RU2752139C1 - Device for percutaneous energy transfer using inductive coupling - Google Patents

Device for percutaneous energy transfer using inductive coupling Download PDF

Info

Publication number
RU2752139C1
RU2752139C1 RU2020141679A RU2020141679A RU2752139C1 RU 2752139 C1 RU2752139 C1 RU 2752139C1 RU 2020141679 A RU2020141679 A RU 2020141679A RU 2020141679 A RU2020141679 A RU 2020141679A RU 2752139 C1 RU2752139 C1 RU 2752139C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
transmitting
series
parallel
module
receiving
Prior art date
Application number
RU2020141679A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Арсений Анатольевич Данилов
Константин Олегович Гуров
Эдуард Адипович Миндубаев
Елена Викторовна Селютина
Владимир Александрович Беспалов
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники"
Priority to RU2020141679A priority Critical patent/RU2752139C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2752139C1 publication Critical patent/RU2752139C1/en

Links

Images

Classifications

    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61NELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N1/00Electrotherapy; Circuits therefor

Abstract

FIELD: medical equipment.
SUBSTANCE: invention relates to medical technology and can be used for energy supply of implantable medical devices (IMD). The objective of the invention is to increase the stability of percutaneous energy transmission using inductive coupling when changing the relative position of the transmitting and receiving modules. This is achieved by the fact that the proposed device for percutaneous energy transmission using inductive coupling contains a tuning module connected to the power supply module, containing a computing unit with a microcontroller and an executive unit with an alternating current generation circuit based on the design of a class E power amplifier, and the alternating current generation circuit contains two voltage-controlled variable capacitors (varicaps) connected in series and in parallel to the transmitting inductor coil, or two arrays of series-connected switchable capacitors connected in series and in parallel to the transmitting inductor coil, or two arrays of parallel-connected switchable capacitors connected in series and in parallel to the transmitting inductor coil. Changing the capacitances in the load circuit of a class E power amplifier is carried out in such a way as to compensate for changes in the reflected impedance when changing the relative position of the receiving and transmitting inductors coils and thus, ensure that the power is maintained at the load as close as possible to the nominal value.
EFFECT: increase in the stability of percutaneous energy transmission using inductive coupling when changing the relative position of the transmitting and receiving modules.
1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области медицинской техники и может быть использовано для энергообеспечения имплантируемых медицинских приборов (ИМП). К таким приборам относятся кардиостимуляторы, имплантируемые кардиовертеры / дефибрилляторы, нейростимуляторы, имплантируемые инфузионные помпы, моторизированные телескопические дистракционные стержни, кохлеарные имплантаты, визуальные протезы (искусственная сетчатка), устройства механической поддержки кровообращения и др. Также изобретение может найти применение в тех областях техники, где есть необходимость в беспроводной передаче энергии на короткие расстояния, например, в области энергообеспечения портативных цифровых устройств и транспорта на электрической тяге.The invention relates to the field of medical technology and can be used to supply power to implantable medical devices (IMD). These devices include pacemakers, implantable cardioverters / defibrillators, neurostimulators, implantable infusion pumps, motorized telescopic distraction rods, cochlear implants, visual prostheses (artificial retina), mechanical circulatory support devices, etc. there is a need for wireless transmission of energy over short distances, for example, in the field of power supply of portable digital devices and electric vehicles.

В настоящее время беспроводная чрескожная передача энергии с использованием индуктивной связи является одним из основных направлений развития энергообеспечения ИМП. В основе этой технологии лежит использование явления электромагнитной индукции: переменное магнитное поле, формируемое подключенной к источнику тока внешней (передающей) катушкой индуктивности, вызывает в имплантируемой (приемной) катушке индуктивности индукционный ток, который используется для питания ИМП.At present, wireless transcutaneous energy transmission using inductive coupling is one of the main directions in the development of power supply for MPS. This technology is based on the use of the phenomenon of electromagnetic induction: an alternating magnetic field formed by an external (transmitting) inductor connected to a current source induces an induction current in the implanted (receiving) inductance coil, which is used to power the MFI.

На сегодняшний день беспроводная чрескожная передача энергии с использованием индуктивной связи применяется в имплантатах малой и средней мощности, например, в кохлеарных имплантатах [1-4], нейростимуляторах [5] и визуальных протезах [6-7], и рассматривается как перспективная технология энергообеспечения других ИМП, в первую очередь систем механической поддержки кровообращения [8-9].Today, wireless percutaneous energy transmission using inductive coupling is used in low and medium power implants, for example, in cochlear implants [1-4], neurostimulators [5] and visual prostheses [6-7], and is considered as a promising technology for energy supply of others. UTI, primarily systems of mechanical support of blood circulation [8-9].

