CN1874048A - 用于植入式医疗仪器的经皮无线充电装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于植入式医疗仪器技术领域，其特征在于：它含有植入人体内的接收线圈、充电控制电路、充电电池和位于体外的发射线圈、发射线圈驱动电路。体外发射线圈为大尺寸扁平状，体内接收线圈为小尺寸柱状，两个线圈均含有磁芯，且采用平行轴的电磁耦合方式，发射线圈在驱动电路的激励下发射电磁能量，接收线圈获得的电能通过充电控制电路为充电电池进行充电。本发明的经皮无线充电方法，可经过皮肤乃至钛外壳为植入式医疗仪器充电，位置容差性好，调整方便，充电过程简单可靠，可应用于各类植入式医疗仪器。

Description

说明书 用于植入式医疗仪器的经皮无线充电装置

技术领域

本发明涉及用于植入式医疗仪器的经皮无线充电装置，属于植入式医疗仪器技术领域。

背景技术

植入式医疗仪器种类很多，应用范围也很广，如心脏起搏器与除颤器、脑起搏器、脊髓刺激器、外周神经刺激器(包括迷走神经刺激器、骶神经刺激器、膈神经刺激器等)、肌肉刺激器、人工耳蜗等。

各类植入式医疗仪器普遍价格高昂，但寿命大多较短。限制植入式医疗仪器寿命的主要因素是电池的容量，现有的植入式医疗仪器产品多采用高能量密度的锂原电池进行供电，如锂-亚硫酸氯电池和锂-多氟化碳电池等。为了延长植入式医疗仪器的使用寿命，设计者一方面对医疗仪器电路尽可能进行低功耗设计，另一方面通过不断提高电池能量密度和增大电池体积来增加电池的容量，典型的起搏器与刺激器的电池重量和体积达到了整个植入式医疗仪器的一半以上。即使如此，很多植入式医疗仪器也只有3-5年左右的寿命。一旦电池能量耗尽，患者便不得不重新接受手术，更换植入式医疗仪器，不仅为患者造成身体上的创伤，昂贵的价格也为患者带来巨大的经济压力。另外，体积和重量都相当大的电池使得植入式医疗仪器进一步缩小体积、减轻重量变得非常困难，无论是对于减轻植入式医疗仪器作为人体内的异物对患者身体的不利影响，还是对于应用于身材较小的少年儿童、拓展植入式医疗仪器的应用领域都是非常不利的。因此，对于植入式医疗仪器，能量供应已经成为限制其发展的一个瓶颈问题。

为延长植入式医疗仪器的使用寿命，目前国际上最关注的是使用充电电池。近年来，随着电池技术的快速发展，可充电的锂电池的能量密度不断提高，充放电循环寿命不断增长，开始作为锂原电池的替代品应用于植入医疗领域。相对于锂原电池，锂充电电池几百次的充放电循环寿命使其有可能通过充电，以更小的体积、更轻的重量为植入式医疗仪器提供更长时间的电能支持。植入式医疗仪器植入患者体内，与体外充电装置有皮肤等组织隔离，需要经皮无线充电方式，一般基于已经发展成熟的电磁耦合原理，利用电磁场穿透人体皮肤向植入式医疗仪器传递电能。

但是，为防止在长时间使用过程中，人体的体液渗入仪器内部造成短路及腐蚀器件，植入式医疗仪器一般使用生物相容性的金属钛密封为圆滑形状，一方面形成了较强的电磁屏蔽，另一方面使得在体外无法对植入体内的钛外壳内部的线圈和电路准确定位，因此现有技术很难使用。中国发明专利“一种为电子设备提供能源的装置”(申请号200410009052.1)给出了一种无线充电方案，但要求充电电路的接收线圈以同轴方式插入发射线圈中，在植入式医疗仪器中无法实现。中国发明专利“可充电的脑深部刺激器”(申请号200410019937.X)给出的无线充电方案基于传统的变压器方式，发射线圈和接收线圈分别绕制于相同尺寸的“U”型磁芯上，要求将两个线圈的磁芯对正位置实现电磁耦合，但是，接收线圈被封装在植入式医疗仪器内部，其准确定位非常困难，发射线圈和接收线圈的磁芯很容易产生径向偏差，从而导致能量传输效率的大大降低，充电的稳定性无法得到保证；另外，U型结构磁芯要求磁芯具有较大的高度，很难实际应用于追求轻薄、小型化的植入式医疗仪器。采用充电电池为植入式医疗仪器供应能量，在国外已有应用，但技术方案不公开。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种能够满足植入式医疗仪器微小型化要求的简单可靠的经皮无线充电装置，实现从体外向植入体内的医疗仪器进行充电。

