CN204481545U - 基于超声波的快速无线充电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于超声波的快速无线充电系统，包括声波输出装置、声波接收装置、B超探头、电流适配电路、电池，所述B超探头和声波输出装置置于体外，所述声波接收装置、电流适配电路以及电池依次连接，且所述声波接收装置、电流适配电路以及电池安置于体内，所述声波输出装置依据B超探头获取声波接收装置的位置并向声波接收装置输出超声波信号，所述声波接收装置接收所述超声波信号并将其转换成电信号予以输出，电流适配电路接收所述电信号并将其转换成适于进行充电的直流电信号，电池接收所述直流电信号进行充电。本实用新型避免了电池电能消耗后通过再次手术更换电池的缺陷，减轻了患者承受手术的痛苦和风险。

Description

基于超声波的快速无线充电系统

技术领域

本实用新型涉及医疗器械领域，主要是指利用超声波来实现对于植入人体内的有源医疗设备进行充电，更加具体地来说，特别是涉及一种基于超声波的快速无线充电系统。

背景技术

有源植入式医疗设备是指通过外壳或内科手段，部分或全部植入人体，或通过医疗手段介入自然腔口且拟留在体内的植入式医疗器械，依靠电能或其他能源来帮助患者实现或恢复系统或器官的功能，现有的有源植入设备主要包括植入式心脏起搏器、植入式人工耳蜗、植入式神经刺激器、植入式机电心脏循环系统等。这类植入式医疗器械价格普遍比较昂贵，但寿命大多较短，造成这类器械寿命较短的主要原因是其携带电池的容量问题。

为延长植入式器械的使用寿命，现有的方式主要是一方面尽可能低的降低植入式器械的能耗，另一方面是更换能量密度更大和容量更大的电池，这增加了植入式系统的体积和重量，如现有的典型的传统的植入体内的心脏起搏器的电池重量和体积就占了整个系统的一半以上，即使采用了最新的锂电池，其寿命一般也只能维持5-8年，电池储能一旦耗尽，需要再次手术更换电池，甚至更换整个系统，增加病人的痛苦，同时也增加了病人的经济压力。由此可见，有源植入式医疗器械的电能问题已经成为制约其发展的一个瓶颈。

有源植入式医疗器械的无线充电技术，可将电能以无线的方式由体外输送到体内，完成对电池的充电，是解决以上问题的一个有效途径。该技术不会损伤皮肤，可避免手术感染，减小病人的痛苦，大大降低病人的治疗成本，在医疗行业有着广阔地应用前景。现有的正在研究中的无线能量传输方式主要有电磁感应，此方式存在着方向性不好、体内穿透性差、接收线圈体积偏大及电磁辐射等缺点，制约着此技术的发展。

总之，基于现有技术中所存在的缺陷，本实用新型提出一种基于超声波的快速无线充电系统，用以对植入体内的有源医疗器械设备中的电池/电源部件充电。

实用新型内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种基于超声波的快速无线充电系统，用于解决现有技术中，通过手术的方式对植入人体内的有源医疗设备进行充电所带的皮肤损伤、手术感染以及身体疼痛的问题，以提供一种更安全、有效、更长久、无污染的供电技术。

为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供以下技术方案：

一种基于超声波的快速无线充电系统，至少包括声波输出装置、声波接收装置、B超探头、电流适配电路、及电池，所述B超探头和声波输出装置置于体外，所述声波接收装置、电流适配电路以及电池依次连接，且所述声波接收装置、电流适配电路以及电池安置于体内，所述声波输出装置依据B超探头获取声波接收装置的位置并向声波接收装置输出超声波信号，所述声波接收装置接收所述超声波信号并将其转换成电信号予以输出，所述电流适配电路接收所述电信号并将其转换成适于进行充电的直流电信号，所述电池接收所述直流电信号进行充电。

