WO2021136545A1 - 心脏起搏装置、存储介质、电源设备及输出电压控制方法 - Google Patents

心脏起搏装置、存储介质、电源设备及输出电压控制方法 Download PDF

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Abstract

一种植入式医疗器械的电源设备、植入式医疗设备的输出电压控制方法、心脏起搏装置以及可读存储介质。电源设备包括电源模块和电压调整模块，电源模块提供基础电压，电压调整模块包括至少一个与该电源模块可连接的电容阵列，电容阵列中设置有至少两个能相互串联或并联的开关电容单元，该电压调整模块利用开关电容单元的组合和连接方式调整电源模块的输出电压至需求电压。电源设备可以根据需求电压大小选择电容阵列中的开关电容单元的不同组合和连接方式来调整电源模块的输出电压，电荷利用效率高，有利于延长植入式医疗器械的寿命。该输出电压控制方法利用了电源设备，心脏起搏装置包括该电源设备。

Description

心脏起搏装置、存储介质、电源设备及输出电压控制方法 技术领域
本发明涉及植入式医疗器械领域，尤其涉及心脏起搏装置、存储介质、电源设备以及输出电压控制方法。
背景技术
有源植入医疗器械(Active Implantable Medical Device，AIMD)是指产品的预期用途是植入人体内、需要使用电、气等驱动的医疗器械，例如植入式心脏起搏器、植入式除颤器、植入式神经刺激器、植入式膀胱刺激器、植入式括约肌刺激器、植入式横膈膜刺激器、植入式有源服药设备等等。
以植入式心脏起搏器(cardiac pacemaker)为例，其是用于产生心脏刺激信号的医疗器械，具体通过脉冲发生器发放由电池提供能量的电信号(即起搏脉冲)，将起搏脉冲传递到心脏，刺激电极所接触的心肌，使心脏激动和收缩，从而达到治疗慢性心律失常等心脏功能障碍的目的。植入式心脏起搏器所产生的起搏脉冲的幅度应满足一定要求，即需产生需要的起搏电压才能刺激心脏收缩而搏动。通常需要的起搏电压在0.5V～7.5V范围内。因此对于产生起搏电压的电源设备，主要需要考虑两方面的问题，一是现有起搏器需要采用电池供电，而常用电池的电压在2.8V左右，如果要得到高于电池电压的起搏电压，那么需设计升压电路对电池电压进行升压；二是由于病人个体的差异性，电源设备需要产生的起搏电压的起搏电压阈值也各不相同，因此，电源设备需要能够设置不同的起搏电压。
但是，目前植入式心脏起搏器为了达到小体积、噪声小的使用要求，电池的电压通常较小。目前，植入式心脏起搏器为了获得满足要求的输出电压，常规采用电荷泵电路作为升压电路，这种升压电路，在电源的输出电压不是电源电压的整数倍时，电流的利用效率较低，影响电池寿命。
发明内容
为了提高植入式医疗器械的电源设备的电流利用效率，延长电源设备的 使用寿命，本发明提供一种植入式医疗器械的电源设备。另外还提供一种利用所述电源设备的输出电压控制方法、一种包括该电源设备的心脏起搏装置以及一种可读存储介质。
一方面，本发明提供一种植入式医疗器械的电源设备，包括电源模块及电压调整模块，所述电源模块用于提供一基础电压，所述电压调整模块包括至少一个电容阵列，所述电容阵列与所述电源模块可连接，其中，所述电容阵列中设置有至少两个开关电容单元，所述开关电容单元之间相互串联或并联，所述电压调整模块利用所述开关电容单元的组合和连接方式调整所述电源模块的输出电压至需求电压。
可选的，所述电源设备还包括控制模块，所述控制模块用于控制所述电源模块和所述电容阵列之间的连接方式以及所述开关电容单元之间的连接方式。
可选的，所述电压调整模块包括两个以上的所述电容阵列，且当各个所述电容阵列中的所述开关电容单元为并联连接时，各个所述电容阵列的总电容量相同；各个所述电容阵列之间设置有相应的开关元件。
