WO2012007605A2 - Sistema modular para la alimentacion por campo magnetico en telemetria animal - Google Patents

Sistema modular para la alimentacion por campo magnetico en telemetria animal Download PDF

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Definitions

  • Patents have also been made for Implanted devices without a battery and using sunlight as a means to obtain energy (US2004116794).
  • the present invention proposes a system that allows to generate a uniform magnetic field in an area as large as the application requires, which allows the animal carrying the implant to move freely in its cabin. Description of the invention
  • the present invention relates to a system capable of measuring and transmitting the physiological data of an animal that is in free movement within its cage, during a Sargo period of time. Said system cannot imply an impediment for the animal in the development of its habitual physical activity nor produce any physiological alteration that can modify its development, behavior or obviously the data obtained.
  • the invention is composed of one to a modular system (1) for providing power to an electronic device (2) through a magnetic field, and a data transmission and processing system (3).
  • the system (1) responsible for generating the magnetic field consists of:
  • the magnetic field generation system maximizes its uniformity over the entire surface of the animal's cage base, to ensure proper implant feeding regardless of the point of the cage where it is located.
  • the inductance (1aa) of! Tank circuit (1a) is constructed in such a way that it is distributed over the entire surface of the base of the animal's cage.
  • the turns are of geometry and variable position to guarantee maximum uniformity of the generated field.
  • the support on which the turns will be arranged is formed by one or several layers to obtain the desired magnetic field per unit area.
  • the system is modular so that a uniform field can be generated on a larger surface by replicating the base element N times.
  • the electronic device (2) is an implant for laboratory animals whose mission is to measure and send information of physiological functions of the animal for later analysis and study. This device consists of:
  • (2d) a parallel resonant tank circuit (formed by a coil (2nd), geometrically distributed in the implant shell, and a capacitor) responsible for the transformation of magnetic energy into electrical energy.
  • (2e) a temporary energy storage module, which allows the animal to be removed from the cage for limited periods of time without the implant losing its functionality.
  • the device (3) responsible for transmitting store and process the data consists of:
  • (3b) a processor that will respond to the protocol generated by (2b) and therefore be able to recover the data corresponding to each of the sensors (2a).
  • the parallel resonant circuit (1a) is excited with a sinusoidal current through a bridge H included in (1b).
  • the coil of the tank circuit (1aa) which is geometrically distributed throughout the base of the animal's cage, generates a magnetic field proportional to the current flowing through it. Said magnetic field induces in the coil of the implant tank circuit (2nd) the current necessary for the correct operation of the same, the tank circuits of the magnetic field generation system (1a) and of the implant (2d) are tuned to the same frequency .
  • the implant continuously acquires and digitizes the physiological parameters to be measured, and then, through an appropriate communications protocol, sends the information through the radio frequency transmitter (2c).
  • the receiver transmitter (3a) is at a certain distance from the animal's cage (a distance that ensures that the operation of the RF link is correct).
  • the receiver (3a) delivers the data received from the implant to a processor (3b) responsible for sending it through a communication system (3c) to a PC. This PC will process and store all the biological signals received.
  • the system temporarily allows the anima! graclas ai module of the temporary energy storage (2e) is outside the action of the magnetic field, keeping the implant all its features.
  • Figure I is a global scheme of the magnetic field generator system, showing the circuit (1b) that provides the current to the tank circuit (1a) which is formed by a coil (1aa) and a capacitor (1ab)
  • Figure 2 It is a generic scheme of the implant, where the sensors for the measurement of physiological variables (2a) are shown, the microcontroller that performs the analog / digital conversion and sends the data in packaged and serialized form (2b), e!
  • radio frequency transmitter (2c) that sends the results of the measurements to a receiver located outside the implant, (2d) a parallel resonant tank circuit (formed by a coil (2nd), geometrically distributed in the implant shell, and a condenser), and a temporary energy storage system (2e), which allows the animal to be removed from the cage for short periods of time without the implant losing its functionality
  • Figure 3 is a representative scheme of the unit responsible for receiving the data, processing and storing them. It consists of a receiving antenna (3e), connected to the receiving circuit (3a), a processor (3b) that will respond to the protocol generated by (2b) and that recovers the data corresponding to each of the sensors (2a), a system of communication (3c) responsible for transmitting data from! implant, and software for analysis, treatment and data storage (3d).
  • Figure 4 is an illustrative example of the impiementation of a base cell (distributed coil (4a) and capacitor (4b)) of the resonant circuit responsible for generating the magnetic field.
  • the male (4c) and female (4d) connectors for the interconnection of the base cells in the modular system are also shown-
  • Figure 5 shows the medularity of the base cells of the tank circuit for the generation of the magnetic field, showing its ability to extension.
  • Figure 6 contains an outline of the complete system. Description of embodiments of the invention
  • the system described in the present invention aims to study one or several physiological parameters in animals, in the very long term.
  • any desired physiological parameter can be acquired ((ECG, blood pressure, temperature, activity, etc.)
  • the modification of the number and type of sensor involves only a change of the software at the level of data processing in (3).
  • the transmission of the data to the outside of the implant and that of the programming orders to the inside of the implant can be done using any wireless communication protocol by modifying the type of transmitter and the software of the implant.
  • the magnetic field generating surface for implant feeding can be enlarged as much as desired due to the modularity of the base cell.
  • This cell can be replicated as many times as necessary maintaining its resonance frequency invariable: each module will have the same inductance value and capacity set in parallel and resonant at the frequency of interest, so that by stacking N modules we divide the inductance value by N and multiply the capacity value by N. In this way the resonance frequency remains unchanged.
  • the magnetic field generating surface can be manufactured using a multilayer substrate, a generic wireline winding or a combination of both options, thus allowing to increase the magnetic field density.

