CN209627039U - 一种用于植入式心脏起搏器的无线充电与体温监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于植入式心脏起搏器的无线充电与体温监测系统，通过磁耦合谐振无线电能传输技术，实现对植入式心脏起搏器的无线充电。本实用新型采用两个线圈耦合的方式进行能量传输，其中发射线圈采用圆角矩形线圈结构置于体外，线圈采用铜绞线绕制而成并带有铁氧体条；体内的线圈采用柔性印刷电路板实现；发射线圈部分阻抗匹配采用LCC补偿拓扑，包括一个电感和两个电容，接收线圈仅串联一个电容，实现谐振频率相同；起搏器内包含SAW声表面波温度检测模块，通过无线传输方式将温度信息传至体外。本实用新型的接收线圈固定于心脏起搏器外壳，厚度薄，使用电子元件少，占用空间小，在充电期间能实时查看温度确保安全，适用于植入式医疗电子设备。

Description

一种用于植入式心脏起搏器的无线充电与体温监测系统

技术领域

本实用新型涉及无线电能传输领域，特别涉及一种用于植入式心脏起搏器的无线充电与体温监测系统。

背景技术

植入式心脏起搏器在治疗多种心脏疾病方面发挥着越来越重要的作用，并已被广泛认为是心血管疾病患者的福音。然而，一次性电池的使用将植入式心脏起搏器的寿命限制在5-15年。当起搏器电量不足时，必须更换整个起搏器单元，而这会给患者带来手术风险，包括排斥、感染、瘀伤等不良反应。

无线充电技术使得可以用可充电电池替代原电池，其能量由外部电源提供。对于生物医学系统的应用，已经研究了多种能量转移方法，例如光学，超声和生物能源。其中，最成熟的技术是通过电磁感应进行无线供电。磁耦合谐振无线电能传输系统基于电磁感应原理，采用空心线圈，可以大大减小体积与质量，并且可以实现足够的功率传输和高效率。

为了提高无线传输系统的效率，出现了不同的补偿拓扑使得两个线圈处在谐振状态下。四种基本的拓扑结构是串-串、串-并、并-串和并-并。如果补偿电容并联到发射线圈，当系统上电时，电源的输出电压将直接加到电容上。如果补偿电容器串联到发射线圈，当系统处于稳定谐振或自谐振时，由于发送器阻抗较低，需要大电流电源。为了避免串联或并联补偿中存在的问题并且为了实现无线传输系统的高效率，已经提出了更加优越的复合拓扑结构，比如LCL补偿网络、双向LC补偿网络、双LCC补偿网络等。

实用新型内容

为了解决植入式心脏起搏器能量传输效率不高，植入部分元件多体积大以及充电时安全性的问题，本实用新型提供了一种用于植入式心脏起搏器的无线充电与体温监测系统，采用磁耦合谐振与LCC拓扑结合的设计，提高了能量传输效率，减少了电子元件的使用，缩小了体积。声表面波传感器因为具有无源无线、精度高、体积小、功耗低等优点，非常适合人体环境下的测量，起搏器内加入该传感器可在充电的同时监测实时体温确保安全。

为了达到上述实用新型目的，解决其技术问题所采用的技术方案如下：

一种用于植入式心脏起搏器的无线充电与体温监测系统，包括位于体外部分的交流电源、一次侧补偿网络、发射线圈和信息接收与显示单元，以及位于体内部分的接收线圈、二次侧补偿网络、充电单元、充电电池和温度采集与发送单元，其中：

所述交流电源用于输入交流信号；

所述一次侧补偿网络与所述交流电源相连，用于对所述发射线圈进行补偿进而提高输入电压与电流的动态能力；

所述发射线圈与所述一次侧补偿网络相连，用于将接收到的电压信号产生交变磁场，并耦合到所述接收线圈上；

所述接收线圈与所述发射线圈实现磁耦合连接，用于感应所述发射线圈的交变磁场并在所述接收线圈中产生电压信号；

所述二次侧补偿网络与所述接收线圈串联，用于补偿所述接收线圈的电感；

所述充电单元分别与所述二次侧补偿网络、充电电池和温度采集与发送单元连接，用于提供所述二次侧补偿网络、充电电池和温度采集与发送单元的工作电源；

所述温度采集与发送单元与所述充电单元电性连接，并与所述信息接收与显示单元无线连接，用于将采集到的温度信号转换为对应频率的射频信号并通过天线将信号发送到体外的所述信息接收与显示单元；

