CN115133670A - 一种体内设备无线充能系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种体内设备无线充能系统，应用于对体内设备进行充能，包括：体外设备；其中，体外设备设置有第一射频发射器，体内设备设置有第一射频接收器；当体外设备通过第一射频发射器发送广播射频信号时，体内设备通过第一射频接收器将广播射频信号转换为电能。本发明通过广播射频为体内设备进行充能，不仅实现了一个体外设备可以同时为多个体内设备进行充能，还避免了充电时线圈发热对人体产生的不良影响；体内设备即时使用收集到的能量，减小了体内设备的体积。

Description

一种体内设备无线充能系统
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，特别是涉及一种无线充电系统。
背景技术
慢性病全称是慢性非传染性疾病，不是特指某种疾病，而是对一类起病隐匿，病程长且病情迁延不愈，缺乏确切的传染性生物病因证据，病因复杂，且有些尚未完全被确认的疾病的概括性总称。虽然慢性病可能会导致严重的后果，但如果能对患者进行科学有效的生命体征监测,很多重大慢性病是可以提前预知并加以治疗的。无线体域网(WBAN)的出现，为慢性病患者的健康监测提供了一种简单，低成本的手段。基于WBAN技术，通过在慢性病患者体表或者体内布置能自动采集人体心电、脑电、肌电、体温、血压、血糖、血氧等生命体征参数的传感器，即可实现实时、方便、全天候的健康监测。随着微电子技术的发展，可穿戴、可植入、可侵入的服务于人的健康监护设备已经出现：如穿戴于指尖的血氧传感器、腕表型血糖传感器、腕表型睡眠品质测量器、睡眠生理检查器、可植入型身份识别组件等。为了实现高可靠性的数据传输并延长植入设备的使用寿命，并不适合采用植入式电池来给整个系统供能。因为当植入设备的电池能量耗尽时，更换植入设备的电池十分麻烦。为了提供持续的能量，无线供能装置是当下研究点的热点。
目前常规的无线供能装置包括：体外发射模块、人机交互设备以及体内接收模块和通信模块，其中：人机交互设备发送运动指令控制体外发射模块的平移和旋转动作，通过通信模块传输指令给体内微诊疗设备控制其成像，并将图像数据传输至体外在人机交互设备上显示；体内接收模块通过电磁感应耦合体外发射的能量并整流为直流电后为体内微诊疗设备提供能量；根据人机交互设备显示的图像数据，调节体外发射模块的方向位置参数，使体外发射模块与体内接收模块处于耦合状态以提供充足能量。虽然上述无线供能装置能够为体内接收模块提供持续的能量，但是由于体内接收模块设置有能量管理电路和接收线圈，导致体内接收模块体积过大、无法设置更多的信息采集电路；此外，随着体内接收模块工作时间延长，接收线圈会发热，对人体产生不良影响。因此存在着体内接收模块体积过大、接收线圈会发热的问题。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的体内接收模块体积过大、接收线圈会发热等缺陷，提供一种体内设备无线充能系统。
为实现以上发明目的，而采用的技术手段是：
一种体内设备无线充能系统，应用于对体内设备进行充能，包括：体外设备；其中，所述体外设备设置有第一射频发射器，所述体内设备设置有第一射频接收器；当所述体外设备通过第一射频发射器发送广播射频信号时，所述体内设备通过第一射频接收器将广播射频信号转换为电能。
本技术手段中，通过射频发射器和射频接收器使得体外设备可以为体内设备充能，从而驱动体内设备工作；每当需要体内设备工作时，只需要发送广播射频信号即可驱动体内设备工作，因此体内设备不需要增设能量管理以及储存的电路，从而减小了体内设备的体积。
进一步地，本发明还提出一种体内设备无线充能方法，应用于包括体外设备、中继设备和体内设备的体内设备充能系统，其中：
中继设备根据其储存的电能，执行发送广播射频信号或向体外设备发送请求充能信号；
体外设备主动发送广播射频信号，中继设备充能后发送广播射频信号对体内设备进行充能。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：通过广播射频为体内设备进行充能，不仅实现了一个体外设备可以同时为多个体内设备进行充能，还避免了充电时线圈发热对人体产生的不良影响；体内设备即时使用收集到的能量，减小了体内设备的体积。
附图说明