可选的，同一所述电容阵列中的各个所述开关电容单元的电容量均相同，且各个所述电容阵列中的所述开关电容单元的数量不完全相同。
可选的，各个所述电容阵列中的所述开关电容单元的数量按照从小到大的顺序排列构成的数列为等比数列。
可选的，各个所述电容阵列中的所述开关电容单元的数量按照从小到大的顺序排列构成的数列为以2的幂次方递增的等比数列。
可选的，每个所述开关电容单元均包括相应的支路电容；任一所述支路电容的上极板与所述电源模块的输出端之间、与同一电容阵列中其它所述支路电容的所述上极板之间和下极板之间均设置有相应的开关元件；任一所述支路电容的所述下极板与所述电源模块的输出端之间、与地之间、与同一电容阵列中其它所述支路电容的所述上极板以及所述下极板之间均设置有相应的开关元件。
可选的，所述电压调整模块还包括至少一个增压电容，所述增压电容与所述电容阵列之间设置有相应的开关元件。
本发明提供的植入式医疗器械的电源设备，包括电源模块和用来调节所述电源模块的输出电压的电压调整模块，所述电源模块用于提供一基础电压，所述电压调整模块包括至少一个电容阵列，包括至少一个电容阵列，所述电容阵列与所述电源模块连接，其中，所述电容阵列中设置有至少两个开关电容单元，所述开关电容单元之间能在串联连接和并联连接之间切换，所述电压调整模块利用所述开关电容单元的组合和连接方式调整所述电源模块的输出电压至需求电压。利用所述电源设备，为了获得需求电压，可以在基础电压的基础上，根据需求电压大小选择电容阵列中的开关电容单元的不同组合和连接方式来调整所述电源模块的输出电压，所述输出电压的调节精度也可以利用所述开关电容单元的不同组合和连接方式来提高，因而可获得的电源模块的输出电压可以等于或者非常接近于所述需求电压，理论上可以获得接近100％的电荷利用效率。相对于电荷泵升压电路必须产生大于等于需求电压的输出电压来说，无论需求电压是不是基础电压的整数倍，利用本发明提供的电源设备，损失的电荷都较少，可以获得较高的电荷利用效率，有利于延长植入式医疗器械的寿命。此外，电荷利用效率高有助于提高电源模块(例如电池)的耐用性，因而便于进一步使植入式医疗器械小型化。
一个方面，本发明提供一种植入式医疗设备的输出电压控制方法，利用上述电源设备来实现，所述输出电压控制方法包括：
根据所述植入式医疗器械要获得的输出电压和基础电压，选择所述电压调整模块中的至少一个电容阵列；将所选择的电容阵列中各个开关电容单元串联，并利用所述电源模块对该电容阵列充电，在达到稳定后，断开所述电源模块与所选择的电容阵列之间的连接；根据所述植入式医疗器械要获得的输出电压，选择分别来自不同电容阵列中的充电后的所述开关电容单元，并将各电容阵列中的所述开关电容单元串联，构成总串联电容；将所选择的电容阵列中第一电容阵列中任一开关电容单元的上极板高压极板切换至电压输出端，保持所述总串联电容中的各个所述开关电容单元上的电压不变；以及，根据所述植入式医疗器械要获得的输出电压，调节所选择的电容阵列中第二电容阵列中任一开关电容单元的下极板上的电位，使所述电压输出端的电压为需求电压。
可选的，在所述的输出电压控制方法中，选择所述电压调整模块中的至少一个电容阵列的步骤包括：将所述基础电压除以每个电容阵列中开关电容单元的数量，所得到的值作为对应电容阵列的权重电压预测值，然后根据该权重电压预测值、要获得的输出电压，选择所述电压调整模块中的至少一个电容阵列。
可选的，同一个所述电容阵列中各个所述开关电容单元的电容量均相同，使得总串联电容中的各个开关电容单元在串联之后保持电压不变。
可选的，每个所述开关电容单元均包括相应的支路电容；所述支路电容的上极板还可通过开关元件连接一保持电容，将所选择的电容阵列中第一电容阵列中任一开关电容单元的上极板切换至电压输出端的步骤包括：将所述开关电容单元的上极板与所述保持电容之间的开关元件闭合。
