入式医疗设备100可以包括外壳组件101和头部组件102，头部组件102设置在外壳组件101上。外壳组件101承受载荷部件的材料为生物兼容的金属钛，例如为钛或钛合金或不锈钢，头部组件102承受载荷部件的材料例如为生物兼容的高分子聚合物注塑成型。头部组件102内部嵌有金属连接件，金属连接件需要通过馈通组件的金属针连接钛壳部分的电路，同时金属连接件会与电极导线导通，实现对病人靶向位置治疗。
如图2-图5所示，在本实施例中，在头部组件102内设置有天线103，天线103还位于外壳组件101的外侧。在外壳组件101的内部设置有主体电路板104。天线103可以连接该主体电路板104。在主体电路板104上设置有柔性电路板107，柔性电路板107上设置有低压电路板106，也就是说柔性电路板107的两端分别连接主体电路板104和低压电路板106。在低压电路板106上可以设置一通孔，然后将馈通105设置在该通孔内，从而可以实现低压电路板106与天线103的连接。在本实施例中，馈电结构105可以将RF信号(交流信号)馈入天线103中，形成谐振，从而产生辐射。在本实施例中，柔性电路板107上的柔性电路与主体电路板104上的主体电路连接。
如图4-图5所示，在本实施例中，该天线103可以为金属薄片，天线103可以为普通金属，因此易于切割加工。该天线103可以包括第一金属片1031和第二金属片1032，金属片也可以为一块渐变的金属薄片或柔性金属PCB结构。第一金属片1031和第二金属片1032可以倾斜连接，即第一金属片1031和第二金属片1032不在同一个平面中，第一金属片1031和第二金属片1032的连接角度可以大于90°，例如为120°或150°。该第一金属片1031的宽度可以小于第二金属片1032的宽度。第一金属片1031的一端连接第二金属片1032，第一金属片1031的另一端则连接馈电结构105，第一金属片1031例如通过金属探针连接馈电结构105，从而实现天线103与主体电路板104的连接。第一金属片1031和第二金属片1032作为天线103的辐射结构，该第一金属片1031和第二金属片1032形成如图5所示的蝶形结构或平面锥形结构等带宽渐变结构。第二金属片1032可以实现天线103的宽频带响应，能够满足不同环境和动态可变环境下的通信需求。
如图5-图6所示，在本实施例中，第二金属片1032的宽度大于第一金属片1031的宽度，第一金属片1031可以位于第二金属片1032的一端。在所述第一金属片1031与第二金属片1032的连接处附近，所述第一金属片1031的宽度逐渐变宽，直到与第二金属片1032连接，形成蝶形宽带渐变结构，从而使得天线的工作频率平滑的从2.2GHz覆盖至2.8GHz，使得该天线103的工作频带较宽，能够适用于不同的通信环境以及动态可变环境下的应用需求。第一金属片1031和第二金属片1032的连接可以为导角连接，也可以为直接的金属机械弯折或单块金属共性形式。
如图4和图7所示，在本实施例中，该柔性电路板107可以通过匹配网络连接主体电路板104。该匹配网络可以用于调整天线103的端口阻抗，使得该天线103的端口处于良好匹配，提高天线103的辐射性能。该匹配网络可以为PI型电路1071，该PI型电路1071例如为电容和电感的组合。该PI型电路1071通过柔性电路板107和低压电路板106连接馈电结构105(即RF)，也就是连接天线103的端口，从而实现PI型电路调整天线103的端口阻抗，使得天线103的端口处于良好匹配状态，从而可以提高天线103的辐射性能。本实施例中天线辐射可以等效为一个RLC谐振网络，Lr表示天线等效电感，Cr表示天线等效电容，Rr表示天线等效电阻。
如图8所示为该天线103的工作带宽响应图，从图8中可以看出，该天线103的工作频带覆盖宽，-10dB阻抗带宽可覆盖2.2-2.8GHz等频段，能够完全满足2.4GHz通信需求。此外该天线103工作频段覆盖宽，天线频率控制灵活，因此该天线103也可拓展到400MHz植入式设备应用以及sub 6GHz频段的植入式/可穿戴设备应用。
如图2-图7所示，在本实施例中，该天线103具有空间尺寸小，结构紧凑工作频带宽，结构灵巧的优点。适用于不同功能和类型的植入式医疗设备以及狭小应用环境下的通信需求，该天线103能够适用不同环境以及动态可变环境下的应用需求。同时还能够改善植入式医疗设备100在人体不同位置，不同组织结构以及长时间工作出现漏液现象所引起的频率偏移等问题，能够实现稳定可靠的无线通信。该天线103采用全金属结构，适合低成本生产应用，天线103的辐射效率高，天线103工作稳定性高，鲁棒性强。
如图9-图10所示，本实施例又提出一种植入式医疗设备100，与图3不同的是，天线103的结构不同。天线103同样设置在外壳组件101的外侧。该天线103可以包括第一金属片1031，第二金属片1032，第三金属片1033和第四金属片1034。第一金属片1031，第二金属片1032，第三金属片1033和第四金属片1034依次连接。第一金属片1031与主体电路板104的连接方式可以参考上述描述。第一金属片1031与第二金属片1032垂直连接，且第一金属片1031与第二金属片1032之间为倒角连接。第二金属片1032与第三金属片1033为垂直连接，第二金属片1032和第三金属片1033共面。第二金属片1032和第三金属片1033形成一个弯折状。第三金属片1033与第四金属片1034垂直连接，且第三金属片1033和第四金属片1034为倒角连接。第四金属片1034向主体电路板104的方向延伸，从而通过金属探测108与主体电路板104连接。本实施例中，第一金属片1031连接一匹配网络电路，例如一PI型电路，该PI型电路设置在主体电路板104上，用于调整天线103的端口阻抗，使得天线103的端口处于良好匹配状态，从而可以提高天线103的辐射性能。第四金属片1034的末端通过金属探针108短接到主体电路板104上，从而形成天线103的电流环路，从而实现天线辐射。在本实施例中，第一金属片1031可以平行于第四金属片1034。第二金属片1032和第三金属片1033共面，第二金属片1032和第三金属片1033垂直。由于第二金属片1032和第三金属片1033形成一个弯折状，因此可以更加适用头部组件102的结构。