图1为实施例1中的体内设备无线充能系统的示意图；
图2为实施例2中的体内设备无线充能系统的示意图；
图3为实施例3中的中继传信功率与中断概率图；
图4为实施例3中的传输速率与吞吐量图；
图5为实施例3中的电池容量与中断概率图；
图6为实施例3中的中内间距与中断概率图；
图7为实施例3中的中继功率与中断概率图；
图8为实施例3中的中外间距与中断概率图；
图9为实施例3中的传输速率与中断概率图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
本实施例提出一种体内设备无线充能系统，如图1所示，为本实施例的体内设备无线充能系统的示意图。
本实施例提出的体内设备无线充能系统，应用于对体内设备进行充能，包括：体外设备。其中，体外设备设置有第一射频发射器，体内设备设置有第一射频接收器；当体外设备通过第一射频发射器发送广播射频信号时，体内设备通过第一射频接收器将广播射频信号转换为电能。
在实际运用中，先将体内设备植入人体，再通过体外设备发送广播射频信号驱动体内设备工作。当体外设备发送广播射频信号时，体内设备通过第一射频接收器将接收到的广播射频信号转换为电能，并将电能驱动其他电路工作。本实施例通过广播射频为体内设备进行充能，不仅实现了一个体外设备可以同时为多个体内设备进行充能，还避免了充电时线圈发热对人体产生的不良影响。此外，体内设备即时使用收集到的能量，减小了体内设备的体积。
实施例2
本实施例提出一种体内设备无线充能系统，是基于实施例1中的体内设备无线充能系统之上改进的，主要通过增设中继设备，提升了体内设备充能的稳定性和用户的自由度。如图2所示，为本实施例的体内设备无线充能系统的示意图。
本实施例中，体内设备和体外设备分别设置有第三通信模块和第一通信模块，使得体内设备和体外设备具备通信功能。本实施例中，体内设备无线充能系统还包括中继设备，中继设备上设置有第二射频发射器、第二射频接收器、第二通信模块、第一能量缓冲器和第二能量缓冲器。
本实施例中的中继设备能够有效提升体内设备充能的稳定性、增加体外设备和体内设备之间的距离，从而使得用户拥有更大的活动范围。如果没有中继设备，体外设备发射的射频先后经过空气和人体传播，广播射频信号会随着传播距离的增加而减少；因此为了保证体内设备的充能效果，用户往往只能在距离体外设备一米内的范围活动。而在增加中继设备以后，用户的活动范围不再受限于体内设备的充能范围。由于中继设备设置在体外，因此中继设备可以设置有储存电能的能量缓冲器。
在实际运用中，中继设备一般设置在人体表面，为方便用户也可以设置在随身衣物上。当需要体内设备工作时，先通过体外设备上的第一射频发射器发送广播射频信号，中继设备通过第二射频接收器将广播射频信号转换为电能；电能先储存在第二能量缓冲器，再从第二能量缓冲器传输至第一能量缓冲器。随后，中继设备消耗第一能量缓冲器里的电能，通过第二射频发射器发送广播射频信号，对体内设备进行充能。
实施例3
本实施例提出一种体内设备无线充能方法，应用于包括体外设备、中继设备和体内设备的体内设备充能系统，其中：
中继设备根据其储存的电能，执行发送广播射频信号或向体外设备发送请求充能信号；
体外设备主动发送广播射频信号，中继设备充能后发送广播射频信号对体内设备进行充能。
本实施例中，提供两种方法，使中继设备根据其储存的电能，执行发送广播射频信号或向所述体外设备发送请求充能信号。以下为本实施例中的第一种方法 BEP(best-effort policy，尽力而为策略)：当中继设备储存的电能高于2k+2x+2y 时，中继设备通过第二射频发射器发送广播射频信号，对体内设备进行充能；体内设备获得充能后，采集生命体征参数并发送给中继设备，中继设备再将生命体征参数发送给体外设备；体外设备记录并显示生命体征参数；其中，k表示中继设备发送广播射频信号使得体内设备完成一次工作所消耗的电能，x表示中继设备接收信息时所消耗的电能，y表示中继设备发送信息时所消耗的电能。当中继设备储存的电能处于k+x+y和2k+2x+2y之间时，中继设备通过第二射频发射器发送广播射频信号，对体内设备进行充能；体内设备获得充能后，采集生命体征参数并发送给中继设备，中继设备再将生命体征参数和请求充能信号发送给体外设备；体外设备记录并显示生命体征参数，通过第一射频发射器发送广播射频信号，对中继设备进行充能。当中继设备储存的电能低于k+x+y时，中继设备通过第二通信模块将请求充能信号发送给体外设备；体外设备接收到请求充能信号后，通过第一射频发射器发送广播射频信号，对中继设备进行充能。