可选的，所述根据电压需求，调节所选择的电容阵列中第二电容阵列中任一开关电容单元的下极板上的电位，使所述电压输出端的电压为需求电压的步骤包括：
比较所述需求电压和所述总串联电容的电压值，并且，当所述需求电压等于所述总串联电容的电压值时，调节所述下极板上的电位为零，使所述电压输出端的电压为所述需求电压；当所述输出电压和所述总串联电容上的电压值相比，增加了一个基础电压时，将所述下极板连接所述电源模块的正极端，进而使所述电压输出端的电压为所述需求电压。
可选的，所述输出电路中还包括至少一个增压电容，所述增压电容能串连连接到所述总串联电容；所述根据电压需求，调节所选择的电容阵列中第二电容阵列中任一开关电容单元的下极板上的电位，使所述电压输出端的电压为需求电压的步骤包括：
当所述输出电压和所述总串联电容上的电压值相比，增加了N倍的基础电压时，将N个增压电容与所述总串联电容串联连接；其中，所述增压电容的电压为所述基础电压，N为大于等于1的整数。
本发明提供的输出电压控制方法，利用上述电源设备，在选择所述电压调整模块中的至少一个电容阵列进行调压后，先将所选择的电容阵列中各个开关电容单元串联，利用所述电源模块对该电容阵列充电，在达到稳定后， 电容阵列中各个所述开关电容单元上获得了权重分压，然后断开所述电源模块与电容阵列之间的连接，接着根据电压需求，选择分别来自不同电容阵列中的充电后的所述开关电容单元，并将各电容阵列中的所述开关电容单元串联以构成总串联电容，然后将所述总串联电容的高压极板切换至电压输出端，保持所述总串联电容中的各个所述开关电容单元上的电压不变，并根据电压需求，调节所述总串联电容的低压极板上的电位，使所述电压输出端的电压为需求电压。所述输出电压控制方法利用了上述电源设备控制输出电压，控制过程中不需要持续的供电，而且也不需要专门的反馈电路来调整输出，而是根据需求电压大小选择电容阵列中的开关电容单元的不同组合和连接方式来调整所述电源模块的输出电压，所述输出电压的变化精度也可以利用所述开关电容单元的不同组合和连接方式来提高，因而可获得的电源模块的输出电压可以等于或者非常接近于所述需求电压，可以获得较高的电荷利用效率，有利于延长有源植入医疗器械的寿命。
上述输出电压控制方法的处理、执行，一般是以软件程序的方式配合装置或设备来实施，然而，他们全部(或其中一部分)也可以使用电子硬件的方式来实施。
一个方面，本发明提供一种可读存储介质，所述可读存储介质上存储有可执行指令，当所述可执行指令被处理器执行时，执行上述的输出电压控制方法。因而具有与上述输出电压控制方法相同或类似的优点。
一个方面，本发明提供一种心脏起搏装置，所述心脏起搏装置包括上述电源设备以及与所述电源设备连接的起搏电路，所述电源设备用于向所述起搏电路提供满足起搏要求的起搏电压。利用上述电源设备，可以根据起搏电压需求调节电源模块的基础电压至需求电压。所述电源设备的电荷利用效率高，有助于延长心脏起搏装置的使用寿命，同时有助于实现装置小型化。
附图说明
图1是一种采用电荷泵升压电路的电源的示意图。
图2A至图2C分别是本发明一实施例的三个电容阵列的示意图。
图3是本发明一实施例的开关电容单元的示意图。
图4是本发明一实施例的输出电压控制方法的流程示意图。
图5是利用本发明一实施例的输出电压控制方法对串联结构的第一电容阵列和第二电容阵列进行充电的示意图。
图6为利用本发明一实施例的输出电压控制方法将并联结构的第一电容阵列和第二电容阵列串联连接的示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的植入式医疗器械的电源设备、输出电压控制方法、心脏起搏装置以及可读存储介质作进一步详细说明。根据下面的说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