Одной из основных проблем проектирования устройств для чрескожной передачи энергии с помощью индуктивной связи к ИМП является проблема минимизации перепадов выходной мощности при изменении параметров работы устройства. Наиболее сильное влияние на изменение параметров оказывают смещения передающей и приемной катушек индуктивности относительно номинального положения [10]. При этом сами смещения можно разделить на три основных типа [10]:One of the main problems in the design of devices for transcutaneous energy transfer using inductive coupling to the MFI is the problem of minimizing the output power drops when changing the operating parameters of the device. The strongest influence on the change in parameters is exerted by the displacement of the transmitting and receiving inductors relative to the nominal position [10]. Moreover, the displacements themselves can be divided into three main types [10]:

- медленные нерегулярные, которые вызываются изменением состояния биологической ткани в месте имплантации катушек индуктивности, например, послеоперационным отеком, воспалительным процессом или миграцией имплантата;- slow irregular, which are caused by a change in the state of the biological tissue at the site of implantation of the induction coils, for example, postoperative edema, inflammation or implant migration;

- быстрые нерегулярные, которые вызываются движениями пациента;- fast irregular, which are caused by the patient's movements;

- быстрые регулярные, которые вызываются при ходьбе дыхании.- fast regular, which are caused by walking breathing.

Геометрически смещения можно разделить на продольные (осевые), боковые (латеральные), угловые и вращательные [10].Geometrically, displacements can be divided into longitudinal (axial), lateral (lateral), angular and rotational [10].

Известен ряд устройств, в которых для компенсации смещений используются средства механической фиксации положения приемной и передающей катушек с использованием текстильной застежки типа VELCRO или постоянных магнитов [11-13]. Механическая фиксация положения позволяет уменьшить или даже полностью устранить влияние некоторых типов смещений на уровень выходной мощности. Существенным недостатком этого метода является то, что он не позволяет устранить или снизить влияние продольных смещений (увеличение расстояния между приемной и передающей катушками) любого из трех описанных выше типов. Дополнительными недостатками являются возникновения нежелательных последствий для самочувствия и удобства пациента, а так же ограничения на применение магниторезонансной томографии.A number of devices are known in which means of mechanical fixation of the position of the receiving and transmitting coils using a textile fastener of the VELCRO type or permanent magnets are used to compensate for displacements [11-13]. Mechanical positioning can reduce or even completely eliminate the effect of some types of offsets on the output power level. A significant disadvantage of this method is that it does not allow to eliminate or reduce the effect of longitudinal displacements (increase in the distance between the receiving and transmitting coils) of any of the three types described above. Additional disadvantages are the occurrence of undesirable consequences for the well-being and convenience of the patient, as well as restrictions on the use of magnetic resonance imaging.

Также известен ряд устройств для беспроводной индуктивной передачи энергии, в которых стабильный уровень выходной мощности при изменении взаимного положения передающей и приемной катушек поддерживается за счет изменения рабочей частоты устройства [14, 15]. Существенными недостатками такого подхода являются необходимость использования рабочих частот широкого диапазона, что не всегда допускается существующими регулирующими документами и может приводить к усугублению возможных проблем взаимных помех со стороны устройства и других радиоизлучающих устройств и систем.A number of devices for wireless inductive power transmission are also known, in which a stable level of output power when changing the relative position of the transmitting and receiving coils is maintained by changing the operating frequency of the device [14, 15]. A significant disadvantage of this approach is the need to use operating frequencies of a wide range, which is not always allowed by existing regulatory documents and can lead to aggravation of possible problems of mutual interference from the device and other radio-emitting devices and systems.

Известно устройство для беспроводного чрескожного энергообеспечения имплантируемых медицинских приборов, в котором смещения приемной и передающей катушек компенсируются за счет выборочного подключения одного или нескольких проводников из множества в передающей и приемной катушек [16]. Изменение собственной индуктивности и добротности катушек индуктивности позволяет снизить перепад мощности на нагрузке. Существенными недостатками такого подхода является грубость подстройки параметров системы, из-за необходимости использования относительно крупных проводников для изменения индуктивности катушек, и существенное снижение общей надежности устройства.A device for wireless transcutaneous power supply of implantable medical devices is known, in which the displacement of the receiving and transmitting coils is compensated by selectively connecting one or more conductors from a plurality in the transmitting and receiving coils [16]. Changing the intrinsic inductance and Q-factor of the inductors can reduce the power drop across the load. Significant disadvantages of this approach are the coarseness of adjusting the parameters of the system, due to the need to use relatively large conductors to change the inductance of the coils, and a significant decrease in the overall reliability of the device.

Известны устройства, в которых используются детекторы смещений, регистрирующие изменение параметров электрического сигнала в передающей или приемной части системы [17, 18]. Существенным недостатком этого метода является то, что в нем используется косвенная регистрация факта смещения. Это позволяет компенсировать эффект смещений лишь частично, поскольку имеющейся информации недостаточно для определения геометрических характеристик смещения (линейных и угловых) и возможность компенсации смещений за счет перемещения внешней (передающей) катушки отсутствует.Known devices that use displacement detectors that record changes in the parameters of the electrical signal in the transmitting or receiving part of the system [17, 18]. A significant disadvantage of this method is that it uses indirect registration of the fact of displacement. This makes it possible to compensate for the effect of displacements only partially, since the available information is insufficient to determine the geometric characteristics of the displacement (linear and angular) and there is no possibility of compensating for displacements by moving the external (transmitting) coil.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для беспроводного чрескожного энергообеспечения имплантируемых медицинских приборов [19]. В этом устройстве проблема снижения эффективности чрескожной передачи энергии при изменении положения передающего модуля относительно приемного модуля решена за счет использования модуля определения взаимного положения передающего и приемного модулей с использованием ультразвука. Такое решение позволяет корректировать положение приемного и передающего модулей относительно друг друга для достижения максимальной эффективности передачи энергии. Можно выделить два существенных недостатка прототипа: в этом устройстве не решена проблема изменения осевого расстояния между передающим и приемным модулями, поскольку такие смещения невозможно устранить вручную; и не решена проблема устранения влияния быстрых регулярных смещений, вызванных дыхательными движениями, или возникающих при ходьбе или беге [10].The closest to the proposed device is a device for wireless transcutaneous power supply of implantable medical devices [19]. In this device, the problem of reducing the efficiency of transdermal energy transfer when the position of the transmitting module is changed relative to the receiving module is solved by using a module for determining the relative position of the transmitting and receiving modules using ultrasound. This solution allows you to adjust the position of the receiving and transmitting modules relative to each other to achieve maximum efficiency of energy transfer. Two significant disadvantages of the prototype can be distinguished: this device does not solve the problem of changing the axial distance between the transmitting and receiving modules, since such displacements cannot be eliminated manually; and the problem of eliminating the influence of rapid regular displacements caused by respiratory movements or arising from walking or running has not been solved [10].

