CN117080722A - 一种植入式医疗设备的单极子天线系统 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种植入式医疗设备的单极子天线系统,包括外壳、电路板、若干组电极连接器以及弯折单极子天线,弯折单极子天线包括天线本体和阻抗匹配网络,通过将天线本体与电极连接器合理的设置在顶壳体中,阻抗匹配网络设置于电路板上,电极连接器与电路板电连接,天线本体、阻抗匹配网络以及射频接口依次电连接,天线本体的拓扑结构为空间立体线段,天线本体与电极连接器的轴向端相对设置,形成电容加载的布局,利用电磁寄生效应实现顶部容性加载的单极子天线,使弯折单极子天线能够有效辐射,结合阻抗匹配网络,该弯折单极子天线可以在较低的发射功率下实现与体外控制装置可靠通信,并且其较低的能耗有效的延长了植入式医疗设备的使用寿命。
Description
技术领域
本申请属于医疗器械技术领域,尤其涉及一种植入式医疗设备的单极子天线系统。
背景技术
近年,植入式医疗设备的单极子天线系统受到广泛关注,并呈现逐步替代传统体外医疗设备的趋势。相比于体外医疗设备,植入式医疗设备的单极子天线系统具有诸多优势,包括重量尺寸小,使用场景灵活,可全天候监测使用者健康状况,可为使用者提供实时医疗援助等。
传统的植入式医疗设备的单极子天线系统主要依靠内置的小型化天线与体外控制装置进行信息交互。植入式医疗设备的单极子天线系统与体外控制器的通信频段是2.45GHz的蓝牙工作频段,而环形天线想要有效辐射,其总长度约为一个波长,这在植入式医疗设备的单极子天线系统内部的狭小空间中是较难实现的,导致传统植入式医疗设备的单极子天线系统中的天线效率低,辐射能力差,进而影响植入式医疗设备的单极子天线系统的无线通信质量,导致用户体验降级。
发明内容
本申请实施例提供了一种植入式医疗设备的单极子天线系统,通过将天线本体与电极连接器合理的设置在顶壳体中,利用电磁寄生效应实现顶部容性加载的单极子天线,使弯折单极子天线能够有效辐射,结合阻抗匹配网络,该弯折单极子天线可以在较低的发射功率下实现与体外控制装置可靠通信,解决了传统植入式医疗设备中的天线效率低,辐射能力差,进而影响植入式医疗设备的无线通信质量,导致用户体验降级的问题。
本申请实施例提供一种植入式医疗设备的单极子天线系统,包括外壳、电路板、若干组电极连接器以及弯折单极子天线;
所述外壳包括相连的主壳体和顶壳体,所述主壳体和所述顶壳体内分别设有第一内腔和第二内腔,所述电路板设置于所述主壳体内,所述电路板上设有射频接口,若干组所述电极连接器设置于所述顶壳体内,若干组所述电极连接器与所述电路板电连接,所述弯折单极子天线包括天线本体和阻抗匹配网络,所述天线本体设置于所述顶壳体内,所述阻抗匹配网络设置于所述电路板上,所述天线本体、所述阻抗匹配网络以及所述射频接口依次电连接;
所述天线本体的拓扑结构为空间立体线段,所述天线本体与所述电极连接器的轴向端相对设置,形成电容加载的布局,利用电磁寄生效应实现顶部容性加载的单极子天线,使弯折单极子天线能够有效辐射,结合阻抗匹配网络,该弯折单极子天线可以在较低的发射功率下实现与体外控制装置可靠通信,并且其较低的能耗有效的延长了植入式医疗设备的使用寿命。
在一种可行的实现方式中,所述铂钇金属丝贯穿所述主壳体与所述顶壳体的连接处,所述天线本体、至少部分所述铂钇金属丝、所述阻抗匹配网络以及所述射频接口依次电连接。
在一种可行的实现方式中,所述铂钇金属丝包括第一金属丝和第二金属丝;
所述第一金属丝的第一端位于所述主壳体内,且与所述电路板电连接,所述第一金属丝的第二端位于所述顶壳体内,且与所述天线本体电连接;
所述第二金属丝的第一端位于所述主壳体内,且与所述电路板电连接,所述第二金属丝的第二端位于所述顶壳体内,且空置。
在一种可行的实现方式中,植入式医疗设备的单极子天线系统还包括陶瓷连接体;
所述陶瓷连接体设置于所述主壳体上,所述铂钇金属丝贯穿所述陶瓷连接体。