植入式医疗器械通常通过外科手术全部或部分引入人体，或者通过医疗干预引入某个自然孔口，并在完成上述程序后保留在人体内，因此其预期用途是植入人体内，并且通常需要依靠电能进行工作，由于需要长时间地放置在体内工作，植入式医疗器械需采用电池供电，并且电池的体积不能太大。但是，由于植入的个体具体情况不同，或者不同病情需要的输出电压不同，因此，植入式医疗器械中需要另外设置电压调节电路以调节输出电压。以植入式心脏起搏器为例，常用的电池的电压为2.8V，在应用时，常需要利用升压电路进行升压，以使电池系统的输出电压满足起搏电压需求。
对于升压电路，通常采用DC-DC电路或电荷泵电路。其中DC-DC电路需要采用电感，占用面积较大，并且产生的噪声大，不适合植入式心脏起搏器的小体积要求，通常采用电荷泵电路作为植入式心脏起搏器的升压电路。
图1是一种采用电荷泵升压电路的电源的示意图。如图1所示，电荷泵升压电路通常在输出端检测输出电压V H的值，并与参考电压进行比较，确定输出电压已达到预定电压，该方法通过改变检测电路的反馈系数来得到设置不同电压值的目的。
但是，这种电荷泵升压电路存在电流利用效率较低的问题，由于实际应用中起搏器的需求电压常常不是电池电压的整数倍(此处电池电压记为V BAT， 整数倍即指V BAT，2*V BAT，3*V BAT，,..)，例如如果采用2级升压电路，而起搏器的需求电压需要产生的输出电压为1.2*V BAT时，那么电荷利用效率可以按下式计算：1.2*V BAT/(2*V BAT)*100％＝60％。可以看出电荷利用效率是比较低的。在用于植入式心脏起搏器时，由于电池的体积和容量本身受到了限制，电荷利用效率低会影响电池的寿命，因而也会影响植入式心脏起搏器的寿命，更换心脏起搏器不仅会增加患者花费，也会对其生活质量和健康产生影响。类似的问题对于其它有源植入式医疗器械也存在。
为了解决上述的植入式医疗器械所面临的电源电电荷利用效率较低、影响电池寿命的问题，本发明实施例首先对本发明提出的植入式医疗器械的电源设备及输出电压控制方法进行描述。
本发明实施例包括一种植入式医疗器械的电源设备，所述植入式医疗器械的电源设备包括电源模块和电压调整模块，其中，所述电源模块用于提供一基础电压，所述电压调整模块包括至少一个电容阵列，所述电容阵列与所述电源模块可连接，其中，所述电容阵列中设置有至少两个开关电容单元，所述开关电容单元之间相互串联或并联，所述电压调整模块利用所述开关电容单元的组合和连接方式调整所述电源模块的输出电压至需求电压。
利用本实施例的电源设备，为了获得需求电压，可以在基础电压的基础上，根据需求电压大小选择电容阵列中的开关电容单元的不同组合和连接方式来调整所述电源模块的输出电压，所述输出电压的调节精度也可以利用所述开关电容单元的不同组合和连接方式来调整，例如，如果需要产生的输出电压为1.2*VBAT(VBAT表示电源模块提供的基础电压)，本实施例的电源设备不需要先产生2*VBAT，而是可以将1.2*VBAT拆分成若干个权重分压之和，基于电源模块提供的基础电压，将所述开关电容单元进行组合连接，并通过形成的电容阵列获得其中的小于1个基础电压的权重分压，然后再串接整数倍的权重分压，即可从串接后的总端口电压得到接近或者等于该输出电压的电压值。因而可获得的电源模块的输出电压可以等于或者非常接近于所述需求电压。可见，本实施例的电源设备相对于如图1所示的电荷泵升压方式的电源来说，无论需求电压是不是基础电压的整数倍，理论上可以获得接近100％的电荷利用效率。当然，考虑到实际电路中会有一些损耗，实际可以 获得的电荷利用效率会低于100％。