所述信息接收与显示单元与所述温度采集与发送单元无线连接，用于将接收到的包含温度信息的射频信号处理之后进行显示。

进一步的，所述交流电源的供电频率为300kHz。

进一步的，所述发射线圈采用圆角矩形线圈结构，由铜绞线绕制而成，共有三层三匝。

优选的，所述发射线圈上固定有铁氧体条，用于增加所述发射线圈与接收线圈之间的互感。

进一步的，所述接收线圈由柔性印刷电路板制成。

进一步的，所述接收线圈固定在心脏起搏器外壳上，表面覆盖有柔性铁氧体薄膜，用于减少起搏器外壳上的涡流。

进一步的，所述一次侧补偿网络采用LCC拓扑结构，包括一个电感与两个电容，所述二次侧补偿网络只包含一个串联电容。

进一步的，所述充电单元采用TP4057芯片，包括整流电路、滤波电路和稳压电路。

进一步的，所述温度采集与发送单元包括SAW声表面波温度检测模块和体内天线，所述SAW声表面波温度检测模块对温度信号进行测量，并将采集到的温度信号转换为对应频率的射频信号通过所述体内天线发送出去。

进一步的，所述信息接收与显示单元包括体外天线、调解模块和计算机，所述SAW声表面波温度检测模块发出的射频信号被所述体外天线接收，经过所述调解模块将射频信号变为数字信号，进而通过通讯接口发送给所述计算机解析后获取温度值。

本实用新型由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

本实用新型公开了一种用于植入式心脏起搏器的无线充电与体温监测系统，通过磁耦合谐振无线电能传输技术，实现对植入式心脏起搏器的无线充电。通过采用两个线圈耦合的方式进行能量传输，其中发射线圈采用圆角矩形线圈结构置于体外，线圈采用铜绞线绕制而成并带有铁氧体条；体内的线圈采用柔性印刷电路板实现；发射线圈部分阻抗匹配采用LCC补偿拓扑，包括一个电感和两个电容，接收线圈仅串联一个电容，实现谐振频率相同；起搏器内包含SAW声表面波温度检测模块，通过无线传输方式将温度信息传至体外。本实用新型的接收线圈固定于心脏起搏器外壳，厚度薄，使用电子元件少，占用空间小，在充电期间能实时查看温度确保安全，适用于植入式医疗电子设备。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图中：

图1是本实用新型一种用于植入式心脏起搏器的无线充电与体温监测系统的系统结构示意图；

图2是本实用新型一种用于植入式心脏起搏器的无线充电与体温监测系统中补偿网络电路示意图；

图3是本实用新型一种用于植入式心脏起搏器的无线充电与体温监测系统中充电单元电路示意图；

图4是本实用新型一种用于植入式心脏起搏器的无线充电与体温监测系统中温度采集与发送单元示意图；

图5是本实用新型一种用于植入式心脏起搏器的无线充电与体温监测系统中信息接收与显示单元示意图。

【主要符号说明】

1-交流电源；

2-一次侧补偿网络；

3-发射线圈；

4-接收线圈；

5-二次侧补偿网络；

6-充电单元；

7-充电电池；

8-温度采集与发送单元；

9-信息接收与显示单元。

具体实施方式

以下将结合本实用新型的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述和讨论，显然，这里所描述的仅仅是本实用新型的一部分实例，并不是全部的实例，基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型的保护范围。

如图1所示，本实施例公开了一种用于植入式心脏起搏器的无线充电与体温监测系统，包括位于体外部分的交流电源1、一次侧补偿网络2、发射线圈3和信息接收与显示单元9，以及位于体内部分的接收线圈4、二次侧补偿网络5、充电单元6、充电电池7和温度采集与发送单元8，其中：

