CN219208731U - 交互装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种交互装置，包括：体外模块(100)，包括多个第一线圈，所述多个第一线圈呈交叠排布；体内模块(200)，所述体内模块包括第二线圈；所述多个第一线圈用于以其中的一个线圈或交叠的多个线圈与所述第二线圈进行耦合，以使所述体外模块(100)与所述体内模块(200)建立数据及能量连接通道。本申请的交互装置，解决了体内医疗设备数据及能量传输效率低的问题。本申请实施例使体外模块(100)与体内模块(200)建立数据及能量连接通道，进而匹配最佳激活方案，提高了能量传输效率，解决了微型电子药物的供能问题。本申请实施例实现了一个体外设备对多个体内设备的数据及能量传输。

Description

交互装置

技术领域

本申请涉及植入式医疗领域，尤其涉及交互装置。

背景技术

电子药物是用于疾病诊疗的新型药物，其特点是依托电子系统实现功能，应用于替代人体器官功能、疾病检测与疾病干预治疗。常见的电子药物包括：心脏起搏器、神经电刺激器、人工耳蜗、人工视网膜、植入式药物泵等。2021年，电子药物市场规模达到约300亿美元，市场发展前景广阔。

然而，当前大部分电子药物需要电池提供能源，体积较大，成本较高，造成了手术创伤大、术后不良反应明显等现象，制约了电子药物的使用和推广。因此，无电池的、微型化的电子药物是当前技术发展的重要方向，具有重要的临床价值。同时，根据治疗需要等，向体内植入多个不同功能的微型化电子药物，也逐渐成为微创植入式医疗的发展趋势，例如，针对顽固性疼痛患者，植入式脊髓刺激器与植入式吗啡泵的结合使用，能够给患者提供多种疾病治疗方案的组合。

随着微型化的设计，近场耦合线圈尺寸的减小、间隔距离的增大，不可避免地将造成耦合系数的降低，导致无线能量传输效率进一步降低。

实用新型内容

(一)实用新型目的

本实用新型的目的是提供交互装置，解决数据及能量传输效率低的问题。

(二)技术方案

为解决上述问题，本申请第一方面提供了一种交互装置，包括：体外模块，包括多个第一线圈，所述多个第一线圈呈交叠排布；体内模块，所述体内模块包括第二线圈；所述多个第一线圈用于以其中的一个线圈或交叠的多个线圈与所述第二线圈进行耦合，以使所述体外模块与所述体内模块建立数据及能量连接通道。

进一步地，所述多个第一线圈分层设置，其中，每层至少包含一个所述第一线圈。

进一步地，每个所述第一线圈的半径相等，并且所述第一线圈的半径长度略大于所述第二线圈的半径长度。

进一步地，所述第一线圈的半径长度为所述第二线圈半径长度的1.01-1.10倍。

进一步地，相互交叠的两个所述第一线圈的中心的距离等于所述第一线圈的半径。

进一步地，所述体内模块的数量为多个，其中，所述多个第一线圈还用于同时与多个所述体内模块的第二线圈建立数据及能量连接通道。

本申请第二方面提供一种交互方法，应用于上述的装置，包括：将至少一个所述第一线圈与所述第二线圈进行耦合，并得到耦合系数；根据所述耦合系数，确定所述体外模块与所述体内模块的激活方案；根据所述激活方案，建立所述体外模块与所述体内模块的数据及能量连接通道。

进一步地，所述建立所述体外模块与所述体内模块的数据及能量连接通道之后包括：所述第一线圈通过时变电磁场发送电磁波；所述体内模块通过接收的所述电磁波，诱导所述第二线圈产生脉冲电动势。

进一步地，所述建立所述体外模块与所述体内模块的数据及能量连接通道之后包括：所述体外模块通过所述数据及能量连接通道向所述体内模块进行近场数据及能量传输。

本申请第三方面提供一种交互系统，包括上述装置。

(三)有益效果

本申请实施例的交互装置，解决了体内医疗设备数据及能量传输效率低的问题。本申请实施例中体外模块包括多个交叠排布的第一线圈，体外模块的多个第一线圈可以同时与第二线圈耦合，使体外模块与体内模块建立数据及能量连接通道。进而匹配最佳激活方案，提高了能量传输效率，解决了微型电子药物的供能问题。本申请实施例实现了一个体外设备对多个体内设备的数据及能量传输。