因此，利用本实施例的电源设备，电荷利用效率先对于现有方案可以得到很大的提升，有利于延长植入式医疗器械的寿命。另外在植入式医疗器械设计时，电池寿命延长可以降低对器械体积的要求，有助于获得进一步小型化的植入式医疗器械。
所述电压调整模块中各个开关电容单元的组合和连接方式可以通过硬件电路或者软件控制，具体来说，上述植入式电源系统还可包括控制模块，所述控制模块用于控制所述电源模块和所述电压调整模块之间的连接，以及所述电压调整模块内部所述开关电容单元之间的连接，以便于对上述电源设备进行自动控制如编程控制，使电源设备的输出电压可调。
上述植入式电源中的电源模块可以是电池或者电池组，例如锂离子电池，其作用是输出一固定的电压，定义为基础电压V BAT。以应用在植入式心脏起搏器为例，所述基础电压V BAT例如为2.8V，但不限于此，所述基础电压可以由电源模块的结构确定。
上述电压调整模块中的电容阵列可以不止一个，例如两个以上，可以根据具体应用场合中的输出电压的要求设置电容阵列的数量。通常为了提高调节输出电压的灵活性以及电压调节精度，电压调整模块中包括两个以上的电容阵列。对于两个以上的电容阵列，为了通过将不同的电容阵列进行串联进而获得要求的输出电压，本实施例中，所述电压调整模块包括两个以上的所述电容阵列，且当各个所述电容阵列中的开关电容单元为并联连接时，各个所述电容阵列的总电容量相同；各个所述电容阵列之间设置有相应的开关元件。此外，为了方便开关电容单元的组合以及控制，本实施例中同一个所述电容阵列中的各个开关电容单元的电容量均相同，另外为了能够进一步提高输出电压的灵活性以及电压调节精度，各个所述电容阵列中的开关电容单元的数量优选为不完全相同。本实施例中，电压调节精度与电容阵列中开关电容单元的数量有关，后续的输出电压控制方法部分会作进一步描述。
图2A至图2C分别是本发明一实施例的三个电容阵列的示意图。如图2A至图2C所示，作为示例，一实施例中，植入式医疗器械的电源设备包括三个电容阵列，分别是包括八个开关电容单元的第一电容阵列(图2A)、包括四 个开关电容单元的第二电容阵列(图2B)以及包括两个开关电容单元的第三电容阵列(图2C)。在每个电容阵列中，各个开关电容单元之间可以是断开的，或者根据需要将部分或者全部开关电容单元依次串联连接，也可以并联连接。
本实施例中，设定每个电容阵列在其中全部的开关电容单元并联时的总电容量均相同，记为C，且同一所述电容阵列中的各个开关电容单元的电容量也均相同，则第一电容阵列中的八个开关电容单元的电容量均为C/8(即第一电容开关电容单元)，第二电容阵列中的四个开关电容单元的电容量均为C/4(即第二电容开关电容单元)，第三电容阵列中的两个开关电容单元的电容量均为C/2(即第三电容开关电容单元)。需要说明的是，本实施例中，电压调整模块中的同一个电容阵列中的各个开关电容单元的电容量均相同，但本发明不限于此，在另一实施例中，同一个电容阵列也可以包括不同电容量的开关电容单元。
具体的，对于上述第一至第三电容阵列中的任意一个，当其中的开关电容单元串联时，在电容阵列上施加外加电压时，分布在各个开关电容单元上的电压是相等的，理论上均为外加电压除以其中开关电容单元的数量得到的值。本实施例中，外加电压采用电源模块输出的基础电压V BAT，则，在稳定之后，对于第一电容阵列，每个开关电容单元上形成的电压差为V BAT/8，对于第二电容阵列，每个开关电容单元上形成的电压差为V BAT/4，对于第三电容阵列，每个开关电容单元上形成的电压差为V BAT/2。此时，当切换各个电容阵列中的开关电容单元并联连接时，各个电容阵列的总电压为每个开关电容单元上的电压差，该电压差可作为对应电容阵列所获得的权重电压。