所述交流电源1用于输入电压信号U₁(正极电压信号U₁ ⁺、负极电压信号U₁ ^-)；

所述一次侧补偿网络2与所述交流电源1相连，用于对所述发射线圈3进行补偿进而提高输入电压与电流的动态能力，其中，补偿电感L_r的一端与U₁ ⁺端相连，补偿电感L_r的另一端与补偿电容C_r的一端相连，补偿电容C_r的另一端连接U₁ ^-端，补偿电容C₁的一端与U₁ ^-端相连，补偿电容C₁的另一端接所述发射线圈3。本实施例中，所述一次侧补偿网络2采用LCC拓扑结构，包括补偿电感L_r，补偿电容C_r和补偿电容C₁。

所述发射线圈3与所述一次侧补偿网络2中的补偿电容C₁串联，再与一次侧补偿网络2中的补偿电容C_r并联，用于将接收到的电压信号产生交变磁场并耦合到所述接收线圈4上；

所述接收线圈4与所述发射线圈3实现磁耦合连接，用于感应发射线圈3的交变磁场并在所述接收线圈4中产生电压信号；

所述二次侧补偿网络5与所述接收线圈4串联，用于补偿所述接收线圈4的电感。本实施例中，所述二次侧补偿网络5只包含一个补偿电容C₂。

所述充电单元6分别与所述二次侧补偿网络5、充电电池7和温度采集与发送单元8连接，用于提供所述二次侧补偿网络5、充电电池7和温度采集与发送单元8的工作电源。本实施例中，所述充电电池7为锂电池。

所述温度采集与发送单元8与所述充电单元6电性连接，并与所述信息接收与显示单元9无线连接，用于将采集到的温度信号转换为对应频率的射频信号并通过天线将信号发送到体外的所述信息接收与显示单元9；

所述信息接收与显示单元9与所述温度采集与发送单元8无线连接，用于将接收到的包含温度信息的射频信号处理之后进行显示。

进一步的，所述无线充电与体温监测系统由交流电源1供电，交流电源1的供电频率为300kHz。

本实施例中，所述接收线圈4被设计得很薄而且安装灵活。它采用柔性印刷电路板，表面覆盖有柔性铁氧体薄膜，以减少植入式心脏起搏器外壳中的涡流，从而提高无线电能传输效率。由于其体积小，它也被证明适合植入人体。接收线圈4可以集成在心脏起搏器外壳的顶部与背部表面上，只需要对现有起搏器稍作修改。所述发射线圈3采用圆角矩形线圈结构，其尺寸大于接收线圈4的尺寸，可以确保稳定地传输功率。为了减小趋肤效应和邻近效应，使用多股1.5mm的铜线绕制发射线圈导线，发射线圈3为三层三匝，线圈长宽分别为250mm和150mm。线圈上固定有6块铁氧体材料，用于增加发射线圈3与接收线圈4之间的互感。

图2为无线充电与体温监测系统中补偿网络电路示意图，所述一次侧补偿网络2由补偿电感L_r，补偿电容C_r和补偿电容C₁构成，补偿电感L_r的一端与U₁ ⁺端相连，补偿电感L_r的另一端与补偿电容C_r的一端相连，补偿电容C_r的另一端与U₁ ^-端相连，补偿电容C₁的一端与U₁ ^-端相连，补偿电容C₁的另一端接发射线圈3；所述二次侧补偿网络5包含一个补偿电容C₂，与所述接收线圈4串联。

图3为无线充电与体温监测系统中充电单元电路示意图，所述充电单元6采用TP4057芯片，包括整流电路、滤波电路和稳压电路，其中，D₁、D₂、D₃和D₄组成全桥整流电路，整流二极管采用1N5819，正向电流大，电压降低，尺寸小。为了减小尺寸，使用5.1V稳压二极管，然后并联一个电容，以减小电压纹波并进一步调节电压。

图4为无线充电与体温监测系统中温度采集与发送单元示意图，所述温度采集与发送单元8包括SAW声表面波温度检测模块和体内天线，所述SAW声表面波温度检测模块对温度信号进行测量，并将采集到的温度信号转换为对应频率的射频信号通过所述体内天线发送出去。

图5为无线充电与体温监测系统中信息接收与显示单元示意图，所述信息接收与显示单元9包括体外天线、调解模块和计算机，所述SAW声表面波温度检测模块发出的射频信号被所述体外天线接收，经过所述调解模块将射频信号变为数字信号，进而通过通讯接口发送给所述计算机解析后获取温度值。

