CN115037059A - 用于全时段复合式全植入脑机接口系统的供能结构和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于全时段复合式全植入脑机接口系统的供能结构和方法，该结构包括壳体和设于所述壳体内的线圈单元、远距离供能单元和电池单元；所述线圈单元和所述远距离供能单元分别与所述电池单元连接，所述电池单元用于储能并向脑机接口系统供能，所述线圈单元和所述远距离供能单元分别用于向所述电池单元充电。本发明将电池单元、线圈单元和远距离供能单元一体化设计，实现线圈单元与远距离供能单元组成的复合式充电，能够增加全植入脑机接口系统在体服役时长，并可根据使用者静止与活动状态，满足日常全时段的供能需求，真正实现使用者的活动自由。

Description

用于全时段复合式全植入脑机接口系统的供能结构和方法

技术领域

本发明涉及电子和生物医学工程技术领域，具体地，涉及一种用于全时段复合式全植入脑机接口系统的供能结构和方法。

背景技术

近年来，全植入器件因其便携性大大提高患者的生活质量，因此在医疗领域的重要性与日俱增。多数植入医疗装置，比如脑深部电刺激器(DBS)，心脏起搏器，人工耳蜗，视觉假体，都靠内置电池工作。其中，人工耳蜗和视觉假体采用的多为一次性电池，需要定期进行更换，即使可充电，也是通过有线的方式，代表性的产品如美国AB公司和澳大利亚Cochlear公司的人工耳蜗，美国Second Sight和德国Retinal Implant AG公司的视网膜假体。

与之相对的是采用无线可充电电池进行供能，诸如美国美敦力、波科、雅培公司的脑刺激器和心脏起搏器，它们通过电磁感应的方式对内置电池进行无线充电。然而，这种技术在充电时，充电器和被充电设备的线圈必须对齐，并在极近的距离下才能正常工作，定期且固定行为模式下的充电方式无疑对接受治疗的群体，尤其老年人及儿童，提出了较为苛刻的要求，操作起来非常不便。目前，还有一类新兴的基于微波谐振的无线充电技术，这类技术的充电形式更加自由，例如Wifi无线网络，只要在信号覆盖的范围内即可实现对设备的无线供能，可惜的是能量利用效率较低，因此并未应用在植入式医疗器件当中。

目前在产品领域，可充电式全植入脑机接口系统全部采用可充电电池与线圈电磁耦合的方式供能，主要产品为脑深部刺激器(即脑起搏器)。虽然是全植入系统，但因充电效率低、集中充电等原因，结合实际应用，对电池的容量有限制。且在手术时，因电池的大体积使得整个系统无法全部植于大脑皮下，一般将电池植入皮下锁骨附近。这也使得电极长度要从锁骨经颈部，头部到目标区域，增加手术难度的同时，也增大了电极损坏的风险。脑深部刺激器国外代表性的公司有美敦力、波士顿科学、雅培等，国内有品驰和景昱等。在科研领域，可充电式全植入脑机接口系统也一直停留在基于线圈电磁耦合的无线充电方式。2018年Matsushita等人在期刊Frontiers in Neuroscience上发表名为“A FullyImplantable Wireless ECoG 128-Channel Recording Device for Human Brain–Machine Interfaces:W-HERBS”的文章，首次实现超过100通道的ECoG电极的体内全植入，该方法与产品领域方法相同，采用线圈的充电方法进行供能。

综上，目前全植入脑机接口供能方式都采用可充电电池与线圈电磁耦合的方式，为将全植入脑机接口系统内置电池小型化，提高系统便携性，亟需一种新的供能方式，摆脱线圈近距离集中式充电的束缚，实现患者在工作、居家和就医等环境下的活动完全自由。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种用于全时段复合式全植入脑机接口系统的供能结构和方法，可实现脑机接口系统的全植入和全时段供能。

根据本发明的一个方面，提供一种用于全时段复合式全植入脑机接口系统的供能结构，包括壳体和设于所述壳体内的线圈单元、远距离供能单元和电池单元；所述线圈单元和所述远距离供能单元分别与所述电池单元连接，所述电池单元用于储能并向脑机接口系统供能，所述线圈单元和所述远距离供能单元分别用于向所述电池单元充电。