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Abstract

La presente invención se refiere a un a un sistema modular (1) para proporcionar energía a un dispositivo electrónico (2) a través de un campo magnético. El dispositivo electrónico (2) es un implante para animales de laboratorio cuya misión es medir y enviar información de funciones fisiológicas del animal para un posterior análisis y estudio. El sistema implantable posee un módulo de almacenamiento de energía temporal. El sistema que proporciona energía a través del campo magnético para la alimentación del implante está alojado en la jaula del animal y su modularidad permite aplicarlo a alojamientos animales tan grandes como se desee. El sistema permite estudios de duración prolongada, (en los cuales el uso de baterías está descartado), mientras el animal se mueve libremente en su jaula sin ningún tipo de restricción. El sistema permite además extraer el animal de la zona de generación de campo magnético durante periodos de tiempo limitados sin que se pierdan las funciones del implante por falta de alimentación.

Description

SISTEMA MODULAR PARA LA AUMENTACIÓN POR CAMPO MAGNÉTICO EN
TELEMETRÍA ANIMAL
Antecedentes de la Invención Existen numerosos trabajos de Investigación sobre el desarrollo de dispositivos implantabas con diversos objetivos: estimulación muscular, dispensación automática de fármacos, medida de parámetros biológicos, etc. y que- usan una señal de radiofrecuencia para realizar la transmisión tanto de datos como de energía
(US7191013-81 / KR2005Q39445-A / US6631296-81 / US20G3014091-A1 / US6477425- Bl / WO20059370-A / WO2000224456-A / WO2006010013-A1). En muchos de ellos una pequeña batería proporciona la energía al sistema, pero a su vez limita su vida útil. En otros se describe un sistéma de almacenamiento temporal de la energía (como en US US2003014091), Algunos de estos trabajos ya han sido o están en vía de ser patentados. (US2005159105-A1 / US 2008103553 / US 2008091246 / US2008O09921 /US6455883-B1 / US6166518-A /US5733313-A / US2005288743-A1). Se han realizado también patentes de dispositivos Implantados sin batería y que utilizan luz solar como medio para conseguir la energía (US2004116794).
Otras patentes se basan én el aprovechamiento de un campo magnético, el cual una vez rectificado y debidamente filtrado es usado como fuente de energía, aunque no para un dispositivo Implantado (HK1017537 / ES2111486).
En todas estas invenciones la transmisión de energía es prácticamente punto a punto y extremadamente focalizada en una pequeña área de! espacio, teniendo unas severas restricciones de posicionamiento y orientación (ver por ejemplo W00137926A1). La presente invención propone un sistema que permite generar un campo magnético uniforme en una área tan grande como la aplicación lo requiera, que permite al animal que lleva el implante moverse libremente en su habitáculo. Descripción de la invención
La presente Invención se refiere a un sistema capaz de medir y transmitir tos datos fisiológicos de un animal que se encuentra en movimiento libre dentro de su jaula, durante un Sargo periodo de tiempo. Dicho sistema no puede suponer un Impedimento para el animal en el desarrollo de su actividad física habitual ni producir ninguna alteración fisiológica que pueda modiftcar su desarrollo, comportamiento ni evidentemente los datos obtenidos. la invención se compone de un a un sistema modular (1) para proporcionar energía a un dispositivo electrónico (2) a través de un campo magnético, y un sistema de transmisión y procesamiento de datos (3).
El sistema (1) encargado de la generación del campo magnético consta de:
(1a) circuito tanque resonante paralelo: (1aa) bobina {lab} condensador. (1b) circuito electrónico que proporciona una corriente harmónica a! circuito
1a.
El sistema de generación de campo magnético maximiza la uniformidad del mismo en toda la superficie de la base de la jaula del animal, para garantizar la correcta alimentación del implante independientemente del punto de la jaula donde este se encuentre. Para garantizar la uniformidad del campo magnético, la inductancia (1aa) de! circuito tanque (1a) se construye de tal forma que quede distribuida por toda la superficie de la base de la jaula del animal. Las espiras son de geometría y posición variable para garantizar una máxima uniformidad del campo generado. A su vez el soporte en el cual estarán dispuestas las espiras está formado por una o varias capas para obtener el campo magnético deseado por unidad de superficie. El sistema es modular de manera que se puede generar un campo uniforme en una superficie de mayores dimensiones replicando N veces el elemento base. El dispositivo electrónico (2) es un implante para anímales de laboratorio cuya misión es medir y enviar Información de funciones fisiológicas del animal para un posterior análisis y estudio. Este dispositivo consta de:
(2a) los sensores necesarios para realizar la adquisición de los parámetros fisiológicos de interés.
(2b) un mlcrocontrolador que realiza la conversión analógica / dígital y que a su vez envía los datos de forma empaquetada y serializada (protocolo de comunicaciones).
(2c) un transmisor de radio-frecuencia el cual envía/recibe los datos»
(2d) un circuito tanque resonante paralelo (formado por una bobina (2da), geométricamente distribuida en la envolvente del implante, y un condensador) encargado de la transformación de la energía magnética en eléctrica.
(2e) un módulo de almacenamiento temporal de energía, que permite extraer el animal de la Jaula durante periodos de tiempo limitados sin que el implante pierda su funcionalidad.
El dispositivo (3) encargado de transmitir almacenar y procesar los datos se compone de:
{3a} transmisor de radio-frecuencia, el cual recibe/envía los datos emitidos/ recibidos por (2c)
(3b) un procesador que responderá al protocolo generado por (2b) y que por tanto será capaz de recuperar los datos correspondientes a cada uno de los sensores (2a).
(3c) un sistema de comunicación encargado de transmitir a un PC los datos procedentes del sistema (3a)
(3d) un software de análisis, tratamiento y almacenado de los datos. El funcionamiento global del sistema es eí siguiente:
El circuito resonante parálelo (1a) se excita con una corriente senoidal a través de un puente H incluido en (1b). La bobina del circuito tanque (1aa), que está geométricamente distribuida en toda la base de la jaula del animal, genera un campo magnético proporcional a la corriente que circula por ella. Dicho campo magnético induce en la bobina del circuito tanque del implante (2da) la corriente necesaria para el correcto funcionamiento del mismo, los circuitos tanque del sistema de generación de campo magnético (1a) y del implante (2d) están sintonizados a la misma frecuencia. El implante adquiere y digitaliza continuamente los parámetros fisiológicos a medir, y posteriormente, mediante un protocolo de comunicaciones adecuado, envía la información a través del transmisor de radiofrecuencia (2c).
El transmisor receptor (3a) se encuentra a una cierta, distancia de la jaula del animal (una distancia que asegure que el funcionamiento del enlace de RF es correcto). El receptor (3a) entrega los datos recibidos del implante a un procesador (3b) encargado de enviarlos a través de un sistema de comunicación (3c) a un PC. En dicho PC se realizará el procesado y almacenamiento de todas las señales biológicas recibidas.
El sistema permite que temporalmente el anima! se encuentre fuera de la acción del campo magnético graclas ai módulo del almacenamiento temporal de energía (2e), manteniendo el implante todas sus prestaciones.
Breve descripción de los dibujos
Para mayor comprensión de cuanto se ha expuesto se acompañan unos dibujos en los cuales, esquemáticamente y sólo a título de ejemplo no limitativo, se representa lo anteriormente descrito. La figura I es un esquema global del sistema generador del campo magnético, donde se muestre el circuito (1b) que proporciona la corriente al circuito tanque (1a) que está formado por una bobina (1aa) y un condensador (1ab) la figura 2 es un esquema genérico del implante, donde se muestren los sensores para la medida de las variables fisiológicas (2a) , el mícrocontrolador que realiza ta conversión analógica / digital y envía los datos de forma empaquetada y serializada (2b), e! transmisor de radiofrecuencia (2c) que envía los resultados de las medidas a un receptor situado en el exterior del implante, (2d) un circuito tanque resonante paralelo (formado por una bobina (2da), geométrica mente distribuida en la envolvente del implante, y un condensador), y un sistema de almacenamiento temporal de energía (2e), que permite extraer el animal de la jaula durante perlodos de tiempo cortos sin que el implante pierda su funcionalidad