在一种可行的实现方式中,所述天线本体包括依次连接的第一段、第二段、第三段以及第四段;
若干组所述电极连接器的轴线所在的平面为第一面,过一根所述电极连接器的轴线,且与所述第一面相垂直的平面为第二面,所述第一段的端部与所述第一金属丝的第二端连接,所述第二段、所述第三段以及所述第四段均位于所述第二面内,所述第二段穿过所述第一面,所述第三段与所述第一面相平行,所述第四段与所述第三段相垂直,且与所述电极连接器的轴向端相对;
所述第一段、所述第二段、所述第三段以及所述第四段构成三维弯折,避让所述主壳体内部件,且利用已有金属结构在微波频段的高频寄生效应,使得天线的性能和尺寸优化。
本申请所提供的弯折单极子天线的效率高,所以相同通信距离下发射功率较低,节约电池能量的同时降低辐射对人体的影响。为了进一步提高弯折单极子天线带宽,在印制电路板上进行弯折单极子天线的阻抗匹配设计,匹配电路元件没有电阻耗能元件,使从芯片出来的能量无损馈入天线。
在一种可行的实现方式中,所述阻抗匹配网络包括并联电容、并联电感、串联电感以及串联电容,所述并联电容与所述并联电感并联后,依次串联所述串联电感和所述串联电容;
所述并联电容和所述并联电感的第一端均与所述第一金属丝的第一端电连接,还与所述串联电感电连接;
所述射频接口的第一端与所述串联电容电连接,所述射频接口的第二端,即零电势参考点,与所述并联电容和所述并联电感的第二端电连接,还与所述第二金属丝的第一端电连接。
在一种可行的实现方式中,所述并联电容的电容值为5.1pF,所述并联电感的电感值为0.7nH,所述串联电感的电感值为4.3nH,所述串联电容的电容值为0.8pF。
在一种可行的实现方式中,所述第四段与所述电极连接器的轴向端的距离大于1.5mm。
在一种可行的实现方式中,所述弯折单极子天线的中心频率为2.45Hz,带宽大于或等于160MHz。
在一种可行的实现方式中,所述电极连接器通过金属连接线与所述电路板电连接。
本申请实施例提供的一种植入式医疗设备的单极子天线系统,包括外壳、电路板、若干组电极连接器以及弯折单极子天线,弯折单极子天线包括天线本体和阻抗匹配网络,通过将电路板设置于主壳体内,且电路板上设有射频接口,将天线本体与电极连接器合理的设置在顶壳体中,阻抗匹配网络设置于电路板上,电极连接器与电路板电连接,天线本体、阻抗匹配网络以及射频接口依次电连接,天线本体的拓扑结构为空间立体线段,天线本体与电极连接器的轴向端相对设置,形成电容加载的布局,利用电磁寄生效应实现顶部容性加载的单极子天线,使弯折单极子天线能够有效辐射,结合阻抗匹配网络,该弯折单极子天线可以在较低的发射功率下实现与体外控制装置可靠通信,并且其较低的能耗有效的延长了植入式医疗设备的使用寿命。
附图说明
图1是本申请提供的植入式医疗设备的单极子天线系统的结构示意图;
图2是外壳内部结构的示意图;
图3是电路板及其连接结构的示意图;
图4是一种天线本体的结构示意图;
图5是另一种天线本体的结构示意图;
图6是天线本体与电极连接器配合状态的示意图;
图7是阻抗匹配网络的结构示意图;
图8是植入式医疗设备的弯折单极子天线电路的S11曲线;
图9为植入式医疗设备的弯折单极子天线中心频率的第一方向图;
图10为植入式医疗设备的弯折单极子天线中心频率的第二方向图。
附图标记说明:
100-外壳;200-电路板;300-电极连接器;400-弯折单极子天线;500-铂钇金属丝;600-陶瓷连接体;
110-主壳体;120-顶壳体;410-天线本体;420-阻抗匹配网络;510-第一金属丝;520-第二金属丝;
411-第一段;412-第二段;413-第三段;414-第四段;421-并联电容;422-并联电感;423-串联电感;424-串联电容。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案,下面将结合本申请实施例中的附图,对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都应当属于本申请保护的范围。