进一步地，所述线圈单元采用生物兼容金属材料制作，所述线圈单元包括发射线圈和接收线圈；所述发射线圈包括发射控制电路、振荡电路、功放电路、发射阻抗匹配电路和发射线圈；所述发射控制电路用于分别控制所述振荡电路、所述功放电路和所述发射阻抗匹配电路；电信号依次经过所述振荡电路和所述功放电路，最后由所述发射阻抗匹配电路到所述发射线圈产生磁场；所述接收线圈包括接收控制电路、接收阻抗匹配电路、能量恢复电路、后级电路和接收线圈；所述接收控制电路用于分别控制所述接收阻抗匹配电路、能量恢复电路和后级电路；所述接收线圈将磁场信号转换为电流信号后，由所述接收阻抗匹配电路传到所述能量恢复电路，所述能量恢复电路将电磁波转化为电压信号，然后经所述后级电路对所述电池进行充电。

进一步地，所述远距离供能单元包括发射端部分和接收端部分，远距离供能方式包括天线、蓝牙和超声中的任意一种，考虑到无线传输效率最大化，优选为天线，所述天线优选为相控天线；所述发射端部分包括能量发射单元和用于控制所述能量发射单元的发射控制电路；所述接收端部分包括能量接收单元、带通滤波器、低噪声放大器、相位偏移器、可变放大器、功率组合器、本地振荡器和低通滤波器；能量传输信号经所述接收端部分由所述能量接收单元接收，依次经所述带通滤波器、所述低噪声放大器、所述相位偏移器和所述可变放大器，并经所述功率组合器组合后，依次经过所述本地振荡器和所述低通滤波器后，对所述电池充电。

进一步地，所述线圈单元用于近距离集中充电，充电距离为小于0.5米；所述远距离供能单元用于远距离自由立体充电，充电距离为小于100米。

进一步地，所述电池单元为植入式可充电电池。

进一步地，还包括设于所述壳体内的数据处理芯片和传感器，所述传感器用于监测所述供能结构的工作状态；所述数据处理芯片用于处理所述传感器采集到的信号，并控制供能结构的充放电速度，以及向体外上位机传输数据并接受上位机的控制指令。

进一步地，所述传感器包括温度传感器、湿度传感器、加速度计和陀螺仪中的任意一种。

进一步地，所述壳体由生物相容性材料制成；所述壳体上设有可扩展接口，所述可扩展接口用于实现对外部设备供电或实现与其他供能结构的联合供能。

进一步地，所述供能结构应用于大脑皮层下全植入方式，所述壳体嵌入在颅骨凹陷处。

根据本发明的另一方面，提供一种利用上述的用于全时段复合式全植入脑机接口系统的供能结构实现的供能方法，该方法通过电池单元储能并向脑机接口系统供能，通过线圈单元和远距离供能单元两种供能方式对电池进行充电。

与现有技术相比，本发明具有如下至少之一的有益效果：

1、本发明采用线圈与远距离供能单元复合式供能方法，能够实现24小时全天候供能，解决线圈集中供能带来的不便，保证患者在自由运动下系统仍能随体供能；

2、本发明中基于远距离无线能量传输的供能方案，实现完全自由的充电效果，能够有效降低电池所需续航，减少电池体积；

3、本发明通过设置传感器和电源管理电路，能够保证系统温升低于生物安全阈值，有效提高供能模块的安全性和稳定性。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例的用于全时段复合式全植入脑机接口系统的供能结构的结构示意图；

图2为本发明一实施例的电池、线圈和远距离供能单元的分布示意图；

图3为本发明一实施例的传感器和可扩展接口的示意图；

图4为本发明一实施例中发射线圈与接收线圈的原理示意图；

图5为本发明一实施例中发射天线与接收天线的原理示意图。

图中：1为壳体，2为线圈单元，3为远距离供能单元，4为电池单元，5为传感器，6为数据处理芯片，7为可扩展接口，8为线圈以及远距离供能单元的匹配电路。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。在本发明实施例的描述中，需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等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。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

参照图1-2，为本发明一实施例提供的用于全时段复合式全植入脑机接口系统的供能结构的结构示意图，包括壳体1和设于壳体1内的线圈单元2、远距离供能单元3和电池单元4；线圈单元2和远距离供能单元3分别与电池单元4连接，电池单元4用于储能并向脑机接口系统供能，线圈单元2和远距离供能单元3分别用于向电池单元4充电。线圈单元2、远距离供能单元3和电池单元4属于蓄能和供能源，将电池单元4、线圈单元2和远距离供能单元3一体化设计，实现线圈单元2与远距离供能单元3组成的复合式充电，本发明实施例中的供能结构能够增加全植入脑机接口系统在体服役时长，并可根据使用者静止与活动状态，满足日常全时段的供能需求，真正实现使用者的活动自由。