附图说明

图1-4是本申请实施例交互装置的结构示意图；

图5是本申请相关实施例植入式近场感应耦合无线供能技术的结构示意图；

图6是本申请相关交互方法的流程示意图。

附图标记：

100：体外模块；200：体内模块；300：皮肤等人体组织；400：第一模块；500：第二模块；501：充电控制电路；502：充电电池；600：驱动电路。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本实用新型的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本实用新型的概念。

在附图中示出了根据本实用新型实施例的层结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

在本申请相关实施例中，在电子药物的无线程控等经皮通信应用场景，目前广泛采用近场通信方案，即利用近场磁耦合链路实现数据的经皮传输。如图5所示，置于体外的第一模块400包括线圈B，第一模块连接驱动电路600；置于体内的第二模块500包括：线圈A、充电控制电路501和充电电池502构成。线圈B和线圈A通过电磁耦合实现经皮肤等人体组织300电磁能量传输。实现体内和体外的经皮无线通信。商用的电子药物产品中，近场磁耦合链路载频通常在9～315KHz范围内。为了避免与能量传输链路的相互干扰，一些电子药物产品中采用不同频段实现能量传输与数据传输，因此，能量传输与数据传输使用了不同的天线系统，可能会导致电子药物体积增加。同时，此类通信系统是点对点、1对1的，较难实现对多个分布式电子药物的协同控制。

相关实施例中存在下述问题：1)随着微型化的设计，近场耦合线圈尺寸的减小、间隔距离的增大，不可避免地将造成耦合系数的降低，导致无线能量传输效率进一步降低2)针对无源植入式系统，无线能量传输效率是输出负载的函数，当前技术未考虑输出负载动态变化对系统效率的影响，无法实现针对负载动态变化的自适应调节，降低了系统的鲁棒性。3)现有电子药物系统的近场无线充电与无线通信方案是点对点，1对1的链路设计，无法实现对多个分布式电子药物的协同控制。无线通信与无线供能采用不同频段可能导致电子药物体积增加，难以实现微型化。

因此，解决微型化电子药物的供能问题、分布式电子药物的协同控制问题是未来技术发展将面临的主要问题。为解决这些问题依赖于植入式无线供能技术与植入式无线通信技术的发展。

如图1-3所示，本申请实施例一种交互装置，包括：体外模块100，包括多个第一线圈，多个第一线圈呈交叠排布；体内模块200，体内植入装置包括第二线圈；多个第一线圈用于以其中的一个线圈或交叠的多个线圈与第二线圈进行耦合，以使体外模块100与体内模块200建立数据及能量连接通道。在一些实施例中，多个第一线圈以矩阵方式或者交叠的矩阵方式排布。

本申请实施例中体外模块100包括多个交叠排布的第一线圈，体外模块100的多个第一线圈可以同时与第二线圈耦合，使体外模块100与体内模块200建立数据及能量连接通道。本申请实施例体外模块100对体内模块200的数据及能量连接通道的建立，既可以是体外模块100中任意一个第一线圈与待连接的体内模块200第二线圈发生了高匹配度的耦合，又可以是任意一个第一线圈与第二线圈耦合度都不高时，多个第一线圈同时与第二线圈发生耦合。在一些实施例中，第一线圈与第二线圈位置重叠度越大，其耦合度越大。进而匹配极佳激活方案，提高了能量传输效率，解决了微型电子药物的供能问题。本申请实施例的交互装置解决了体内医疗设备数据及能量传输效率低的问题本申请实施例实现了一个体外设备对多个体内设备的数据及能量传输。

在一些实施例中，多个第一线圈分层设置，其中，每层至少包含一个第一线圈。本申请实施例中，相邻层中第一线圈的中心呈交叉分布。

在一些实施例中，每个第一线圈的半径相等，并且第一线圈的半径长度略大于第二线圈的半径长度。在一些实施例中，每个第一线圈的中心落在至少一个相邻平面中任意一个第一线圈的垂直延长线上。