Задача изобретения - повышение стабильности чрескожной передачи энергии с помощью индуктивной связи при изменении взаимного положения передающего и приемного модулей.The objective of the invention is to increase the stability of transcutaneous energy transfer using inductive coupling when changing the relative position of the transmitting and receiving modules.

Это достигается тем, что предлагаемое устройство для чрескожной передачи энергии с помощью индуктивной связи дополнительно содержит подключенный к модулю питания подстроечный модуль, содержащий в себе вычислительный блок с микроконтроллером и исполнительный блок с контуром генерации переменного тока на основе конструкции усилителя мощности класса Е, причем контур генерации переменного тока содержит два управляемых напряжением переменных конденсатора (варикапа), подключенных последовательно и параллельно к передающей катушке индуктивности, или два массива последовательно подключенных переключаемых конденсаторов, подключенных последовательно и параллельно к передающей катушке индуктивности, или два массива параллельно подключенных переключаемых конденсаторов, подключенных последовательно и параллельно к передающей катушке индуктивности. Изменение емкостей в нагрузочной цепи усилителя мощности класса E осуществляется таким образом, чтобы скомпенсировать изменения отраженного импеданса при изменении взаимного положения приемной и передающей катушек индуктивности и, таким образом, обеспечить поддержание мощности на нагрузке, максимально близкой к номинальному значению.This is achieved by the fact that the proposed device for transcutaneous energy transfer using inductive coupling additionally contains a trimmer module connected to the power module, containing a computing unit with a microcontroller and an executive unit with an alternating current generation circuit based on the design of a class E power amplifier, and the generation circuit alternating current contains two voltage-controlled variable capacitors (varicaps) connected in series and in parallel to the transmitting inductor, or two arrays of series-connected switched capacitors connected in series and in parallel to the transmitting inductor, or two arrays of parallel-connected switched capacitors connected in series and in parallel to the transmitting inductor. The change in capacitances in the load circuit of a class E power amplifier is carried out in such a way as to compensate for changes in the reflected impedance when the relative position of the receiving and transmitting inductors changes and, thus, to maintain the power at the load as close as possible to the nominal value.

В предлагаемом устройстве устранен наиболее важный недостаток прототипа: если в прототипе невозможна компенсация изменения осевых смещений, поскольку эти изменения нельзя устранить путем перемещения передающего модуля по отношению к приемному модулю, в предлагаемом устройстве эта проблема решена за счет подстройки параметров контура генерации переменного тока в исполнительном блоке подстроенного модуля. Кроме того, в предлагаемом устройстве так же возможна компенсация в автоматическом режиме влияния быстрых регулярных смещений, вызванных дыханием или ходьбой, что так же невозможно в прототипе. Одновременно, в предлагаемом устройстве сохранены все основные возможности прототипа, в том числе возможность восстановления близкого к номинальному относительного положения передающего и приемного модулей на основе информации, полученной пациентом от модуля определения взаимного положения. Таким образом, в предлагаемом устройстве устранены или сглажены те или иные недостатки всех перечисленных выше устройств, и при этом устройстве реализована возможность компенсации всех типов смещений (медленных нерегулярных, быстрых нерегулярных, быстрых регулярных) для всех четырех вариантов (осевые, боковые, угловые, вращательные).The proposed device eliminates the most important disadvantage of the prototype: if the prototype cannot compensate for changes in axial displacements, since these changes cannot be eliminated by moving the transmitting module in relation to the receiving module, in the proposed device this problem is solved by adjusting the parameters of the alternating current generation circuit in the executive unit tuned module. In addition, in the proposed device, it is also possible to automatically compensate for the influence of rapid regular displacements caused by breathing or walking, which is also impossible in the prototype. At the same time, the proposed device retains all the basic capabilities of the prototype, including the ability to restore the relative position of the transmitting and receiving modules close to the nominal, based on the information received by the patient from the module for determining the relative position. Thus, in the proposed device, certain disadvantages of all the above devices are eliminated or smoothed, and at the same time, the device implements the possibility of compensating for all types of displacements (slow irregular, fast irregular, fast regular) for all four options (axial, lateral, angular, rotational ).