线圈单元2包括线圈及其匹配电路，在一些具体的实施方式中，线圈单元2采用生物兼容金属材料制作，保证其可长时间在体工作；参照图4，线圈单元2包括发射线圈和接收线圈，发射线圈位于供能结构外部，接收线圈位于供能结构内部；发射线圈包括发射控制电路、振荡电路、功放电路、发射阻抗匹配电路和发射线圈；发射控制电路用于分别控制振荡电路、功放电路和发射阻抗匹配电路，振荡电路决定了能量传输的频率，功放电路决定了输出功率，直接驱动负载，带载能力强；电信号依次经过振荡电路和功放电路，最后由发射阻抗匹配电路到发射线圈产生磁场，由发射线圈发射电磁信号；接收线圈包括接收控制电路、接收阻抗匹配电路、能量恢复电路、后级电路和接收线圈；接收控制电路用于分别控制接收阻抗匹配电路、能量恢复电路和后级电路；接收线圈将磁场信号转换为电流信号后，由接收阻抗匹配电路传到所述能量恢复电路，能量恢复电路对电流进行存储并将电磁波转化为电压信号，然后经后级电路处理后对电池进行充电。

在一些具体的实施方式中，远距离供能单元包括发射端部分和接收端部分，远距离供能方式包括天线、蓝牙和超声中的任意一种，考虑到无线传输效率最大化，优选为天线，天线优选为相控天线；发射端部分包括能量发射单元和用于控制能量发射单元的发射控制电路；接收端部分包括能量接收单元、带通滤波器、低噪声放大器、相位偏移器、可变放大器、功率组合器、本地振荡器和低通滤波器；能量传输信号经接收端部分由能量接收单元接收，依次经带通滤波器、低噪声放大器、相位偏移器和可变放大器，并经功率组合器组合后，依次经过本地振荡器和低通滤波器后，对电池充电。

以采用天线单元作为远距离供能单元为例进行说明，天线单元包括天线及其匹配电路，在一些具体的实施方式中，参照图5，与线圈类似，天线单元包括发射端部分和接收端部分；发射端部分可以不固定到室内特定地方，也可设计成手提式，在户外同样可以使用，具有便携性，可随环境灵活改变设置位置；发射端部分包括发射天线和用于控制发射天线的发射天线控制电路，优选地，发射天线为相控天线，具体为数字功能表面相控天线，通过施加灵活的周期性时间调制，进而间接地对天线产生的谐波分量的幅度和相位进行精确的控制，实时高精度跟踪。增加系统续航，且能有效穿透皮肤，在经皮肤衰减后仍能满足供能需求；接收端部分包括接收天线、带通滤波器、低噪声放大器、相位偏移器、可变放大器、功率组合器、本地振荡器和低通滤波器，发射天线位于供能结构外部，接收天线位于供能结构内部；微波经接收端部分由接收天线接收，依次经带通滤波器、低噪声放大器、相位偏移器和可变放大器，并经功率组合器组合后，依次经过本地振荡器和低通滤波器后，对电池充电。本发明实施例中作为发射天线的相控天线，其为设计剖面高度低于一个波长的便携式相控天线，及其高精度实时波束跟踪技术，实现对脑机接口移动用户的高效无线能量传输。除此还有对应控制电路、储能系统和利于随体自由运动的实时跟踪系统。考虑到脑机接口的工作环境特性，需嵌入颅骨工作，接收天线采用MEMS工艺等小型化工艺制作。在壳体1内的天线接收端需要多频段、高效率和小型化的微波整流电路。

在一些具体的实施方式中，线圈单元2用于近距离集中充电，充电距离为小于0.5米；远距离供能单元3用于远距离自由立体充电，充电距离为小于100米。

在一些具体的实施方式中，电池单元4为植入式可充电电池。在可充电植入式电池的选择上，既要满足高安全性和可靠性，同时也要考虑包括能量密度、功率密度、自放电、放电曲线、充放电容等，在电池尺寸和系统供电时间/充电时间的要求上达到最佳平衡。