以下为本实施例中的第二种方法OOP(on-off policy，开关策略)：当中继设备储存的电能高于2k+2x+2y时，中继设备通过第二射频发射器发送广播射频信号，对体内设备进行充能；体内设备获得充能后，采集生命体征参数并发送给中继设备，中继设备再将生命体征参数发送给体外设备；体外设备记录并显示生命体征参数。当中继设备储存的电能低于或等于2k+2x+2y时，中继设备通过第二通信模块将请求充能信号发送给体外设备；体外设备接收到请求充能信号后，通过第一射频发射器发送广播射频信号，对中继设备进行充能。
此外，本实施例中，提供一种体外设备主动发送广播射频信号对中继设备进行充能方法BLP(buffer-less policy，无能量缓冲策略)：当体外设备在预设时间内未收到来自中继设备发送的信息时，体外设备通过第一射频发射器发送广播射频信号，对中继设备和体内设备进行充能。
进一步的，体外设备可以增设一个让体内设备即时充能的指令，方便用户可以随时为体内设备充能。当工作人员通过体外设备发送即时指令给中继设备时，中继设备通过第二射频发射器发送广播射频信号，对体内设备进行充能。体内设备充能后，即可执行包括采集生命体征参数在内的其他工作。
为了对比在不同情形下体内设备的充能效果，本实施例进行了以下仿真测试：
为了模拟出体内设备与中继设备在人体内进行通信的情形，本仿真测试中体内设备与中继设备之间采用对数正态衰落信道进行通信，所用的传输频段为 402-405MHZ；为了模拟出体外设备与中继设备在空气中进行通信的情形，中继设备和体外设备之间采用Nakagami-m信道进行通信，所用的传输频段为 2.36GHZ。本仿真测试中，将体内设备与中继设备之间的距离dSR设置为6厘米，将体外设备与中继设备之间的距离dRD设置为1米；中继设备中的电池容量设置为
Figure BDA0003706418070000061
其中，
Figure BDA0003706418070000062
l＝4，n为射频信号转换为能量的转换效率、数值为 0.9，PD为第一射频发射器的功率、数值为6.3×10-3W，m为信道增益的均值、数值为1。第二射频发射器的功率为PRS＝5×10-4W。本仿真测试中，第一射频发射器的每次工作时间为1秒，第二射频发射器的每次工作时间为1秒，通信模块之间的通信时间为1秒。为了进一步贴近现实，本次仿真测试中的体内设备设置有采集模块，用于采集生命体征参数。因此，本次仿真测试中的一个完整流程为：体外设备通过第一射频发射器发送广播射频信号对中继设备进行充能，中继设备充能完毕后通过第二射频发射器发送广播射频信号对体内设备进行充能，体内设备充能完毕后采集生命体征参数并发送给中继设备，中继设备再将生命体征参数发送给体外设备。
本仿真测试中，在MATLAB软件上仿真测试了三种方法在不同情形下系统的中断性能和通信吞吐量性能。本次仿真测试中的三种方法包括方法BEP，仿真测试中的方法BEP进一步细化，具体操作如下：先通过体外设备中的第一射频发射器发送广播射频信号对中继设备进行充能，中继设备充能完毕后依据其储存的电能执行不同的操作，使得体内设备和体外设备执行相应的操作：当中继设备储存的电能高于2k+2x+2y时，中继设备通过第二射频发射器发送广播射频信号，对体内设备进行充能，体内设备即时采集生命体征参数并发送给中继设备，中继设备再将生命体征参数发送给体外设备；当中继设备储存的电能处于k+x+y和 2k+2x+2y之间时，中继设备通过第二射频发射器发送广播射频信号对体内设备进行充能，体内设备即时采集生命体征参数并发送给中继设备，中继设备再将生命体征参数和请求充能信号发送给体外设备，最后体外设备通过第一射频发射器发送广播射频信号对中继设备进行充能；当中继设备储存的电能处于k+x和 k+x+y之间时，中继设备通过第二射频发射器发送广播射频信号，对体内设备进行充能；体内设备获得充能后，采集生命体征参数并发送给中继设备，中继设备再利用剩余的所有电能将生命体征参数和请求充能信号发送给体外设备。当中继设备储存的电能低于k+x时，中继设备通过第二通信模块将请求充能信号发送给体外设备；体外设备接收到请求充能信号后，通过第一射频发射器发送广播射频信号，对中继设备进行充能。