Исполнительный блок в составе подстроенного модуля реализуется с использованием контура генерации переменного тока на основе конструкции усилителя мощности класса E [20, 21], с изменяемыми величинами емкости шунтирующего конденсатора и/или последовательного конденсатора. Изменение емкости шунтирующего конденсатора и/или последовательного конденсатора позволяет управлять величиной мощности тока, поступающего от приемного модуля на нагрузку (ИМП) без изменения рабочей частоты системы.The executive unit as part of the tuned module is implemented using an alternating current generation circuit based on the design of a class E power amplifier [20, 21], with variable values of the capacitance of the shunt capacitor and / or series capacitor. Changing the capacitance of the shunt capacitor and / or series capacitor allows you to control the amount of power of the current supplied from the receiving module to the load (MPS) without changing the operating frequency of the system.

Изменение емкости шунтирующего и/или последовательного конденсаторов в контуре генерации переменного тока на основе усилителя мощности класса E в исполнительном блоке подстроенного модуля осуществляется с использованием массива переключаемых конденсаторов для установки требуемых величин емкости шунтирующего конденсатора и/или последовательного конденсатора. Управление массивом переключаемых конденсаторов можно реализовать с помощью электрических коммутационных аппаратов (ключей) для замыкания и/или размыкания электрической цепи, подключенных ко входу каждого конденсатора в массиве. Реализацией массива конденсаторов является использование n параллельно подключенных конденсаторов, номинальная емкость первого определяется как 1 нф, а номинальная емкость n-го определяется по формуле 2n-1 нФ. Такой набор конденсаторов позволяет задавать требуемую емкость в пределах 1…2n нФ с точностью 1 нФ.Changing the capacitance of the shunt and / or series capacitors in the AC generation loop based on a class E power amplifier in the execution unit of the tuned module is carried out using an array of switched capacitors to set the required values of the capacitance of the bypass capacitor and / or series capacitor. An array of switched capacitors can be controlled using electrical switching devices (keys) to close and / or open an electrical circuit connected to the input of each capacitor in the array. An implementation of an array of capacitors is to use n parallel-connected capacitors, the nominal capacitance of the former being 1 nF, and the nominal capacitance of the nth being 2 n-1 nF. Such a set of capacitors allows to set the required capacity in the range of 1 ... 2 n nF 1 nF with accuracy.

Реализацией изменения емкости шунтирующего и последовательного конденсаторов в контуре генерации переменного тока на основе конструкции усилителя мощности класса E в исполнительном блоке в составе подстроенного модуля так же является использование управляемого напряжением переменного конденсатора (варикапа). Благодаря изменению напряжения на входе варикапа, происходит зависимое изменение его емкости. Напряжение на входе варикапа может изменяться с помощью микроконтроллера с выходным контактом, реализующий широтно-импульсную модуляцию (ШИМ). На большинстве микроконтроллерах вход ШИМ позволяет плавно изменять напряжение от 0 до 5 вольт. Такое напряжение удовлетворяет входному напряжению большинства варикапов. Следует отметить, что диапазон возможного изменения емкости существующих варикапов ограничен, в связи с чем, в зависимости от требуемых выходных характеристик устройства, может быть использован либо варикап, либо описанный выше массив переключаемых конденсаторов, обеспечивающий существенно больший диапазон возможного изменения емкости.The implementation of changing the capacitance of the shunt and series capacitors in the alternating current generation circuit based on the design of a class E power amplifier in the executive unit as part of a tuned module is also the use of a voltage controlled variable capacitor (varicap). Due to the change in voltage at the input of the varicap, there is a dependent change in its capacitance. The voltage at the input of the varicap can be changed using a microcontroller with an output contact that implements pulse width modulation (PWM). On most microcontrollers, the PWM input allows you to smoothly change the voltage from 0 to 5 volts. This voltage satisfies the input voltage of most varicaps. It should be noted that the range of possible changes in the capacitance of existing varicaps is limited, and therefore, depending on the required output characteristics of the device, either a varicap or an array of switched capacitors described above can be used, which provides a significantly wider range of possible changes in capacitance.

Вычислительный блок в составе подстроенного модуля должен содержать как минимум один микроконтроллер, позволяющий определять требуемую величину емкости шунтирующего конденсатора и последовательного конденсатора на основании полученных от модуля определения взаимного положения данных. Реализацией метода определения вычислительным блоком требуемых величин емкости шунтирующего конденсатор и/или последовательного конденсатора является запись в память микроконтроллера контрольного массива данных вида «осевое смещение - емкость шунтирующего конденсатора - емкость последовательного конденсатора» и выбор пары требуемых значений величины емкости на основе данных о величине осевого смещения, полученных от модуля определения взаимного положения приемного и передающего модулей. Реализацией метода так же является предварительная запись в память микроконтроллера массива данных, содержащего пары типа «емкость шунтирующего конденсатора - емкость последовательного конденсатора - осевое смещение - боковое смещение», или любых других комбинаций смещений.The computing unit as a part of the adjusted module must contain at least one microcontroller, which makes it possible to determine the required value of the capacitance of the bypass capacitor and the series capacitor based on the data received from the module for determining the relative position of the data. The implementation of the method for determining the required capacitance values of the shunt capacitor and / or series capacitor by the computing unit is to write to the microcontroller memory a control data array of the form "axial displacement - shunt capacitor capacitance - series capacitor capacitance" and select a pair of required capacitance values based on the data on the axial displacement value received from the module for determining the relative position of the receiving and transmitting modules. The implementation of the method is also a preliminary recording into the microcontroller's memory of a data array containing pairs of the type "bypass capacitor capacity - series capacitor capacity - axial displacement - lateral displacement", or any other combinations of displacements.