La figura 3 es un esquema representativo de la unidad encargada de la recepción de los datos, del tratamiento y almacenado de los mismos. Consta de una antena receptora (3e), conectada ai circuito receptor (3a), un procesador (3b) que responderá ai protocolo generado por (2b) y que recupera tos datos correspondientes a cada uno de los sensores (2a), un sistema de comunicación (3c) encargado de transmitir a un PC (3f) los datos procedentes de! implante, y un software de análisis, tratamiento y almacenado de los datos (3d). la figura 4 es un ejemplo ilustrativo de la impiementación de una celda base (bobina distribuida (4a) y condensador (4b)) del circuito resonante encargado de generar el campo magnético. Se muestran también los conectores macho (4c) y hembra (4d) para la interconexión de las celdas base en el sistema modular- La figura 5 muestra la medularidad de las celdas base del circuito tanque para la generación del campo magnético, mostrando su capacidad de ampliación.
La figura 6 contiene un esquema del sistema completo. Descripción de modos de realización de la Invención
Ei sistema descrito en la presente invención tiene como objetivo el estudio de uno o varlos parámetros fisiológicos en animales, a muy largo plazo.
Modificando el tipo y el numero de sensores biomédicos del implante se puede adquirir cualquier parámetro fisiológico deseado ((ECG, presión sanguínea, temperatura, actividad, etc.)
La modificación del número y tipo de sensor comporta tan solo un cambio dei software a nivel de tratamiento de datos en (3).
La transmisión de tos datos hacia el exterior dei implante y la de las órdenes de programación hacia ei interior del mismo puede realizarse utilizando cualquier protocolo de comunicación inalámbrico modificando el tipo de transmisor y el software del implante.
La superficie generadora de campo magnético para la alimentación del implante se puede ampliar tanto como se desee debido a la modularidad de la celda base. Esta celda puede replicarse tantas veces como sea necesario manteniendo invariable su frecuencia de resonancia: cada módulo tendrá un mismo valor de inductancia y capacidad puesto en paralelo y resonante a la frecuencia de interés, de forma que apilando N módulos dividimos ei valor de la inductancia por N y multiplicamos el valor de la capacidad por N. De esta forma la frecuencia de resonancia se mantiene invariable.
La superficie generadora de campo magnético puede ser fabricada usando un sustrato multicapa, un bobinado genérico de hilo metálico o una combinación de ambas opciones, permitiendo de esta forma aumentar la densidad de campo magnético.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Sistema modular para generar un campo magnético que alimenta a un dispositivo implantado en un animal destinado al estudio de parámetros fisiológicos en animales caracterizado por qué : a) cada celda de generación de comprende un circuito tanque resonante (1a) formado por un condensador (1ab) y una bobina (1aa) distribuida geométricamente en toda la superficie del módulo. b) la geometría de la bobina genera un campo magnético uniforme en toda la superficie de la celda a una altura entre 0 y 4 cm. c) la geometría resultante de la interconexión de varias celdas mantiene la uniformidad del campo y garantiza que la superficie para generar el campo es ajustable según las dimensiones requeridas mediante la interconexión dos o más celdas de generación.
2. Equipo según la reivindicación 1 caracterizado por usar un sustrato multicapa, un bobinado genérico con hilo metálico o una combinación de ambas opciones para la fabricación de la bobina distribuida (1aa).
3. Equipo según la reivindicación 1 que comprende un dispositivo implantado en el animal que consta de uno o varios sensores para la medida de variables fisiológicas (2a) , un microcontrolador cuyas funciones principales son la digitalización de los datos y el control de la transmisión de los mismos (2b), un transmisor de radiofrecuencia (2c) que envía los resultados de las medidas a un receptor situado en el exterior del implante, (2d) un circuito tanque resonante paralelo (formado por una bobina (2da), geométricamente distribuida en la envolvente del implante, y un condensador), y un sistema de almacenamiento temporal de energía (2e), que permite extraer el animal de la jaula durante periodos de tiempo cortos, cuya duración depende de la capacidad de almacenamiento de energía del sistema, sin que el implante pierda su funcionalidad.
4. Equipo o dispositivo según la reivindicación 3 caracterizado por que el elemento de almacenamiento temporal de energía es preferiblemente un condensador.
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