本发明的特征在于：该装置含有植入人体内的充电电路和位于体外的发射电路，其中：

所述体内充电电路包含：

接收线圈，由柱状磁芯以及线圈构成，用来接收经皮传来的电磁能量；该线圈采用微小体积设计；

依次和所述接收线圈输出端相连接的整流电路、滤波电路、充电芯片以及充电电池；

所述体外发射电路包含：

发射线圈，为扁平状，由扁平状磁芯以及线圈组成；该发射线圈和体内接收线圈采用外大内小、形状不对称的设计方式，体内接收线圈的尺寸和重量远远小于体外发射线圈，有利于减轻植入式医疗仪器的整体体积和重量；体外发射线圈和体内接收线圈呈平行轴方式放置，线圈耦合的位置容差性好，充电的稳定性及可靠性高。

发射线圈驱动电路，由电源电路、波形发生器、功率放大电路依次连接而成，所述功率放大电路的输出端与发射线圈相连；所述电源电路可由交流电源、AC-DC变换器和DC-DC变换器串联组成，也可由电池和一组DC-DC变换器串联组成；

进一步的，充电发射线圈和接收线圈兼做通信线圈；所述体内充电电路包含一个充电状态监测微处理器，其第1个输入端与所述充电芯片的输出端相连，监测充电电流、电池电压；第2个输入端与植入式医疗仪器外壳相连，监测其温度；第3个输入/输出端，监测接收线圈的电信号，并定时把充电状态信息通过接收线圈发射后传送给体外的发射线圈；在所述体外发射电路中，所述发射线圈与一个控制微处理器相连，控制微处理器接收所述发射线圈定时传送的体内充电电路的充电状态信息，并通过显示单元显示，在包括电池电量较低而充电电流过小的充电状态不正常时提示用户调整发射线圈的位置和角度，改善电磁耦合状态以提高充电效率；当植入式医疗仪器外壳温度超过正常范围时，发射线圈驱动电路中所述控制微处理器自动切断所述电源电路停止充电，对仪器内部电路进行保护；体内充电电路在电池电量充满后自动停止充电，同时所述控制微处理器切断电源供应，停止电磁能量发射，完成充电过程。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：(1)本发明的经皮无线充电装置能够穿过皮肤对植入人体的医疗仪器进行充电，避免了电池能量耗尽后的再次手术，延长了植入式医疗仪器的使用寿命，减少了患者接受手术的危险，减轻了患者的痛苦和经济负担；(2)减小了植入式医疗仪器的尺寸和重量，从而减小了植入式医疗仪器作为人体内的异物对患者身体的不良影响，改善了患者的生活质量；(3)改善了充电过程中体外发射线圈与体内接收线圈的位置容差性，使充电过程变得更加简单便捷和可靠；(4)全国有上千万可使用植入式医疗仪器的患者，本发明具有极高的经济效益和社会效益。

附图说明

图1是本发明的整体示意图。

图2是本发明的体外发射线圈和体内接收线圈电磁耦合示意图。

图3是本发明的体内部分原理框图。

图4是本发明的体外部分原理框图。

具体实施方式

为了实现上述发明目的，本发明采用如下的技术方案：用于植入式医疗仪器的经皮无线充电装置，包括植入人体内的接收线圈、充电控制电路、充电电池以及置于体外的发射线圈、发射线圈驱动电路。所述体外发射线圈驱动电路产生交流电激励发射线圈产生电磁场，所述接收线圈通过电磁耦合接收到经皮肤乃至钛外壳传递的能量之后通过所述充电控制电路为电池进行充电。