На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого устройства для чрескожной передачи энергии с помощью индуктивной связи, где:FIG. 1 shows a block diagram of the proposed device for transcutaneous energy transfer using inductive coupling, where:

1 - передающий модуль с передающей катушкой индуктивности;1 - transmitting module with transmitting inductance coil;

2 - приемных модуль с приемной катушкой индуктивности;2 - receiving module with a receiving inductance coil;

3 - биологическая ткань;3 - biological tissue;

4 - модуль определения взаимного положения приемного и передающего модулей;4 - module for determining the relative position of the receiving and transmitting modules;

5 - подстроенный модуль;5 - adjusted module;

6 - вычислительный блок в составе подстроенного модуля;6 - computing unit as part of a tuned module;

7 - исполнительный блок в составе подстроенного модуля;7 - an executive block as part of a tuned module;

8 - модуль питания (источник постоянного напряжения).8 - power module (constant voltage source).

На фиг. 2 показан пример изменения выходной мощности при осевом смещении приемного и передающего модулей относительно друг друга.FIG. 2 shows an example of a change in the output power when the receiving and transmitting modules are axially displaced relative to each other.

На фиг. 3 приведен пример, показывающий возможный технический эффект от настоящего изобретения.FIG. 3 is an example showing the possible technical effect of the present invention.

Приведенные на фиг. 2 результаты расчета получены для следующих параметров: рабочая частота устройства 1 МГц, собственная индуктивность передающей катушки в передающем модуле 10 мкГн, собственная индуктивность приемной катушки в приемном модуле 10 мкГн, собственная индуктивность дросселя в усилителе мощности класса E для генерации постоянного тока 1000 мкГн, амплитуда генератора переменного сигнала 5 В, напряжение модуля питания (источника постоянного напряжения) 7 В, сопротивление нагрузки (ИМП) - 50 Ом, емкость конденсатора в приемном модуле 2,53 нФ. Расчет выполнялся для устройства, в котором используется контур генерации переменного тока на основе конструкции усилителя мощности класса Е. Усилитель мощности настроен таким образом, чтобы устройство обеспечивало номинальную выходную мощность в 1 Вт вблизи центра диапазона возможных смещений, т.е. точки, соответствующей смещению в 12,5 мм. Приведенный расчет показывает, что изменение осевого смещения в пределах, характерных для энергообеспечения ИМП, т.е. от 10 до 15 мм, приводит к существенному изменению выходной мощности устройства для чрескожной передачи энергии с помощью индуктивной связи, а именно, величина выходной мощности снижается с 1,2 до 0,8 мВт. При номинальной мощности устройства 1 Вт перепад составляет ±20%.Shown in FIG. 2, the calculation results were obtained for the following parameters: the operating frequency of the device is 1 MHz, the intrinsic inductance of the transmitting coil in the transmitting module is 10 μH, the intrinsic inductance of the receiving coil in the receiving module is 10 μH, the intrinsic inductance of the choke in the class E power amplifier for generating a direct current of 1000 μH, the amplitude an alternating signal generator 5 V, the voltage of the power supply module (constant voltage source) is 7 V, the load resistance (IMP) is 50 Ohm, the capacitance of the capacitor in the receiving module is 2.53 nF. The calculation was performed for a device that uses an AC generation loop based on a Class E power amplifier design. The power amplifier is tuned to provide a 1 W nominal output power near the center of the offset range, i.e. point corresponding to an offset of 12.5 mm. The above calculation shows that the change in the axial displacement is within the limits typical for the power supply of the IMP, i.e. from 10 to 15 mm, leads to a significant change in the output power of the device for transcutaneous energy transfer using inductive coupling, namely, the value of the output power is reduced from 1.2 to 0.8 mW. At a rated power of 1 W of the device, the difference is ± 20%.

Параметры для расчета, результаты которого представлены на фиг. 3, аналогичны параметрам для расчета графики на фиг. 2, с тем отличием, что представлены шесть кривых, описывающих зависимость выходной мощности от смещения, для вариантов устройства, настроенного для обеспечения номинальной выходной мощности при осевых смещениях в 10 (+), 11 (×), 12 (