常见的植入式医疗设备包括植入式神经刺激系统、植入式药物输注系统。植入式神经刺激系统可以根据使用需求和安装位置,对不同的人体部位实现电刺激,例如:脑深部电刺激(DBS)、脑皮层刺激(CNS)、脊髓电刺激(SCS)、骶神经电刺激(SNS)、迷走神经电刺激(VNS)等。植入式药物输注系统可在人体内输注药物,根据其输注位置,可细分为静脉型、腹腔型、动脉型和鞘内型。
以植入式神经刺激系统为例,主要包括植入式神经刺激器、电极以及体外控制器。其中,神经刺激器与电极连接,将电脉冲信号传输到电极,进而传输至特定神经靶点进行电刺激,最终使特定人体器官恢复正常机能。体外控制器包括医生程控仪和患者程控仪。患者程控仪是患者调节体内脉冲发生器的输出参数的装置,通常,该仪器的调节范围由医护人员设置,患者在此范围内根据自身情况自行调控。医生程控仪由医生持有,可用于监测患者身体机能,调节患者体内神经刺激器的输出参数,通常一个医生程控仪可控制多个神经刺激器。患者程控仪和医生程控仪通常采用无线信息传输与神经刺激器进行通信。
现有的植入式医疗设备主要依靠内置的小型化天线与体外控制装置进行信息交互。植入式医疗设备与体外控制器的通信频段是2.45GHz的蓝牙工作频段,而环形天线想要有效辐射,其总长度约为一个波长,这在植入式医疗设备内部的狭小空间中是较难实现的,并且医疗设备内部的金属结构也会对天线的辐射能力造成干扰,影响通信质量。另外一种用于植入式医疗设备的螺旋天线需要进行精密加工,加工过程复杂,并且在装配过程中容易出现误差,比如金属振动导致螺旋天线的螺距改变;上述问题都会极大程度的影响天线实际效果,带来诸如天线频偏,能量无法有效辐射,天线损耗大等问题。
本发明提出了一种结构简单,加工方便的高效率的应用于植入式医疗设备的2.45GHz蓝牙频段的弯折单极子天线。蓝牙频段具有功耗低、延时低、天线尺寸较小等优势。该设备利用顶壳体的空间,将天线本体与电极连接器合理的设置在顶壳体中,利用电磁寄生效应实现顶部容性加载的单极子天线,使弯折单极子天线能够有效辐射,结合阻抗匹配网络,该弯折单极子天线可以在较低的发射功率下实现与体外控制装置可靠通信,并且其较低的能耗有效的延长了植入式医疗设备的使用寿命。
以下结合附图对本申请提供的植入式医疗设备的单极子天线系统的具体结构进行详细说明。
参照图1-4所示,本申请实施例提供了一种植入式医疗设备的单极子天线系统,包括外壳100、电路板200、若干组电极连接器300以及弯折单极子天线400;
如图1和图2所示,外壳100包括相连的主壳体110和顶壳体120,顶壳体120可设置于主壳体110的顶部,主壳体110和顶壳体120内分别设有第一内腔和第二内腔,主壳体110的材料可为金属钛,金属钛具有密度小、强度高、比强度大、耐腐蚀、耐热性能好、无磁等特点,顶壳体120的材料可为环氧乙烷,环氧乙烷的介电常数为3.3,损耗角正切为0.002;
电路板200设置于主壳体110的第一内腔内,本申请中电路板200的形状和功能不做限定,电路板200上设有射频接口,射频接口可为50欧姆的射频接口,可同时传输模拟视频以及音频信号;
如图2所示,顶壳体120的第二内腔中设有两组水平方向平行放置的电极连接器300,电极连接器300的右侧连接端伸出顶壳体120,若干组电极连接器300可通过金属连接线与电路板200电连接;
弯折单极子天线400包括天线本体410和阻抗匹配网络420,阻抗匹配网络420设置于电路板200上,阻抗匹配是指信号源或者传输线跟负载之间达到一种适合的搭配。阻抗匹配主要有两点作用,调整负载功率和抑制信号反射;天线本体410、阻抗匹配网络420以及射频接口依次电连接,天线本体410的拓扑结构为空间立体线段,天线本体410设置于顶壳体120内,位于电极连接器300的左侧,并与电极连接器300水平对齐,形成电容加载的布局,实现顶端加载电容的单极子天线,有效缩短了单极子的尺寸,并使弯折单极子天线能够有效辐射。