进一步的，所述接收线圈采用微小型化设计，内有柱状磁芯。所述发射线圈采用较大面积的扁平状磁芯，并且发射线圈和接收线圈采用平行轴方式放置，从而解决了由于不能准确定位封装在植入式医疗仪器内的接收线圈，导致发射线圈和接收线圈难以对正，充电效率低的问题，大大降低了体内接收线圈与体外发射线圈之间的位置容差要求，提高了充电的稳定性及可靠性。

下面结合附图对本发明的用于植入式医疗仪器的经皮无线充电装置的实施方式做出详细说明。

如图1所示，本发明的用于植入式医疗仪器的经皮无线充电装置，由置于体外的发射线圈3、发射线圈驱动电路4以及被封装在植入式医疗仪器1内部的接收线圈5、充电控制电路6、充电电池7构成。体外发射线圈3和体内的接收线圈5通过电磁耦合实现经皮肤2和钛外壳8的电磁能量传递。植入体内的接收线圈5及其内部的磁芯应当尽可能的小，其余元器件也应当尽量的少，以减轻植入式医疗仪器的体积和重量。对于体外发射线圈3的限制较少，可以通过改变线圈匝数和磁芯形状大小、调整发射线圈的激励电压和频率来提高发射功率和发射线圈和接收线圈之间的耦合效率，从而提高接收线圈所能获得的功率。

如图2所示，用于植入式医疗仪器的经皮无线充电装置的发射线圈3和接收线圈5内部都包含磁芯，以提高电磁耦合效率，并且采用平行轴方式放置。所述的发射线圈3和接收线圈5的形状、大小、磁芯并不相同：植入体内的接收线圈5要求尽可能减小体积和重量，因此内部是体积较小的柱状磁芯33；体外的发射线圈3为扁平状，其面积远大于接收线圈5，内部是1块或多块扁平状的磁芯32。形状设计为扁平状的发射线圈能够在较大平面内产生分布均匀的磁场31。当位于发射线圈3发射平面中的接收线圈5相对于发射线圈3发生平行于发射平面的移动时，接收线圈5位置的磁场状况不会发生太大变化，因此，接收线圈5和发射线圈3之间的电磁耦合状况也不会发生太大改变。从而，线圈耦合的容差性和充电的稳定性得到大幅度的提高。发射线圈的扁平状大线圈设计方式和发射线圈、接收线圈平行轴放置的位置关系，相比已有技术中内外线圈对称、采用U型或者E型磁芯的设计，大大增强了充电装置对发射线圈和接收线圈位置的容差性，充电操作更为简单，充电过程更为稳定。

如图3所示，用于植入式医疗仪器的经皮无线充电装置的体内部分包括接收线圈5，充电电池7以及由整流电路11、滤波电路12、充电芯片13、充电状态监测微处理器14组成的充电控制电路6。充电芯片13具有低功耗、小体积、高电压调节精度、电池温度监测等特点，可选用美国TI公司的BQ24200充电管理芯片。接收线圈5与体外发射线圈经过皮肤和钛外壳实现电磁耦合，感应出同频的电信号，由整流电路11进行整流、滤波电路12进行滤波后得到直流电压信号。直流电压信号通过充电芯片13对充电电池14进行充电，充电过程总共经历电压小于一定值时的预充、恒流充电、达到要求电压后的恒压充电三个阶段，充电芯片13在充电电池14充满后自动停止充电，以保护电池。充电的状态包括接收线圈感应出的电信号的强弱、充电电流大小、充电电池的电量饱和状态以及植入式医疗仪器外壳温度。充电状态监测微处理器15定时对充电状态进行监测，对充电过程所处的阶段做出判断，并将相应的信息通过所述接收线圈5发射到体外。