Figure 00000001
) 13(
Figure 00000002
) 14 (
Figure 00000003
) 15 (•) мм. Каждый вариант отличается от другого величиной емкости последовательного и шунтирующего конденсаторов в составе контура генерации переменного тока на основе конструкции усилителя мощности класса Е. Видно, что изменение величины емкости последовательного и шунтирующего конденсаторов при изменении осевого расстояния позволяет удерживать выходную мощность вблизи номинального значения в 1 Вт. Величина перепада определяется точностью изменения величины емкости последовательного и шунтирующего конденсаторов. Так, при осевом смещении в 12 мм величина выходной мощности составляет 1,02 Вт при условии, что величина емкостей последовательного и шунтирующего конденсаторов меняется таким образом, что соответствует настройке на осевое смещение в 12 мм. Теоретически, изменение величины емкостей позволяет обеспечить непрерывный переход от кривой, соответствующей настройке на осевое смещение в 10 мм, к кривой, соответствующей осевому смещению в 15 мм и тем самым свести отклонения от номинальной мощности к пренебрежимо малым.The parameters for the calculation, the results of which are presented in Fig. 3 are similar to those for calculating the graphics in FIG. 2, with the difference that six curves are presented describing the dependence of the output power on the displacement, for variants of the device configured to provide rated output power at axial displacements of 10 (+), 11 (×), 12 (
Figure 00000001
) 13(
Figure 00000002
) fourteen (
Figure 00000003
) 15 (•) mm. Each option differs from the other in the value of the capacitance of the series and shunt capacitors as part of the AC generation circuit based on the design of a class E power amplifier. It can be seen that changing the capacitance of the series and shunt capacitors with a change in the axial distance allows keeping the output power close to the nominal value of 1 W. The magnitude of the difference is determined by the accuracy of the change in the value of the capacitance of the series and shunt capacitors. Thus, with an axial displacement of 12 mm, the output power is 1.02 W, provided that the capacitances of the series and shunt capacitors change in such a way that corresponds to the setting for an axial displacement of 12 mm. In theory, changing the capacitance values allows for a continuous transition from a curve corresponding to an axial displacement of 10 mm to a curve corresponding to an axial displacement of 15 mm, thereby reducing the deviations from the nominal power to negligible.

Также фиг. 3 иллюстрирует процесс определения требуемой величины емкости последовательного и шунтирующего конденсаторов в вычислительном блоке подстроенного модуля. По измеренной величине осевого смещения из заранее записанного в память микроконтроллера массива данных вида «осевое смещение - емкость последовательного конденсатора - емкость шунтирующего конденсатора» выбирается соответствующая пара. При этом сам массив формируется на основе расчетов, соответствующих графикам, представленным на фиг. 3: для каждого значения осевого расстояния выбираются значения емкости последовательного и шунтирующего конденсаторов, соответствующие кривой, имеющей минимальное отклонение от заданной номинальной мощности для заданной величины осевого смещения.Also, FIG. 3 illustrates the process of determining the required value of the capacitance of the series and bypass capacitors in the computing unit of the tuned module. According to the measured value of the axial displacement, the corresponding pair is selected from the data array of the form "axial displacement - the capacitance of the series capacitor - the capacitance of the shunt capacitor" previously recorded in the microcontroller's memory. In this case, the array itself is formed on the basis of calculations corresponding to the graphs shown in Fig. 3: for each value of the axial distance, the capacitance values of the series and shunt capacitors are selected, corresponding to the curve having the minimum deviation from the given nominal power for a given value of axial displacement.

Приведенные расчетные данные показывают, что предложенное устройство обеспечивает решение поставленной технической задачи - а именно, обеспечивает существенное уменьшение перепада выходной мощности при изменения взаимного положения приемного и передающего модулей относительно друг друга. При этом показана возможность компенсации влияния осевых смещений, компенсация которых в прототипе в принципе невозможна. Расчетные значения требуемых величин емкости последовательного и шунтирующего конденсаторов находятся в пределах номиналов серийно выпускающихся конденсаторов, и, таким образом, можно утверждать, что предлагаемое устройство может быть реализована на существующем уровне техники.The calculated data show that the proposed device provides a solution to the technical problem posed - namely, it provides a significant decrease in the output power drop when the relative position of the receiving and transmitting modules changes relative to each other. In this case, the possibility of compensating for the influence of axial displacements is shown, the compensation of which is, in principle, impossible in the prototype. The calculated values of the required capacitance values of the series and shunt capacitors are within the limits of the ratings of commercially available capacitors, and thus, it can be argued that the proposed device can be implemented at the existing level of technology.

Источники информацииSources of information

1. Zeng F.G. et al. Cochlear implants: system design, integration, and evaluation // IEEE reviews in biomedical engineering. - 2008. - Vol. 1. - P. 115-142.1. Zeng F.G. et al. Cochlear implants: system design, integration, and evaluation // IEEE reviews in biomedical engineering. - 2008. - Vol. 1. - P. 115-142.

2. Sarpeshkar R., Salthouse C., Sit J-J. An ultra-low-power programmable analog bionic ear processor // IEEE Trans. Biomed. Eng. - 2005. - Vol. 52. - No. 4. - P. 711-727.2. Sarpeshkar R., Salthouse C., Sit J-J. An ultra-low-power programmable analog bionic ear processor // IEEE Trans. Biomed. Eng. - 2005. - Vol. 52. - No. 4. - P. 711-727.

3. Sit J.J., Sarpeshkar R. A cochlear-implant processor for encoding music and lowering stimulation power / IEEE Pervasive Computing. - 2008. - Vol. 7. - No. l. - P. 40-48.3. Sit J.J., Sarpeshkar R. A cochlear-implant processor for encoding music and lowering stimulation power / IEEE Pervasive Computing. - 2008. - Vol. 7. - No. l. - P. 40-48.