该设备利用顶壳体的空间,将天线本体与电极连接器合理的设置在顶壳体中,该弯折单极子天线的合理设置使植入式医疗设备的体积较小,便于植入人体体内,其较低的发射功率也减少了高频电磁辐射对人体的危害。
本发明提出了一种结构简单,加工方便的高效率的应用于植入式医疗设备的2.45GHz蓝牙频段的弯折单极子天线,蓝牙频段具有功耗低、延时低、天线尺寸较小等优势。该设备利用顶壳体120的空间,将天线本体410与电极连接器300合理的设置在顶壳体中,阻抗匹配网络设置于电路板上,电极连接器与电路板电连接,天线本体、阻抗匹配网络以及射频接口依次电连接,天线本体的拓扑结构为空间立体线段,天线本体与电极连接器的轴向端相对设置,形成电容加载的布局,利用电磁寄生效应实现顶部容性加载的单极子天线,使弯折单极子天线能够有效辐射,结合阻抗匹配网络,该弯折单极子天线可以在较低的发射功率下实现与体外控制装置可靠通信,并且其较低的能耗有效的延长了植入式医疗设备的使用寿命。
参照图2-4所示,在一些实施例中,单极子天线系统还包括铂钇金属丝500;
铂钇金属丝500贯穿主壳体110与顶壳体120的连接处,天线本体410、至少部分铂钇金属丝500、阻抗匹配网络420以及射频接口依次电连接。
在一些实施例中,铂钇金属丝500包括第一金属丝510和第二金属丝520,第一金属丝510和第二金属丝520均为铂钇金属丝;
第一金属丝510的第一端位于主壳体110内,且与电路板200电连接,第一金属丝510的第二端位于顶壳体120内,且与天线本体410电连接,第二金属丝520的第一端位于主壳体110内,且与电路板200电连接,第二金属丝520的第二端位于顶壳体120内,且空置,从而构成单极子天线的工作模式。
参照图2-5所示,在一些实施例中,单极子天线系统还包括陶瓷连接体600;
陶瓷连接体600为陶瓷材质,具有良好的绝缘性,陶瓷连接体600设置于主壳体110上,铂钇金属丝500贯穿陶瓷连接体600。
参照图3-6所示,在一些实施例中,天线本体410包括依次连接的第一段411、第二段412、第三段413以及第四段414,第一段411、第二段412、第三段413以及第四段414可为一体结构;
若干组电极连接器300的轴线所在的平面为第一面,过一根电极连接器300的轴线,且与第一面相垂直的平面为第二面,第一段411的端部与第一金属丝510的第二端连接,第二段412、第三段413以及第四段414均位于第二面内,第二段412穿过第一面,第三段413与第一面相平行,第四段414与第三段413相垂直,且与电极连接器300的轴向端相对;
如图4-6所示,图6中A1为左侧电极连接器300的轴线,A2为右侧电极连接器300的轴线,X为过A1和A2的第一面,为水平面,Y为过A1且与X相垂直的第二面,为竖直面;
第一段411整体水平设置,第一段411的一端与第一金属丝510连接,第一段411的另一端位于Y面内,若第一段411全部位于Y面内,则第一段411可为如图4所示的直天线;若第一段411部分位于Y面内,则第一段411可为如图5所示的L形天线,或为弓形等其它形状的天线;
第二段412全部位于Y面内,且穿过X面,第二段412避让主壳体110以及内部件,第二段412可为图4所示的倾斜设置的直天线,还可为图5所示的弯折天线,具体形状不做限定;
第三段413全部位于Y面内,并平行X面向电极连接器300侧延伸,第三段413为直天线;
第四段414全部位于Y面内,且穿过X面,第四段414至少部分与电极连接器300的轴向端相对,且两者的距离大于1.5mm,第四段414可为图4所示的竖直设置的直天线,还可为图5所示的弓形天线;
第一段411、第二段412、第三段413以及第四段414构成三维弯折,避让主壳体110内部件,且利用已有金属结构在微波频段的高频寄生效应,使得天线的性能和尺寸优化。
在一些实施例中,弯折单极子天线400的中心频率为2.45Hz,带宽大于或等于160MHz。