具体工作原理：

基于磁耦合谐振无线能量传输原理，采用两个线圈耦合的方式进行能量传输。发射线圈3接交流电源1，经过LCC补偿网络，接收线圈4仅串联一个电容，阻抗匹配后达到谐振状态。接收线圈4上感应出的电压经过充电单元6的整流滤波电路后施加于锂电池，对电池进行充电。通过整流和稳压之后的直流电压为SAW声表面波温度检测模块供电，传感模块再将采集到的温度信号转换为对应频率的射频信号，通过天线将信号发送到体外。体外的信息接收与显示装置在接收到温度信息后，经处理后传送至计算机，由计算机进行数据显示与分析。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种用于植入式心脏起搏器的无线充电与体温监测系统，其特征在于，包括位于体外部分的交流电源、一次侧补偿网络、发射线圈和信息接收与显示单元，以及位于体内部分的接收线圈、二次侧补偿网络、充电单元、充电电池和温度采集与发送单元，其中：

所述交流电源用于输入交流信号；

所述一次侧补偿网络与所述交流电源相连，用于对所述发射线圈进行补偿进而提高输入电压与电流的动态能力；

所述发射线圈与所述一次侧补偿网络相连，用于将接收到的电压信号产生交变磁场，并耦合到所述接收线圈上；

所述接收线圈与所述发射线圈实现磁耦合连接，用于感应所述发射线圈的交变磁场并在所述接收线圈中产生电压信号；

所述二次侧补偿网络与所述接收线圈串联，用于补偿所述接收线圈的电感；

所述充电单元分别与所述二次侧补偿网络、充电电池和温度采集与发送单元连接，用于提供所述二次侧补偿网络、充电电池和温度采集与发送单元的工作电源；

所述温度采集与发送单元与所述充电单元电性连接，并与所述信息接收与显示单元无线连接，用于将采集到的温度信号转换为对应频率的射频信号并通过天线将信号发送到体外的所述信息接收与显示单元；

所述信息接收与显示单元与所述温度采集与发送单元无线连接，用于将接收到的包含温度信息的射频信号处理之后进行显示。

2.根据权利要求1所述的一种用于植入式心脏起搏器的无线充电与体温监测系统，其特征在于，所述交流电源的供电频率为300kHz。

3.根据权利要求1所述的一种用于植入式心脏起搏器的无线充电与体温监测系统，其特征在于，所述发射线圈采用圆角矩形线圈结构，由铜绞线绕制而成，共有三层三匝。

4.根据权利要求3所述的一种用于植入式心脏起搏器的无线充电与体温监测系统，其特征在于，所述发射线圈上固定有铁氧体条，用于增加所述发射线圈与接收线圈之间的互感。

5.根据权利要求1所述的一种用于植入式心脏起搏器的无线充电与体温监测系统，其特征在于，所述接收线圈由柔性印刷电路板制成。

6.根据权利要求5所述的一种用于植入式心脏起搏器的无线充电与体温监测系统，其特征在于，所述接收线圈固定在心脏起搏器外壳上，表面覆盖有柔性铁氧体薄膜，用于减少起搏器外壳上的涡流。

7.根据权利要求1所述的一种用于植入式心脏起搏器的无线充电与体温监测系统，其特征在于，所述一次侧补偿网络采用LCC拓扑结构，包括一个电感与两个电容，所述二次侧补偿网络只包含一个串联电容。

8.根据权利要求1所述的一种用于植入式心脏起搏器的无线充电与体温监测系统，其特征在于，所述充电单元采用TP4057芯片，包括整流电路、滤波电路和稳压电路。

9.根据权利要求1所述的一种用于植入式心脏起搏器的无线充电与体温监测系统，其特征在于，所述温度采集与发送单元包括SAW声表面波温度检测模块和体内天线，所述SAW声表面波温度检测模块对温度信号进行测量，并将采集到的温度信号转换为对应频率的射频信号通过所述体内天线发送出去。

10.根据权利要求9所述的一种用于植入式心脏起搏器的无线充电与体温监测系统，其特征在于，所述信息接收与显示单元包括体外天线、调解模块和计算机，所述SAW声表面波温度检测模块发出的射频信号被所述体外天线接收，经过所述调解模块将射频信号变为数字信号，进而通过通讯接口发送给所述计算机解析后获取温度值。