作为上述基于超声波的快速无线充电系统的一种优选方案，还包括一供连接所述B超探头的B超装置，且所述B超探头设置于所述声波输出装置上。

作为上述基于超声波的快速无线充电系统的一种优选方案，所述声波接收装置为一由1-3型压电复合材料制成的换能片。

作为上述优选方案的进一步优化，所述换能片的形状为圆柱形，且所述换能片的直径为2-5个所述超声波信号的波长。

作为上述基于超声波的快速无线充电系统的另一种优选方案，所述声波输出装置输出的超声波信号为脉冲式聚焦超声波。

作为上述基于超声波的快速无线充电系统的一种优选方案，所述声波输出装置为聚焦换能器。

作为上述基于超声波的快速无线充电系统的一种优选方案，所述电流适配电路为AC/DC标准电路。

作为上述基于超声波的快速无线充电系统的又一种优选方案，所述电池为适于充电的锂电池。

如上所述，本实用新型具有以下有益效果：(1)本实用新型采用超声波作为能量的载体，能够以无创的方式穿透人体，对体内的植入式医疗器械进行充电，避免了电池电能消耗后通过再次手术更换电池或系统的过程，减轻了患者的再次手术的风险和痛苦，而且减轻了患者的经济负担。(2)本实用新型还采用B超探头来配合声波输出装置来快速找到位于体内的声波接收装置的位置，以便于高效而准确地使超声波信号被声波接收装置接收。(3)另外，所述声波接收装置采用1-3型压电复合材料作为接收超声波信号的换能器，保证了对输送到体内的超声波进行高效的吸收。

附图说明

图1显示为本实用新型一种基于超声波的快速无线充电系统的原理示意图。

图2显示为所述基于超声波的无限充电系统与B超装置配合的示意图。

图3显示为一种圆形结构的1-3型压电复合材料来实现的声波接收装置示意图。

附图标号说明

10  声波输出装置

20  B超探头

30  声波接收装置

31a 上电极

31b 下电极

32  压电陶瓷方柱

33  聚合物

40  电流适配电路

50  电池

60  B超装置

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，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实用新型的其他优点与功效。本实用新型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，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，遂图式中仅显示与本实用新型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。

请参考图1，示出了本实用新型一种基于超声波的快速无线充电系统的原理示意图，本实用新型提供的基于超声波的快速无线充电系统至少包括声波输出装置10、声波接收装置30、B超探头20、电流适配电路40、及电池50，所述B超探头20和声波输出装置10置于体外，所述声波接收装置30、电流适配电路40以及电池50依次连接，且所述声波接收装置30、电流适配电路40以及电池50安置于体内，所述声波输出装置10依据B超探头20获取声波接收装置30的位置并向声波接收装置30输出超声波信号，所述声波接收装置30接收所述超声波信号并将其转换成电信号予以输出，所述电流适配电路40接收所述电信号并将其转换成适于进行充电的直流电信号，所述电池50接收所述直流电信号进行充电。

通过上述无限充电系统，可通过声波输出装置10向声波接收装置30输出超声波信号，并通过声波接收装置30将其装换成电信号，然后再经电流适配电路40对电信号进行整流转化成直流电信号，最后所述直流电信号输出到电池50中进行充电。使用该无限充电系统可以快速地进行电池50的充电，而无需再通过手术的方式来更换电池50，大大降低了患者的手术风险和痛苦。

具体地，上述基于超声波的快速无线充电系统中的，所述声波输出装置10所输出的超声波信号为脉冲式地低强度聚焦超声波，而且占空比为10％以下，之所以采用这样的参数输出是因为，当占空比为10％以下时，超声波信号进入体内时，仍然是机械效应占优，从而所引起的热效应低，保证了超声波以机械能的方式在体内高效的传输并将振动能量高效的输送到接收端的声波接收装置30上。保证了超声波在体内传输过程中热损耗小，超声波在传输过程中不产生热损伤，不会对人体的皮肤造成难以恢复的损伤，确保了充电时的安全性。

进一步地，结合图2，示出了上述无线系统的进一步实施方式，即可以将所述B超探头20与B超装置60进行连接，而该B超装置60为现有的B超设备。只需要将B超探头20连接至现有的B超装置60中即可通过B超探头20的扫面来获取人体组织内的图像并在B超装置60中显示，从而可以帮助快速找到声波接受装置在体内的位置。具体地，所述B超探头20可以设置在所述声波输出装置10上，以实现先通过B超探头20来获取体内图像并快速找到声波接收装置30的位置，进而再打开声波输出装置10来向声波接受装置输出超声波信号。