4. Niparko, J.K., & Wilson, B. S. History of cochlear implants. Cochlear implants: Principles & practices // PA: Lippincott Williams & Wilkins. - 2000. - P. 103-107.4. Niparko, J. K., & Wilson, B. S. History of cochlear implants. Cochlear implants: Principles & practices // PA: Lippincott Williams & Wilkins. - 2000. - P. 103-107.

5. Lee H.M., Park H., Ghovanloo M. A power-efficient wireless system with adaptive supply control for deep brain stimulation // IEEE Journal of Solid-State Circuits. - 2013. - Vol. 48(9). - P. 2203-2216.5. Lee H. M., Park H., Ghovanloo M. A power-efficient wireless system with adaptive supply control for deep brain stimulation // IEEE Journal of Solid-State Circuits. - 2013. - Vol. 48 (9). - P. 2203-2216.

6. Argus II Retinal Prosthesis System // Manual. - Second Sight Medical Products. - 2013. - P. 1-380.6. Argus II Retinal Prosthesis System // Manual. - Second Sight Medical Products. - 2013. - P. 1-380.

7. da Cruz L. et al. Five-year safety and performance results from the Argus II Retinal Prosthesis System Clinical Trial // Ophthalmology. - 2016. - Vol. 123. - No. 10. - P. 2248-2254.7. da Cruz L. et al. Five-year safety and performance results from the Argus II Retinal Prosthesis System Clinical Trial // Ophthalmology. - 2016. - Vol. 123. - No. 10. - P. 2248-2254.

8. Morris R.J. Total Artificial Heart - Concepts and Clinical Use // Seminars in Thoracic and Cardiovascular Surgery. - 2008. - Vol. 20. - No. 3. - P. 247-254.8. Morris R.J. Total Artificial Heart - Concepts and Clinical Use // Seminars in Thoracic and Cardiovascular Surgery. - 2008. - Vol. 20. - No. 3. - P. 247-254.

9. Wang J. X., Smith J. R., Bonde P. Energy transmission and power sources for mechanical circulatory support devices to achieve total implantability // The Annals of thoracic surgery. - 2014. - Vol. 97. - No. 4. - P. 1467-1474.9. Wang J. X., Smith J. R., Bonde P. Energy transmission and power sources for mechanical circulatory support devices to achieve total implantability // The Annals of thoracic surgery. - 2014. - Vol. 97. - No. 4. - P. 1467-1474.

10. Данилов A.A., Миндубаев Э.А., Селищев С.В. Методы компенсации смещений катушек в системах индуктивной чрескожной передачи энергии к имплантируемым медицинским приборам // Медицинская техника. - 2017. - №1. - С. 41-44.10. Danilov A.A., Mindubaev E.A., Selishchev S.V. Methods for compensating for displacements of coils in systems of inductive percutaneous energy transfer to implantable medical devices // Medical technology. - 2017. - No. 1. - S. 41-44.

11. Патент США US 5545191 А.11. US patent US 5545191 A.

12. Патент США US 2018296826 Al.12. US Patent US 2018296826 Al.

13. Патент КНР CN 107308543 A.13. PRC patent CN 107308543 A.

14. Патент РФ RU 2667506 С1.14. RF patent RU 2667506 C1.

15. Патент РФ RU 2692482 С2.15. RF patent RU 2692482 C2.

16. Патент США US 8901778 В2.16. US patent US 8901778 B2.

17. Патент Японии JP 5701363B2.17. Japanese patent JP 5701363B2.

18. Патент США US 7774069.18. US patent US 7774069.

19. Патент РФ RU 2618204 С2 - прототип.19. RF patent RU 2618204 C2 - prototype.

20. R., N.; A., V.J.; Chokkalingam, В.; Padmanaban, S.; Leonowicz, Z.M. Class E Power Amplifier Design and Optimization for the Capacitive Coupled Wireless Power Transfer System in Biomedical Implants // Energies. - 2017. - Vol. 10. - P. 1409.20. R., N .; A., V.J .; Chokkalingam, B .; Padmanaban, S .; Leonowicz, Z.M. Class E Power Amplifier Design and Optimization for the Capacitive Coupled Wireless Power Transfer System in Biomedical Implants // Energies. - 2017. - Vol. 10. - P. 1409.

21. Enver Gurhan Kilinc, Catherine Dehollain, Franco Maloberti, Remote Powering and Data Communication for Implanted Biomedical Systems, Springer, 2016. 146 p.21. Enver Gurhan Kilinc, Catherine Dehollain, Franco Maloberti, Remote Powering and Data Communication for Implanted Biomedical Systems, Springer, 2016.146 p.