本实施例中，第一至第三电容阵列中的开关电容单元的数量按照减半的方式逐渐递减，所得到的权重电压也按照倍数递增，这样在通过统计权重电压计算输出电压时，可以以最小的权重电压为调节精度连续调节输出电压。在另一实施例中，各个所述电容阵列中的开关电容单元的数量虽然按照从小到大的顺序排列构成的数列亦为等比数列，但可以不同于本实施例，例如可以是5、10、20...的规律变化。在另一实施例中，各个所述电容阵列中的开关电容单元的数量按照从小到大的顺序排列构成的数列为以2的幂次方递增的 数列。即利用二进制的规律变化，便于数字电路编程控制。可以理解，电压调整模块中的电容阵列也可以包括大于八个的开关电容单元，电容阵列的数量以及每个电容阵列中开关电容单元的数量可以根据输出电压的调节精度需求以及电压调整模块的复杂程度等因素确定。
上述实施例中，电压调整模块除包括一个或多个电容阵列之外，还可以包括至少一个增压电容。所述增压电容例如是单个的开关电容单元，其电容量可以设置的与形成权重分压的电容阵列的总电容量相同，这样，在将该增压电容充满电后，其也可以根据输出电压的需要与形成权重分压的电容阵列串联以使端口电压增加。本实施例中，所述增压电容的电容量与上述电容阵列在各个所述电容阵列中的开关电容单元为并联连接时的电容量(即形成权重分压后的电容量)相同，记为C。对于增压电容，在外加基础电压V BAT时，在其上下极板形成的电压差即为V BAT，可以看作其对应的权重电压等于基础电压V BAT。
本实施例中，所述电压调整模块上的开关电容单元为支路电容，从而，上述第一至第三电容阵列中的支路电容的电容量不同，分别为C/8、C/4以及C/2，支路电容的具体电容值可以根据输出电压的调节精度等要求具体选择。
本实施例中，每个所述开关电容单元均包括相应的支路电容C1；任一所述支路电容C1的上极板与所述电源模块的输出端之间、与同一电容阵列中其它所述支路电容的上极板之间和下极板之间均设置有相应的开关元件；任一所述支路电容的下极板与所述电源模块的输出端之间、与地之间、与同一电容阵列。此处支路电容的上极板指的是在形成电压差时，电压较高的一个极板，也作为对应开关电容单元的高压极板。此处支路电容的下极板指的是在形成电压差时，电压较低的一个极板，也作为对应开关电容单元的低压极板。
各个所述支路电容之间可以设置有相应的开关元件，以便于将开关电容单元串联或者并联连接。图3是本发明一实施例的开关电容单元的示意图。如图3所示，示例的，每个开关电容单元均可以通过六个开关元件和其他开关电容单元或者电路中的其它端口进行连接，其中C1表示支路电容，支路电容C1的电容量可以根据需要选择，各个连接端代表的连接关系如下：
V BAT-连接电源电压；
V P-接其它电容的下极板或者下极板；
V H-接保持电容(用来保持需求电压)；
GND-接地；
V N-接其它电容的上极板或者下极板。
可以看出，本实施例中，同一电容阵列中，各个开关电容单元既可以实现串联连接，即前一个开关电容单元的下极板连接后一个开关电容单元的上极板，以最前一个开关电容单元的上极板作为串联结构电容阵列的高压极板，以最后一个开关电容单元的下极板作为该串联结构电容阵列的低压极板。并且，同一电容阵列中，各个开关电容单元还可以实现并联连接，即各个开关电容单元的上极板均相互连接，且各个开关电容单元的下极板也相互连接，所形成的并联结构电容阵列的高压极板为任意一个开关电容单元的上极板，低压极板为任意一个开关电容单元的下极板。