在一些实施例中，第一线圈的半径长度为第二线圈半径长度的1.01-1.10倍。在一些实施例中，第二线圈比第一线圈直径大0.01mm-3.00mm。再如图1所示，本申请实施例的体内设备线圈充分实现小型化设计，线圈直径在10mm量级，通常在5mm～20mm之间。由于体内线圈小型化设计后，体内线圈与体外线圈之间的对准将影响系统的耦合效率。为了解决该问题，体外设备的线圈采用多线圈阵列结构，每个线圈单元的尺寸略大于体内线圈尺寸，并按照行列均匀排列，两个相邻线圈之间的中心间距通常为线圈单元的半径。在应用过程中，体外设备可以通过测试与体内线圈的耦合系数，用于定位体内设备位置，并激活与体内线圈对准的线圈单元与体内设备建立无线能量和无线通信信道，实现对体内小型化设备的最佳耦合，提高无线充电效率。其中，与一个体内线圈对应的被激活体外线圈可以是一个或者多个，当有多个被激活体外线圈是，通过调整每个被激活线圈上射频信号的幅度和相位，让体内线圈获得最佳耦合，提高充电效率。

在一些实施例中，相互交叠的两个第一线圈的中心的距离等于第一线圈的半径。

在一些实施例中，体内模块200的数量为多个，其中，多个第一线圈还用于同时与多个体内模块200的第二线圈建立数据及能量连接通道。再如图1所示的系统示意图中，由于体外模块100采用了阵列线圈结构，因此可以同时与多个体内模块200建立无线充电和无线通信的信道。当体内模块200数量增加，则激活更多的体外线圈，当体内模块200减少，则相应的减少被激活体外线圈数量。在本申请实施例中，当一个或多个体内模块200需要通过无线方式接入系统时，通过采用上述设备的结构，使得每个体内模块200均与体外模块100之间建立了独立的数据和能量通信信道，因此，一个体外模块100即可实现对多个体内模块200的无线充电或无线程控。

在一些实施例中，体内模块200还包括：功能组件。

在一具体实施例中，功能组件设置有药用部件，第二线圈设置于药用部件内，药用部件用于药物递送、人体生理指标传感、物理治疗。在一具体实施例中，药用部件用于电刺激。

在一具体实施例中，功能组件还设置有电子感应部件，电子感应部件通过电路与药用部件连接，电路用于在电子感应部件和药用部件之间传感电信号。

在一些实施例中，电子感应部件包括：电极和/或传感器，电极用于电刺激或药物递送，传感器用于生理信号采集或人体化学信号采集。

如图6所示，本申请实施例一种交互方法，应用于上述的装置，包括：将至少一个第一线圈与第二线圈进行耦合，并得到耦合系数；根据耦合系数，确定体外模块100与体内模块200的激活方案；根据激活方案，建立体外模块100与体内模块200的数据及能量连接通道。

在一些实施例中，建立体外模块100与体内模块200的数据及能量连接通道之后包括：第一线圈通过时变电磁场发送电磁波；体内模块200通过接收的电磁波，诱导第二线圈产生脉冲电动势。在本申请一些实施例中利用了电磁感应原理，贴近皮肤的发射线圈产生时变磁场，在体内的接收线圈中诱导产生了电动势。如图5-6所示，在相关实施例的电子药物应用中，第一模块400与第二模块500的间隔距离较大，该距离和接收线圈尺寸在同一量级，同时，人体组织等环境因素还导致了电磁能量损耗。因此，相关实施例的发射线圈与接收线圈是弱耦合关系，导致了只有不到10％的能量实现有效传输。针对微型化的电子药物，由于物理尺寸的不断减小，这种弱耦合效应越发明显。本申请实施例通过多个发射线圈同时与接收线圈耦合，筛选最优耦合系数，匹配最佳激活方案，提高了能量传输效率，解决了微型电子药物的供能问题。