参照图7所示,在一些实施例中,阻抗匹配网络420包括并联电容421、并联电感422、串联电感423以及串联电容424,并联电容421与并联电感422并联后,依次串联串联电感423和串联电容424;
并联电容421和并联电感422的第一端均与第一金属丝510的第一端电连接,还与串联电感423电连接;
射频接口的第一端与串联电容424电连接,射频接口的第二端,即零电势参考点,与并联电容421和并联电感422的第二端电连接,还与第二金属丝520的第一端电连接。
在一些实施例中,并联电容421的电容值为5.1pF,并联电感422的电感值为0.7nH,串联电感423的电感值为4.3nH,串联电容424的电容值为0.8pF。
信号从电路板200上的射频接口发出,首先经过串联电容424,接着经过串联电感423,然后经过并联电感422,再然后经过并联电容421,最后连接到铂钇金属丝,该电容电感值可根据实际情况微调。
图8为本申请实施例提供的植入式医疗设备的弯折单极子天线电路的S11曲线。弯折单极子天线以电路板200上的射频端口为参考面,其散射参数S11如图8中所示,-6dB带宽为2370MHz-2530MHz,完全覆盖蓝牙通信频段2400MHz-2480MHz。
图9和图10为本申请实施例提供的植入式医疗设备的弯折单极子天线中心频率的第一方向图和第二方向图。频率为2.45GHz,phi=0°时天线的增益为3.4dB,3dB波束宽度为110°;phi=90°时天线的增益为3.2dB,3dB波束宽度为120°。
以上天线的仿真结果,仿真由电磁仿真软件CST 2021提供。
本申请所提供的弯折单极子天线结构简单、加工方便且通信效率高,该天线的工作频段为2.45GHz的蓝牙频段。蓝牙频段具有功耗低、延时低、天线尺寸较小等优势。该弯折单极子天线的结构与尺寸考虑了天线实际工作环境,包括植入式医疗设备的外壳、电极连接器、金属连接线以及环氧乙烷和介质基板等的材料参数与拓扑结构,并在商业电磁仿真软件中得到仿真验证。本申请所提供的弯折单极子天线的效率高,所以相同通信距离下发射功率较低,节约电池能量的同时降低辐射对人体的影响。为了进一步提高弯折单极子天线带宽,在印制电路板上进行弯折单极子天线的阻抗匹配设计,匹配电路元件没有电阻耗能元件,使从芯片出来的能量无损馈入天线。
容易理解的是,本领域技术人员在本申请提供的几个实施例的基础上,可以对本申请的实施例进行结合、拆分、重组等得到其他实施例,这些实施例均没有超出本申请的保护范围。
以上的具体实施方式,对本申请实施例的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上仅为本申请实施例的具体实施方式而已,并不用于限定本申请实施例的保护范围,凡在本申请实施例的技术方案的基础之上,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包括在本申请实施例的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种植入式医疗设备的单极子天线系统,其特征在于:包括:
外壳(100),所述外壳(100)包括相连的主壳体(110)和顶壳体(120),所述主壳体(110)和所述顶壳体(120)内分别设有第一内腔和第二内腔;
电路板(200),所述电路板(200)设置于所述主壳体(110)内,所述电路板(200)上设有射频接口;
若干组电极连接器(300),若干组所述电极连接器(300)设置于所述顶壳体(120)内,若干组所述电极连接器(300)与所述电路板(200)电连接;
弯折单极子天线(400),所述弯折单极子天线(400)包括天线本体(410)和阻抗匹配网络(420),所述天线本体(410)设置于所述顶壳体(120)内,所述阻抗匹配网络(420)设置于所述电路板(200)上,所述天线本体(410)、所述阻抗匹配网络(420)以及所述射频接口依次电连接;