参照图3，在一些具体的实施方式中，还包括设于壳体1内的数据处理芯片6和传感器5，传感器5用于监测供能结构的工作状态。优选地，传感器5包括温度传感器、湿度传感器、加速度计和陀螺仪中的任意一种；其中，温度传感器用来监测电池与电路温度，调节充电电流；湿度传感器用来监测内部湿度以评估壳体1内的各部分工作状态。数据处理芯片6用于处理传感器采集到的信号，控制线圈单元2、远距离供能单元3和电池单元4的充放电速度，并通过无线的方式向体外上位机传输数据并接受上位机的控制指令。通过传感器监测到的数据，对充放电流大小进行控制，形成电源管理电路，能够防止电池过热甚至爆炸，从而能够提高供能结构的稳定性和安全性。

在一些具体的实施方式中，壳体1由生物相容性材料制成，优选为钛合金或陶瓷；壳体1上设有可扩展接口7，可扩展接口7同时连接内部的相应匹配电路以实现内部电路与外部的连接，可扩展接口7用于实现对外部设备供电或实现与其他供能结构的联合供能。壳体1包括上顶盖和底座，其中，上顶盖采用陶瓷，具有生物相容性的同时，有利于无线信号的传递；底座采用钛合金，具有生物相容性的同时，有利于更加稳固的固定在颅骨；在一些具体的实施方式中，壳体1的上顶盖与底座之间采用不可拆卸的连接方式，不可拆卸方式优选为异质焊接方式。在一些优选的实施方式中，壳体1采用可拆卸方式，上顶盖与底座之间通过螺纹连接，方便电池的更换。

为减少整个供能结构的总厚度，供能结构的壳体1内部共分为两层。在一些实施例中，将电池单元4、线圈单元2和远距离供能单元3设置于上层，在该层下方设有供能结构的数据处理芯片6和传感器5。在其他一些实施例中，为了减少器件直径，可将电池单元4单独作为一层。

继续参照图2，在一些优选实施例中，电池单元4、线圈单元2和远距离供能单元3放置在同一层中。8为线圈以及远距离供能单元的匹配电路如阻抗匹配和整流电路等。由于线圈单元2只能近距离供能，所以用于患者在静态情况下(如睡眠、休息等)的集中供能需求，远距离供能单元3可实现一定范围内的跟踪供能，可用于脑机接口器件随体自由运动情况下的供能需求。线圈单元2如充电接收线圈和电池单元4如可充电植入式电池采用集成一体化结构以尽量减小体积，其整体尺寸仅相当于硬币大小，采用生物兼容的贵金属材料制作保证其可长时间的在体工作。线圈单元2经接收控制电路输出5V电压对3.7V锂电池充电，远距离供能单元3经整流电路输出1.5V电压，需采用BOOST电路将其升到5V电压后再给锂电池充电。

远距离供能单元3如天线单元基于数字电磁功能表面，其次，考虑到脑机接口的工作环境特性，需嵌入人体组织的小型化天线，使用将能量微波转换成直流的高效整流技术。

继续参照图3，在一些优选实施例中，传感器5、数据处理芯片6和可扩展接口7放置在同一层。该层是主要电路层，其中电源管理电路、传感器相应匹配电路和数据处理芯片相应匹配电路都位于该层。电池单元4电压经电源管理电路稳压后给供能机构与外接设备提供电能，设有电源保护电路监测电流防止短路、过热等危险情况。设置传感器5用于监测供能结构内部温度，以此通过数据处理芯片6控制线圈单元2和远距离供能单元3的充电电流。避免温度过高灼伤脑组织或引起电池爆炸。该实施例中供能结构设置4个外接口即可扩展接口7，用于对外部设备(脑机接口器件)供电或与其他供能结构联合使用。

在一些具体的实施方式中，本发明实施例中的供能结构应用于大脑皮层下全植入方式，壳体1嵌入在颅骨凹陷处，以实现脑机接口系统的全植入。

本发明实施例将电池、线圈和天线一体化设计，采用扩展接口实现供能结构的灵活扩展，实现充电线圈与远距离供能单元组成的复合式充电，本发明实施例中的供能结构能够增加全植入脑机接口系统在体服役时长，并可根据使用者静止与活动状态，满足日常全时段的供能需求，真正实现使用者的活动自由。

本发明上述实施例中的用于全时段复合式全植入脑机接口系统的供能结构和方法，采用线圈与远距离供能单元复合式供能方法，能够实现24小时全天候供能，解决线圈集中供能带来的不便，保证患者在自由运动下系统仍能随体供能；且基于远距离无线能量传输的供能方案，实现完全自由的充电效果，能够有效降低电池所需续航，减少电池体积；本发明实施例通过设置传感器和电源管理电路，能够保证系统温升低于生物安全阈值，有效提高供能模块的安全性和稳定性。