Claims (3)

Устройство для беспроводного чрескожного энергообеспечения имплантируемых медицинских приборов, включающее в себя передающий модуль с передающей катушкой индуктивности, генерирующей переменное магнитное поле; приемный модуль с приемной катушкой индуктивности; модуль определения взаимного положения приемного и передающего модулей, оснащенный средствами звуковой и/или визуальной сигнализации и/или средствами обмена данными с внешними устройствами отображения информации; отличающееся тем, что в состав устройства дополнительно включен подключенный к модулю питания подстроечный модуль, содержащий в себе вычислительный блок с микроконтроллером и исполнительный блок с контуром генерации переменного тока на основе конструкции усилителя мощности класса Е, причем контур генерации переменного тока содержит два управляемых напряжением переменных конденсатора, подключенных последовательно и параллельно к передающей катушке индуктивности,A device for wireless transcutaneous power supply of implantable medical devices, including a transmitting module with a transmitting inductance coil generating an alternating magnetic field; receiving module with receiving inductance coil; a module for determining the relative position of the receiving and transmitting modules, equipped with means of sound and / or visual signaling and / or means of data exchange with external devices for displaying information; characterized in that the device additionally includes a trimmer module connected to the power module, containing a computing unit with a microcontroller and an executive unit with an alternating current generation circuit based on the design of a class E power amplifier, and the alternating current generation circuit contains two voltage-controlled variable capacitors connected in series and parallel to the transmitting inductor, или два массива последовательно подключенных переключаемых конденсаторов, подключенных последовательно и параллельно к передающей катушке индуктивности,or two arrays of series-connected switched capacitors connected in series and in parallel to the transmitting inductor, или два массива параллельно подключенных переключаемых конденсаторов, подключенных последовательно и параллельно к передающей катушке индуктивности.or two arrays of switched capacitors in parallel connected in series and in parallel to the transmitting inductor.
RU2020141679A 2020-12-17 2020-12-17 Device for percutaneous energy transfer using inductive coupling RU2752139C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020141679A RU2752139C1 (en) 2020-12-17 2020-12-17 Device for percutaneous energy transfer using inductive coupling

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020141679A RU2752139C1 (en) 2020-12-17 2020-12-17 Device for percutaneous energy transfer using inductive coupling

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2752139C1 true RU2752139C1 (en) 2021-07-23

Family

ID=76989375

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020141679A RU2752139C1 (en) 2020-12-17 2020-12-17 Device for percutaneous energy transfer using inductive coupling

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2752139C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU224830U1 (en) * 2023-07-27 2024-04-05 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" Device for transcutaneous energy supply of implantable medical devices

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU92797U1 (en) * 2009-10-12 2010-04-10 Российская Федерация, от имени которой выступает Федеральное Агентство по науке и инновациям EMERGENCY POWER TRANSMISSION DEVICE
US20120235633A1 (en) * 2008-09-27 2012-09-20 Kesler Morris P Wireless energy transfer with variable size resonators for implanted medical devices
RU2618204C2 (en) * 2015-09-16 2017-05-02 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" (МИЭТ) Device for wireless power supply to percutaneously implantable medical devices

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120235633A1 (en) * 2008-09-27 2012-09-20 Kesler Morris P Wireless energy transfer with variable size resonators for implanted medical devices
RU92797U1 (en) * 2009-10-12 2010-04-10 Российская Федерация, от имени которой выступает Федеральное Агентство по науке и инновациям EMERGENCY POWER TRANSMISSION DEVICE
RU2618204C2 (en) * 2015-09-16 2017-05-02 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" (МИЭТ) Device for wireless power supply to percutaneously implantable medical devices

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU224830U1 (en) * 2023-07-27 2024-04-05 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" Device for transcutaneous energy supply of implantable medical devices

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Adeeb et al. An inductive link-based wireless power transfer system for biomedical applications
US7209792B1 (en) RF-energy modulation system through dynamic coil detuning
US10307604B2 (en) Wireless tissue electrostimulation
Waters et al. Powering a ventricular assist device (VAD) with the free-range resonant electrical energy delivery (FREE-D) system
JP4954503B2 (en) A pair of spatially decoupled secondary coils for optimizing the power transfer characteristics of transcutaneous energy transfer (TET)
US20090132003A1 (en) Wireless Electrical Stimulation of Neural Injury
JP2006006950A (en) Low-frequency transcutaneous energy transfer to implanted medical device
WO2007106692A2 (en) Vagus nerve stimulation apparatus, and associated methods
AU2006306529A1 (en) Telemetrically controllable system for treatment of nervous system injury
Danilov et al. An algorithm for the computer aided design of coil couple for a misalignment tolerant biomedical inductive powering unit
Seo et al. Wireless power transfer by inductive coupling for implantable batteryless stimulators
RU2752139C1 (en) Device for percutaneous energy transfer using inductive coupling
Abiri et al. In Vivo intravascular pacing using a wireless microscale stimulator
Aditya et al. Design and development of wireless power transfer system for implantable cardioverter defibrillator
Campi et al. Feasibility study of a wireless power transfer system applied to a left ventricular assist device
Newaskar et al. Rechargeable Active Implantable Medical Devices (AIMDs).
EP2486952A1 (en) Medical lead system utilizing electromagnetic bandstop filters
Puers et al. Wireless inductive transfer of power and data
RU2780941C1 (en) Device for inductive energy transfer to implantable medical devices
Abiri et al. Wireless pacing using an asynchronous three-tiered inductive power transfer system
RU224830U1 (en) Device for transcutaneous energy supply of implantable medical devices
CN108365683B (en) Wireless energy transmission structure based on current source
Celik et al. An efficient inductive coil link design for wireless power transfer to visual prostheses
Machnoor et al. High‐Efficiency Multicoil Wireless Power and Data Transfer for Biomedical Implants and Neuroprosthetics
RU93683U1 (en) ELECTRON NEUROSTIMULATOR PROGRAMMABLE RADIO FREQUENCY EPR-NS-01