本次仿真测试中的三种方法包括方法OOP，具体操作如下：先通过体外设备中的第一射频发射器发送广播射频信号对中继设备进行充能，中继设备充能完毕后依据其储存的电能执行不同的操作，使得体内设备和体外设备执行相应的操作：当中继设备储存的电能高于2k+2x+2y时，中继设备通过第二射频发射器发送广播射频信号，对体内设备进行充能，体内设备即时采集生命体征参数并发送给中继设备，中继设备再将生命体征参数发送给体外设备；当中继设备储存的电能低于2k+2x+2y时，中继设备通过第二通信模块将请求充能信号发送给体外设备，体外设备通过第一射频发射器发送广播射频信号对中继设备进行充能。
本次仿真测试中的三种方法还包括方法BLP，具体操作如下：耗尽中继设备和体内设备的电能后，通过体外设备中的第一射频发射器发送广播射频信号，对中继设备和体内设备进行充能；体内设备即时采集生命体征参数并发送给中继设备，中继设备再将生命体征参数发送给体外设备。
以下为各个仿真测试中获得的结果：
如图3所示，为本次仿真测试的中继传信功率与中断概率图，用于分析在三种不同方法下，整个系统的中断性能与中继传信功率大小之间的关系。其中，纵坐标为中断概率，横坐标为中继因子
Figure BDA0003706418070000071
其中，本测试中通过修改y的大小来改变的δ大小。通过分析可得，由于方法BLP中的中继设备没有储存电能，因此无法得出在此方法下整个系统的中断概率与中继设备所储存的电能之间的关系。由图可知，当δ≤0.6时，即中继设备所储存的电能较多时，方法BEP和方法 OOP中通信模块的中断概率大致相同。当δ>0.6时，即中继设备所储存的电能较少时，方法BEP中通信模块的中断概率低于方法OOP；原因是在方法OOP中，当中继设备储存的电能小于k+x+y时，中继设备就会发生中断；而方法BEP中的中继设备没有这个阈值设定。
如图4所示，为本仿真测试的传输速率与吞吐量图，用于分析在三种不同方法下，通信模块的吞吐量与传输速率之间的关系。其中，横坐标表示整个系统中的通信模块传输速率，纵坐标为通信模块在单位时间内接收到的信息量(即吞吐量)。通过分析可得，当传输速率处于1～7bpcu(离散时间信道的单位,bits per channel use)时，三种方法的平均吞吐量均较低，这是因为通信模块在单位时间内接收到的信息量受到Rt的限制；当传输速率处于7～9bpcu时，方法OOP的平均吞吐量要优于BEP和BLP；当传输速率处于9～11bpcu时，BLP的平均吞吐量与 OOP相近，且优于BEP。
如图5所示，为本仿真测试的电池容量与中断概率图，用于分析中继设备的电池容量与中断性能之间的关系，其中，纵坐标为整个系统的中断概率，横坐标为中继因子。通过分析可得，随着中继设备的电池容量的增加，方法BEP和方法OOP的中断性能均有所提升；当中继设备的电池容量较大时，方法BEP和方法OOP的最低中断概率大致相同。
如图6所示，为本仿真测试的中内间距与中断概率图，用于分析中继设备和体内设备之间的距离对中断性能的影响。其中，纵坐标为整个系统的中断概率，横坐标为中继因子。通过分析可得，中继设备和体内设备之间的距离越大，三种方法的中断性能越差。
如图7所示，为本仿真测试的中继功率与中断概率图，用于分析中继设备发送射频信号的功率大小对中断性能的影响。其中，纵坐标为整个系统的中断概率，横坐标为中继因子。通过分析可得，增大中继设备发送射频信号的功率可以有效提高中断性能。
如图8所示，为本仿真测试的中外间距与中断概率图，用于分析当中继设备和体内设备之间的距离为12厘米时，中继设备和体外设备之间的距离对中断性能的影响。其中，纵坐标为整个系统的中断概率，横坐标为中继因子。通过分析可得，当体外设备和中继设备之间的距离增大时，三种方法的中断性能均变差。然而，由于方法BEP和方法OOP中的中继设备储存有一定电能，因此中断性能优于方法BLP。
如图9所示，为本仿真测试的传输速率与中断概率图，用于分析传输速率对中断性能的影响。其中，纵坐标为整个系统的中断概率，横坐标为中继因子。通过分析可得，三种方法的中断性能随着传输速率的增加而略微变差。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种体内设备无线充能系统，应用于对体内设备进行充能，其特征在于，包括：体外设备；其中，所述体外设备设置有第一射频发射器，所述体内设备设置有第一射频接收器；当所述体外设备通过第一射频发射器发送广播射频信号时，所述体内设备通过第一射频接收器将广播射频信号转换为电能。