本发明实施例还提供一种利用上述的用于全时段复合式全植入脑机接口系统的供能结构实现的供能方法，该供能方法包括：通过电池单元储能并向脑机接口系统供能，通过线圈单元和远距离供能单元两种供能方式对电池单元进行充电。该方法实施例与上述的供能结构实施例基于同样的发明构思，具体请参见上述供能结构实施例。由于供能结构具有的上述技术效果，本发明实施例中的供能方法也应具有同样的技术效果，此处不再赘述。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。上述各优选特征在互不冲突的情况下，可以任意组合使用。

Claims (10)

1.一种用于全时段复合式全植入脑机接口系统的供能结构，其特征在于，包括壳体和设于所述壳体内的线圈单元、远距离供能单元和电池单元；

所述线圈单元和所述远距离供能单元分别与所述电池单元连接，所述电池单元用于储能并向脑机接口系统供能，所述线圈单元和所述远距离供能单元分别用于向所述电池单元充电。

2.根据权利要求1所述的用于全时段复合式全植入脑机接口系统的供能结构，其特征在于，所述线圈单元采用生物兼容金属材料制作，所述线圈单元包括发射线圈和接收线圈；

所述发射线圈包括发射控制电路、振荡电路、功放电路、发射阻抗匹配电路和发射线圈；所述发射控制电路用于分别控制所述振荡电路、所述功放电路和所述发射阻抗匹配电路；电信号依次经过所述振荡电路和所述功放电路，最后由所述发射阻抗匹配电路到所述发射线圈产生磁场；

所述接收线圈包括接收控制电路、接收阻抗匹配电路、能量恢复电路、后级电路和接收线圈；所述接收控制电路用于分别控制所述接收阻抗匹配电路、能量恢复电路和后级电路；所述接收线圈将磁场信号转换为电流信号后，由所述接收阻抗匹配电路传到所述能量恢复电路，所述能量恢复电路将电磁波转化为电压信号，然后经所述后级电路对所述电池进行充电。

3.根据权利要求1所述的用于全时段复合式全植入脑机接口系统的供能结构，其特征在于，所述远距离供能单元包括发射端部分和接收端部分，远距离供能方式包括天线、蓝牙和超声中的任意一种；

所述发射端部分包括能量发射单元和用于控制所述能量发射单元的发射控制电路；

所述接收端部分包括能量接收单元、带通滤波器、低噪声放大器、相位偏移器、可变放大器、功率组合器、本地振荡器和低通滤波器；能量传输信号经所述接收端部分由所述能量接收单元接收，依次经所述带通滤波器、所述低噪声放大器、所述相位偏移器和所述可变放大器，并经所述功率组合器组合后，依次经过所述本地振荡器和所述低通滤波器后，对所述电池充电。

4.根据权利要求1所述的用于全时段复合式全植入脑机接口系统的供能结构，其特征在于，所述线圈单元用于近距离集中充电，充电距离为小于0.5米；所述远距离供能单元用于远距离自由立体充电，充电距离为小于100米。

5.根据权利要求1所述的用于全时段复合式全植入脑机接口系统的供能结构，其特征在于，所述电池单元为植入式可充电电池。

6.根据权利要求1所述的用于全时段复合式全植入脑机接口系统的供能结构，其特征在于，还包括设于所述壳体内的数据处理芯片和传感器，所述传感器用于监测所述供能结构的工作状态；所述数据处理芯片用于处理所述传感器采集到的信号，并控制供能结构的充放电速度，以及向体外上位机传输数据并接受上位机的控制指令。

7.根据权利要求6所述的用于全时段复合式全植入脑机接口系统的供能结构，其特征在于，所述传感器包括温度传感器、湿度传感器、加速度计和陀螺仪中的任意一种。

8.根据权利要求1所述的用于全时段复合式全植入脑机接口系统的供能结构，其特征在于，所述壳体由生物相容性材料制成；所述壳体上设有可扩展接口，所述可扩展接口用于实现对外部设备供电或实现与其他供能结构的联合供能。

9.根据权利要求1所述的用于全时段复合式全植入脑机接口系统的供能结构，其特征在于，所述供能结构应用于大脑皮层下全植入方式，所述壳体嵌入在颅骨凹陷处。

10.一种利用权利要求1-9任一项所述的用于全时段复合式全植入脑机接口系统的供能结构实现的供能方法，其特征在于，通过电池单元储能并向脑机接口系统供能，通过线圈单元和远距离供能单元两种供能方式对电池进行充电。

Images