进一步地，现有的非侵入式充电设备在进行充电时容易造成内热，从而损伤皮肤组织。而造成体内热积累的原因主要有：第一，超声波的强度(国家有相关标准，强度与产生热能成正比，强度高，容易造成热损伤；强度低，更为安全，本实用新型采用低强度超声，也是基于此考虑)；第二，超声波持续时间，超声波辐射时间越长，热能积累就越多；第三，生物组织的超声吸收系数(这与频率相关，频率越高，吸收系数越大，越容易造成热损伤)等。

为了避免上述情况，本实用新型中的所述声波输出装置10做脉冲式地输出聚焦超声波，而且聚焦是通过发射端(即声波输出装置10)实现的，而所述声波输出装置10可以采用聚焦换能器来予以实现。其中，聚焦的焦点大小和焦距由聚焦换能器来进行设定。这里采用聚焦超声波可以使所发射的聚焦超声波的焦点落在声波接收装置30上，从而达到俱佳的转换率，若所述声波接收装置30不是落在聚焦超声波的焦点上，那么其声压将会非常低，产生电流也非常小，无法达到充电的要求。

进一步地，所述声波接收装置30选用的是由1-3型压电复合材料制成的圆柱形换能片，见图3，示出了一种圆形结构的1-3型压电复合材料来实现的声波接收装置30示意图，如图所示，1-3型压电复合材料换能片是由压电陶瓷方柱32、聚合物33及上下电极(31a、31b)组成，其中，压电陶瓷方柱32排列在聚合物33中，压电陶瓷方柱32的高度和方形边长之比大于3，且压电陶瓷方柱32(即陶瓷组分)占总整个换能片体积的40％-80％之间，之所以这样设置的原因在于，如果采用高度和方形边长之比大于3的结构，可使压电陶瓷方柱构成的换能片激发单纯的厚度振动，抑制了横向振动，能够高效的吸收超声纵波，将超声波的机械能转换为电能；如果是方柱尺寸高度和方形边长之比小于3，此换能片在接收超声纵波的时，除了激发厚度振动外，还会激发较强横向振动，损失了一部分能量，大大降低了超声波转换成电能的效率。应当说明的是，1-3型压电复合材料是指具有上述结构的一类压电材料，其中，压电陶瓷方柱32可以选用各种具体的压电材料，例如PZT-5压电材料。

更加详细地来说，优选地将压电陶瓷方柱32(陶瓷组分)设置为占总体积的40％-80％之间，这是基于以下考虑，若陶瓷组分占总体积的80％以上，方柱之间的间隔会很小，在制作的时候不易加工；若陶瓷组分占总体积的40％以下，由于1-3型压电复合材料换能片中的压电陶瓷方柱是将超声波转换成电能的功能部分，压电陶瓷方柱占的体积过小，会降低换能片对超声波的吸收和转化。

另外，在对于1-3型压电复合材料换能片的压电陶瓷材料(即压电陶瓷方柱32)选择上，经过实验分析，1-3型压电复合材料换能片上的输出功率可以用以下公式(1)来进行计算。

$\mathrm{Power}=\frac{1}{2}{\left(\frac{{\mathrm{Pe}}_{33}}{{\mathrm{\ϵ}}_{33}{\stackrel{\‾}{c}}_{33}\mathrm{\ξ}\cot \mathrm{\ξh}}\right)}^2\frac{Z_L}{{(Z_C+Z_L)}^2}...\left(1\right)$

其中，P为换能片上的超声波的驱动声压，e₃₃为换能片的有效压电常数，为换能片的有效弹性常数，ε₃₃为换能片的有效介电常数，h为俘能片的厚度，ξ为波数，Z_L为负载电阻抗，Z_C为换能片的电阻抗，从公式可以看出，输出功率与换能片的有效压电常数及驱动声压的二次方成正比，与有效弹性常数及有效介电常数的二次方成反比，因此，压电性越好，输出功率越大；材料越软(弹性常数小)，输出功率越大。综合考虑，可以采用PZT-5或PMN-PT(铌镁酸铅晶体)制成的1-3型压电复合材料中的压电陶瓷方柱32，从而使得1-3型压电复合材料输出的功率较大，以提高充电效率。