2.根据权利要求1所述的体内设备无线充能系统，其特征在于：所述系统还包括中继设备，所述中继设备包括第二射频发射器和第二射频接收器；当所述体外设备通过第一射频发射器发送广播射频信号时，所述中继设备通过第二射频接收器将广播射频信号转换为电能并储存；当所述中继设备通过第二射频发射器发送广播射频信号时，所述体内设备通过第一射频接收器将广播射频信号转换为电能。
3.根据权利要求2所述的体内设备无线充能系统，其特征在于：所述中继设备还包括用于供电的第一能量缓冲器和用于储存电能的第二能量缓冲器；当所述中继设备将广播射频信号转换为电能时，电能先储存在第二能量缓冲器中，再从第二能量缓冲器传输至第一能量缓冲器；当所述中继设备工作时，所述中继设备消耗第一能量缓冲器中的电能。
4.根据权利要求2或3所述的体内设备无线充能系统，其特征在于：所述体外设备还包括第一通信模块，所述中继设备还包括第二通信模块，所述体外设备还包括第三通信模块；所述体内设备与中继设备，以及中继设备与体外设备之间通过通信模块通信。
5.根据权利要求1～3任一项所述的体内设备无线充能系统，其特征在于：所述体外设备还包括第一通信模块，所述体外设备还包括第三通信模块；所述体内设备与体外设备之间通过通信模块通信。
6.一种体内设备无线充能方法，其特征在于，应用于包括体外设备、中继设备和体内设备的体内设备充能系统，其中：
所述中继设备根据其储存的电能，执行发送广播射频信号或向所述体外设备发送请求充能信号；
所述体外设备主动发送广播射频信号，所述中继设备充能后发送广播射频信号对体内设备进行充能。
7.根据权利要求6所述的体内设备无线充能方法，其特征在于：所述中继设备根据其储存的电能，执行发送广播射频信号或向所述体外设备发送请求充能信号的步骤具体如下：
当所述中继设备储存的电能高于2k+2x+2y时，所述中继设备通过第二射频发射器发送广播射频信号，对所述体内设备进行充能；其中，k表示所述中继设备发送广播射频信号使得所述体内设备完成一次工作所消耗的电能，x表示所述中继设备接收信息时所消耗的电能，y表示所述中继设备发送信息时所消耗的电能；
当所述中继设备储存的电能处于k+x+y和2k+2x+2y之间时，所述中继设备通过第二射频发射器发送广播射频信号，对所述体内设备进行充能；并通过第二通信模块发送请求充能信号给所述体外设备；所述体外设备接收到请求充能信号后，通过第一射频发射器发送广播射频信号，对所述中继设备进行充能；
当所述中继设备储存的电能低于k+x+y时，所述中继设备通过第二通信模块将请求充能信号发送给所述体外设备；所述体外设备接收到请求充能信号后，通过第一射频发射器发送广播射频信号，对所述中继设备进行充能。
8.根据权利要求6所述的体内设备无线充能方法，其特征在于：所述中继设备根据其储存的电能，执行发送广播射频信号或向所述体外设备发送请求充能信号的步骤具体如下：
当所述中继设备储存的电能高于2k+2x+2y时，所述中继设备通过第二射频发射器发送广播射频信号，对所述体内设备进行充能；其中，k表示所述中继设备发送广播射频信号使得所述体内设备完成一次工作所消耗的电能，x表示所述中继设备接收信息时所消耗的电能，y表示所述中继设备发送信息时所消耗的电能；
当所述中继设备储存的电能低于或等于2k+2x+2y时，所述中继设备通过第二通信模块将请求充能信号发送给所述体外设备；所述体外设备接收到请求充能信号后，通过第一射频发射器发送广播射频信号，对所述中继设备进行充能。
9.根据权利要求6所述的体内设备无线充电方法，其特征在于：所述体外设备主动发送广播射频信号，所述中继设备充能后发送广播射频信号对体内设备进行充能的具体步骤如下：
当所述体外设备在预设时间内未收到来自所述中继设备发送的信息时，所述体外设备通过第一射频发射器发送广播射频信号，对所述中继设备和体内设备进行充能。
10.根据权利要求6所述的体内设备无线充电方法，其特征在于：所述体外设备主动发送广播射频信号，所述中继设备充能后发送广播射频信号对体内设备进行充能的具体步骤如下：
当工作人员通过所述体外设备发送即时指令给所述中继设备时，所述体外设备通过第一射频发射器发送广播射频信号，所述中继设备充能后通过第二射频发射器发送广播射频信号，对所述体内设备进行充能。
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