如图4所示，用于植入式医疗仪器的经皮无线充电装置的体外部分包括体外发射线圈3及由电源电路21、正弦波形发生器22、功率放大电路23、控制微处理器24和显示单元25相连组成的发射线圈驱动电路。

电源电路输入为生活所用的交流电源，通过内部的AC-DC转换器和DC-DC变换器为波形发生器22和功率放大电路23提供要求的直流电压。作为一种备用的方式，电压电路也可以直接采用电池和一组DC-DC变换器供电。

波形发生器22能够产生频率为几十到上百千赫兹的振荡信号，然后通过波形发生器22中含有的功率开关驱动电路后驱动功率放大电路23中的功率MOSFET。功率放大电路23输出的功率信号通过匹配电路24后激励发射线圈3产生电磁场，向外发射能量。在向外发射能量的过程中，发射线圈3也将定时接收从体内发出的充电状态信号。发射线圈接收到的充电状态信号被传送至控制微处理器24进行接收和计算，进而在显示单元25显示当前的充电状态，在充电状态不正常(如电池电量较低而充电电流过小)时提示用户调整发射线圈3的位置和角度，达到更好的电磁耦合状态以提高充电功率。控制微处理器24与电源电路21相连，根据当前的充电状态判断是否继续供电和维持充电，如电池电量已满或植入式医疗仪器外壳温度超过正常范围则切断电源、停止充电。

上述方式只是本发明优选的实施方式，对于本领域内的普通技术人员而言，在本发明公开的用于植入式医疗仪器的经皮无线充电装置的基础上，很容易想到将其应用于各种仪器系统，而不仅限于本发明具体实施方式所描述的系统结构，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (2)

1.用于植入式医疗仪器的经皮无线充电装置，其特征在于：该装置含有植入人体内的充电电路和位于体外的发射电路，其中：

所述体内充电电路包含：

接收线圈，由柱状磁芯以及线圈构成，用来接收经皮传来的电磁能量；该线圈采用微小体积设计；

依次和所述接收线圈输出端相连接的整流电路、滤波电路、充电芯片以及充电电池；充电芯片选用BQ24200；

所述体外发射电路包含：

发射线圈，为扁平状，由扁平状磁芯以及线圈组成；该发射线圈和体内接收线圈采用外大内小、形状不对称的设计方式，体内接收线圈的尺寸和重量远远小于体外发射线圈，有利于减轻植入式医疗仪器的整体体积和重量；体外发射线圈和体内接收线圈呈平行轴方式放置，线圈耦合的位置容差性好，充电的稳定性及可靠性高。

发射线圈驱动电路，由电源电路、波形发生器、功率放大电路依次连接而成，所述功率放大电路的输出端与发射线圈相连；所述电源电路可由交流电源、AC-DC变换器和DC-DC变换器串联组成，也可由电池和一组DC-DC变换器串联组成；

2.根据权利要求1所述的用于植入式医疗仪器的经皮无线充电装置，其特征在于：充电发射线圈和接收线圈兼做通信线圈；所述体内充电电路包含一个充电状态监测微处理器，其第1个输入端与所述充电芯片的输出端相连，监测充电电流、电池电压；第2个输入端与植入式医疗仪器外壳相连，监测其温度；第3个输入/输出端，监测接收线圈的电信号，并定时把充电状态信息通过接收线圈发射后传送给体外的发射线圈；在所述体外发射电路中，所述发射线圈与一个控制微处理器相连，控制微处理器接收所述发射线圈定时传送的体内充电电路的充电状态信息，并通过显示单元显示，在充电状态不正常时提示用户调整发射线圈的位置和角度，改善电磁耦合状态以提高充电效率；当植入式医疗仪器外壳温度超出正常范围时，发射线圈驱动电路中所述控制微处理器自动切断所述电源电路停止充电，对仪器内部电路进行保护；体内充电电路在电池电量充满后自动停止充电，同时所述控制微处理器切断电源供应，停止电磁能量发射，完成充电过程。

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