在一些实施例中，建立体外模块100与体内模块200的数据及能量连接通道之后包括：体外模块100通过数据及能量连接通道向体内模块200进行近场数据及能量传输。在本申请一些实施例中，近场数据及能量传输包括但不限于实现下述功能：体外模块100向体内模块200传输能量和体内设备的工作指令；体内模块200向体外模块100传输人体生理数据。在一具体实施例中，体内模块200向体外模块100传输颅内压、体温、氧分压等数据信号。本申请实施例基于近场感应耦合技术，提升了传输功率量级的提升，本申请实施例应用于电子药物是提升近场数据及能量传输的可靠方案。

本申请实施例一种交互系统，包括上述装置。

本申请实施例一种电子医疗系统充电方法，应用于上述的电子医疗系统，包括：第一圈与第二线圈发生耦合，测试体外模块100与体内模块200的耦合系数，筛选耦合系数，建立无线信道，以获取幅值和相位信号参数，根据幅值和相位参数，定位体外医疗模块的较优充电位置。在一些实施例中，通过调整每个被激活第一线圈上射频信号的幅度和相位，让第二线圈获得最佳耦合，提高充电效率。

图4所示，本申请一具体实施例中，一种交互装置包括植入体内的微型化电子药物模块和体外设备模块。其中植入体内的微型化电子药物模块包括如下几部分：1)体内线圈/电路构成的电子系统，用于接收外部设备提供的无线能量、无线控制指令，以实现电子药物治疗和人体监护功能；2)延长线，用于连接电子药物的电子系统与远端的电极、传感器等模块；3)电极、传感器等，用于实现电刺激、电生理信号采集、药物递送、人体生理信号和/或人体化学信号采集等功能。其中，传感器包括但不限于温度传感器和压力传感器，例如，可以实现颅内压力等比较常见的传感。

本申请实施例解决当前电子药物系统通常需要依赖电池提供能源，体积较大，难以实现微创植入的实际问题，通过无线供能与无线通信系统的设计改进，提出了一种微型化的分布式电子药物系统设计方案。该系统中植入体内的电子药物是无源的，能够充分实现微型化。同时该系统的体外装置支持与多个植入体内的电子药物实现连接，为植入体内的多个电子药物提供能源解决供能问题、提供无线信道解决程控与数据传输问题。

本申请实施例解决了使用微型化电子药物时，在充电线圈微型化设计后，导致的无线供能效率降低的问题。本申请实施例解决了多个微型化电子药物接入系统，引起的充电线圈负载动态变化、导致的无线供能效率变化问题与系统稳定性问题。本申请实施例解决了体外模块100对多个分布式电子药物的无线供能和协同控制问题。

应当理解的是，本实用新型的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本实用新型的原理，而不构成对本实用新型的限制。因此，在不偏离本实用新型的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。此外，本实用新型所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

以上参照本实用新型的实施例对本实用新型予以了说明。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本实用新型的范围。本实用新型的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本实用新型的范围，本领域技术人员可以做出多种替换和修改，这些替换和修改都应落在本实用新型的范围之内。

尽管已经详细描述了本实用新型的实施方式，但是应该理解的是，在不偏离本实用新型的精神和范围的情况下，可以对本实用新型的实施方式做出各种改变、替换和变更。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。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。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种交互装置，其特征在于，包括：

体外模块，包括多个第一线圈，所述多个第一线圈呈交叠排布；

体内模块，所述体内模块包括第二线圈；

所述多个第一线圈用于以其中的一个线圈或交叠的多个线圈与所述第二线圈进行耦合，以使所述体外模块与所述体内模块建立数据及能量连接通道。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多个第一线圈分层设置，其中，每层至少包含一个所述第一线圈。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，每个所述第一线圈的半径相等，并且所述第一线圈的半径长度略大于所述第二线圈的半径长度。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述第一线圈的半径长度为所述第二线圈半径长度的1.01-1.10倍。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，相互交叠的两个所述第一线圈的中心的距离等于所述第一线圈的半径。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述体内模块的数量为多个，其中，所述多个第一线圈还用于同时与多个所述体内模块的第二线圈建立数据及能量连接通道。

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