更具体地，一般将所述植入体内的为1-3压电复合材料的声波接收装置30工作频率设置为0.3M-3MHz，采用这个频率段工作的原因在于：第一，这个波段超声波在体内传输效率高，热效应少。另外，将所述声波接收装置30设置的形状设置为圆形结构，这是因为聚焦超声波的焦域焦平面是圆形；另外，圆形结构具有形状圆滑、无尖锐角等特点，在将声波接收装置30植入体内会相对安全。而将所述圆形结构的声波接收装置30直径设置在2-5个波长内，是因为聚焦超声波的焦平面为圆形，主峰尺寸大约为2个波长左右，要使声波接收装置30能够更好地接收所述聚焦超声波，那么其最小尺寸应要覆盖聚焦超声的焦平面，因此最小值取2个波长才较为合宜；另外，之所以直径最大值取5个波长，是因为考虑到植入换能器的体积微型化问题，体积过大，不利于植入，即且该圆柱形换能片的直径为2-5个所述声波输出装置10所输出的超声波的波长。

进一步地，所述电流适配电路40为整理电路，这是因为由接收声波装置转换输出的电信号为交流电信号，而交流电信号是不能直接用来对电池50进行充电的，需要先进行转换，使其变成适于电池50充电的直流电信号。具体地，可以采用本技术领域通用的整流电路模块，或者是采用具有整流功能的AC/DC电路芯片来予以实现。由于整流电路为本领域技术通用电路，这里就不再赘述。另外，与该电流适配电路40相连的电池50可以选用可充电的锂电池50。

综上所述，本实用新型的至少具有以下优点：

(1)本实用新型采用超声波作为能量的载体，能够以无创的方式穿透人体，对体内的植入式医疗器械进行充电，避免了电池50电能消耗后通过再次手术更换电池50或系统的过程，减轻了患者的再次手术的风险和痛苦，而且减轻了患者的经济负担。

(2)本实用新型采用脉冲式低强度聚焦超声传输能量，保证了超声波在传输过程中的安全性、有效性和递送位置准确性。

(3)本实用新型采用1-3压电复合材料作为接收超声波的声波接收装置30，保证了对输送到体内的超声波进行高效的吸收。

(4)本实用新型还对超声波在进行传输和转换过程的效率进行了进一步地优化，使得充电的时间更短、更高效，而且对于人体的副作用更低。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种基于超声波的快速无线充电系统，其特征在于，至少包括声波输出装置、声波接收装置、B超探头、电流适配电路、及电池，所述B超探头和声波输出装置置于体外，所述声波接收装置、电流适配电路以及电池依次连接，且所述声波接收装置、电流适配电路以及电池安置于体内，所述声波输出装置依据B超探头获取声波接收装置的位置并向声波接收装置输出超声波信号，所述声波接收装置接收所述超声波信号并将其转换成电信号予以输出，所述电流适配电路接收所述电信号并将其转换成适于进行充电的直流电信号，所述电池接收所述直流电信号进行充电。

2.根据权利要求1所述的基于超声波的快速无线充电系统，其特征在于，还包括一供连接所述B超探头的B超装置，且所述B超探头设置于所述声波输出装置上。

3.根据权利要求1所述的基于超声波的快速无线充电系统，其特征在于，所述声波接收装置为一由1-3型压电复合材料制成的换能片。

4.根据权利要求3所述的基于超声波的快速无线充电系统，其特征在于，所述换能片的形状为圆柱形，且所述换能片的直径为2-5个所述超声波信号的波长。

5.根据权利要求1所述的基于超声波的快速无线充电系统，其特征在于，所述声波输出装置输出的超声波信号为脉冲式聚焦超声波。

6.根据权利要求1所述的基于超声波的快速无线充电系统，其特征在于，所述声波输出装置为聚焦换能器。

7.根据权利要求1所述的基于超声波的快速无线充电系统，其特征在于，所述电流适配电路为整流电路或AC/DC电路芯片。

8.根据权利要求1所述的基于超声波的快速无线充电系统，其特征在于，所述电池为适于充电的锂电池。