所述天线本体(410)的拓扑结构为空间立体线段,所述天线本体(410)与所述电极连接器(300)的轴向端相对设置,形成电容加载的布局。
2.根据权利要求1所述的植入式医疗设备的单极子天线系统,其特征在于:单极子天线系统还包括铂钇金属丝(500);
所述铂钇金属丝(500)贯穿所述主壳体(110)与所述顶壳体(120)的连接处,所述天线本体(410)、至少部分所述铂钇金属丝(500)、所述阻抗匹配网络(420)以及所述射频接口依次电连接。
3.根据权利要求2所述的植入式医疗设备的单极子天线系统,其特征在于:
所述铂钇金属丝(500)包括第一金属丝(510)和第二金属丝(520);
所述第一金属丝(510)的第一端位于所述主壳体(110)内,且与所述电路板(200)电连接,所述第一金属丝(510)的第二端位于所述顶壳体(120)内,且与所述天线本体(410)电连接;
所述第二金属丝(520)的第一端位于所述主壳体(110)内,且与所述电路板(200)电连接,所述第二金属丝(520)的第二端位于所述顶壳体(120)内,且空置。
4.根据权利要求2或3所述的植入式医疗设备的单极子天线系统,其特征在于:单极子天线系统还包括陶瓷连接体(600);
所述陶瓷连接体(600)设置于所述主壳体(110)上,所述铂钇金属丝(500)贯穿所述陶瓷连接体(600)。
5.根据权利要求3所述的植入式医疗设备的单极子天线系统,其特征在于:
所述天线本体(410)包括依次连接的第一段(411)、第二段(412)、第三段(413)以及第四段(414);
若干组所述电极连接器(300)的轴线所在的平面为第一面,过一根所述电极连接器(300)的轴线,且与所述第一面相垂直的平面为第二面,所述第一段(411)的端部与所述第一金属丝(510)的第二端连接,所述第二段(412)、所述第三段(413)以及所述第四段(414)均位于所述第二面内,所述第二段(412)穿过所述第一面,所述第三段(413)与所述第一面相平行,所述第四段(414)与所述第三段(413)相垂直,且与所述电极连接器(300)的轴向端相对;
所述第一段(411)、所述第二段(412)、所述第三段(413)以及所述第四段(414)构成三维弯折,避让所述主壳体(110)内部件,且利用已有金属结构在微波频段的高频寄生效应,使得天线的性能和尺寸优化。
6.根据权利要求3所述的植入式医疗设备的单极子天线系统,其特征在于:
所述阻抗匹配网络(420)包括并联电容(421)、并联电感(422)、串联电感(423)以及串联电容(424),所述并联电容(421)与所述并联电感(422)并联后,依次串联所述串联电感(423)和所述串联电容(424);
所述并联电容(421)和所述并联电感(422)的第一端均与所述第一金属丝(510)的第一端电连接,还与所述串联电感(423)电连接;
所述射频接口的第一端与所述串联电容(424)电连接,所述射频接口的第二端,即零电势参考点,与所述并联电容(421)和所述并联电感(422)的第二端电连接,还与所述第二金属丝(520)的第一端电连接。
7.根据权利要求6所述的植入式医疗设备的单极子天线系统,其特征在于:
所述并联电容(421)的电容值为5.1pF,所述并联电感(422)的电感值为0.7nH,所述串联电感(423)的电感值为4.3nH,所述串联电容(424)的电容值为0.8pF。
8.根据权利要求5所述的植入式医疗设备的单极子天线系统,其特征在于:
所述第四段(414)与所述电极连接器(300)的轴向端的距离大于1.5mm。
9.根据权利要求1所述的植入式医疗设备的单极子天线系统,其特征在于:
所述弯折单极子天线(400)的中心频率为2.45Hz,带宽大于或等于160MHz。
10.根据权利要求1所述的植入式医疗设备的单极子天线系统,其特征在于:
所述电极连接器(300)通过金属连接线与所述电路板(200)电连接。
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