如图11所示，在本实施例中，第一金属片1031的高度可以小于第四金属片1034的高度。第二金属片1032的长度可以小于第三金属片1033的长度。考虑到头部组件的形状和结构，第二金属片1032和第三金属片1033形成一个弯折部，将天线103容纳在头部组件102中，实现天线103的小型化设计和共形设计。当然，在一些实施例中，在第一金属片1031和第四金属片1034之间还可以设置两个或三个弯折部，从而使得该天线103更好的与头部组件102共形设置。
如图10和图12所示，在本实施例中，在主体电路板104的背面还设置电容调整电路，第四金属片1034的一端通过金属探针108连接电容调整电路。该电容调整电路用于改变直流偏置电压，继而改变串入到环路中的电容值，实现天线103工作频率的可调节，能够满足不同应用场景的频率可重构需求。在本实施例中，采用的可调电容形式为变容管，也可以为其他可调电容元件，例如可变电容芯片、开关电容阵列和MEMS电容等。在本实施例中，变容管通过直流电压信号(DC)反激变容管，进而控制变容管接入天线或者RF电路中的电容值，电感LS用于直流偏置电路中，实现射频信号的隔离(扼流)，电容Cs用于交流电路中，实现直流信号的隔离。
图13所示为图9中天线的工作带宽响应图。从图13中可以看出，该天线的工作频率可调范围大，该天线的工作频率可调范围覆盖2-3GHZ，能够完全覆盖2.4GHZ的通信需求。在实际工作中，由于植入式医疗设备受到周遭植入环境的影响，天线的工作频率将出现偏移，通过电压调整接入可调电容值，天线的工作频率将会被矫正，始终保持覆盖2.40GHz的通信频段。由于该天线具备较宽的频率调谐范围以及灵活的调谐方式，因此该天线可以拓展到400MHZ植入式设备应用以及Sub 6GHZ频段的植入式/可穿戴设备应用。
如图9-图13所示，本实例通过在主体电路板104上引入可调电容元件，改变串联进入的电容值，进而改变整体天线谐振模型中有效电容值，实现天线工作频率的可重构。本实施例采用全金属的低损耗结构和一颗变容管，极大地降低了天线的损耗，同时也最大程度降低了可调天线的复杂度。该天线的工作频率可调，能够很好的矫正植入式医疗设备在不同植入环境下和装置长期工作发生漏液时，带来的频率偏移，适合植入式医疗设备的通信需求。
综上所述，本发明提出一种植入式医疗设备，该植入式医疗设备包括外壳组件和头部组件，在外壳组件内设置主体电路板，在头部组件内设置天线。天线包括第一金属片和第二金属片，第一金属片和第二金属片倾斜连接，且第一金属片的宽度小于第二金属片的宽度。天线可以为蝶形金属贴片，相比于传统受限空间下的小天线设计，具有宽频带和结构小型化的优点，能够满足在小型化设备对天线的应用需求。本发明中天线采用全金属的低损耗结构，消除主体电路板带来的介质损耗，降低了天线的损耗，实现了高辐射性能。该天线的工作带宽较宽，频段阈量大，能够校正植入式医疗设备在不同环境下或者长期工作发生漏液时带来的频率偏移和阻抗失配等问题，能够提高植入式医疗设备的通信质量，满足植入式医疗设备的通信需求。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明，本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案，例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
Claims (11)
1.一种植入式医疗设备，其特征在于，包括：
外壳组件；
头部组件，设置在所述外壳组件上；
主体电路板，设置在所述外壳组件内；
天线，设置在所述头部组件内，所述天线包括第一金属片和第二金属片，所述第一金属片和所述第二金属片倾斜连接。
2.根据权利要求1所述的植入式医疗设备，其特征在于，所述第一金属片和所述第二金属片为倒角连接。
3.根据权利要求1所述的植入式医疗设备，其特征在于，所述第一金属片和所述第二金属片连接形成一个宽度渐变的结构。
4.根据权利要求1所述的植入式医疗设备，其特征在于，所述天线为宽频带天线，天线的工作带宽覆盖25％的频带。
5.根据权利要求1所述的植入式医疗设备，其特征在于，所述第一金属片的一端连接低压电路板，所述低压电路板通过柔性电路板连接所述主体电路板。
6.根据权利要求5所述的植入式医疗设备，其特征在于，所述第一金属片的一端通过馈电结构连接所述低压电路板。
7.根据权利要求5所述的植入式医疗设备，其特征在于，所述柔性电路板通过匹配网络连接所述主体电路板，所述匹配网络用于调整所述天线的端口阻抗。
8.根据权利要求6所述的植入式医疗设备，其特征在于，所述低压电路板上设置有通孔，所述馈电结构设置在所述通孔内。
9.根据权利要求1所述的植入式医疗设备，其特征在于，所述天线位于所述外壳组件的外侧。
10.根据权利要求1所述的植入式医疗设备，其特征在于，所述天线辐射部分为蝶形结构或平面宽带渐变结构。
11.根据权利要求1或2所述的植入式医疗设备，其特征在于，所述第一金属片在靠近所述第二金属片的一端的宽度逐渐变大，直至与所述第二金属片连接。
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