此外，如图3所示，本实施例中，为了对获得的输出电压进行保持，所述支路电容C1的上极板还可通过开关元件连接一保持电容，所述保持电容用于向用电设备提供电压，对应的电压为V H。例如，在应用于植入式心脏起搏器时，所述保持电容即可作为起搏电容，所述起搏电容上的电压通过脉冲发生器向心脏施加起搏脉冲。需要说明的是，电源设备的输出电压可从输出电路中靠近输出端的一个开关电容单元的上极板获取，因而在另一实施例中，可以设置仅部分开关电容单元的上极板与保持电容之间设置开关元件，即可以通过部分开关电容单元来将调节后的需求电压输出即可。上述设置于每个支路电容C1的上极板和下极板上以及各个电容阵列之间的开关元件可以采用三极管、MOSFET、JFET以及IGBT等开关元件中的一种。有源开关元件方便进行自动控制，并且可以通过集成电路工艺与支路电容制作在芯片上，寄生电容小，体积小。在某些实施例中，所述开关元件中的一个或多个也可以采用无源开关器件，例如磁控开关等。需要说明的是，本实施例中开关电容单元上的电压差在未施加外加电场时，开关元件的闭合或关断应几乎不影响每个开关电容单元上原来的电压，因此，在开关元件的选择上，应避免引入寄生电容等容易消耗开关电容单元上的电荷量的因素。
本实施例中的电压调整模块可以采用全片上集成的设计方式，不需要增 加额外的片外分立元器件，降低了成本，同时可以降低混合电路板的设计复杂度，增加可靠性。
本实施例还包括一种植入式医疗器械的输出电压控制方法，可以采用上述植入式医疗器械的电源设备来实现。图4是本发明一实施例的输出电压控制方法的流程示意图。参照图4，所述输出电压控制方法包括以下步骤：
步骤S1：根据所述植入式医疗器械的电压调整要求和基础电压，选择所述电压调整模块中的至少一个电容阵列；
步骤S2：将所选择的电容阵列中各个开关电容单元串联，并利用所述电源模块对该电容阵列充电，在达到稳定后，断开所述电源模块与该电容阵列之间的连接；
步骤S3：根据电压需求，选择分别来自不同电容阵列中的充电后的所述开关电容单元，并将各电容阵列中的所述开关电容单元串联，构成总串联电容；
步骤S4：将所述总串联电容的高压极板切换至电压输出端，保持所述总串联电容中的各个所述开关电容单元上的电压不变；
步骤S5：根据电压需求，调节所述总串联电容的低压极板上的电位，使所述电压输出端的电压为需求电压。
作为示例，采用上述具有如图2A至图2C的三个电容阵列的电源设备，以需要产生1.375倍的基础电压V BAT作为输出电压(即1.375*V BAT)为例，对上述利用植入式医疗器械的输出电压控制方法进行说明。
首先执行步骤S1，为选择电容阵列的步骤。具体的，作为示例，对于三个电容阵列中的任意一个，其内部各个开关电容单元的电容量均设置为相同，因而利用各个电容阵列可以获得的权重电压与开关电容单元的数量相关。具体的，可以将所述基础电压除以每个电容阵列中开关电容单元的数量，所得到的值作为对应电容阵列的权重电压预测值，然后根据该权重电压预测值、要获得的输出电压，选择所述电压调整模块中的至少一个电容阵列执行后面的步骤。本实施例中，各个电容阵列中开关电容单元的数量是确定的。但需要理解，在另一实施例中，电源设备中各个电容阵列的数量并不确定，在进行输出电压控制时，可以根据需求选择电容阵列所包括的开关电容单元的数 量。
本实施例中，根据上面的计算方法，可以获知对应于第一电容阵列的权重电压预测值为V BAT/8，对应于第二电容阵列的权重电压预测值为V BAT/4，对应于第三电容阵列的权重电压预测值为V BAT/2，而要获得的输出电压为1.375*V BAT，根据1/8+1/4＝0.375，即，第一电容阵列和第二电容阵列的权重电压之和可以覆盖需求的输出电压的小数部分(即非整数倍部分)，因而，可以选择一个第一电容阵列和一个第二电容阵列，通过开关元件将其连接在输出电路中。所述输出电路包括连接至电压输出端的电路，例如，输出电路的电压输出端可以设置在电容阵列与保持电容之间的节点。第一电容阵列和第二电容阵列之间具有串联节点，该串联节点处设置有开关元件。在步骤S1中，该串联节点处的开关元件是断开的，因为此时各个开关电容单元上还没有被充电。
在另一实施例中，要获得的输出电压是另外的值，也可以只选择一个电容阵列设置在输出电路。例如，若要获得的输出电压为1.25*V BAT，可以仅选择一个第二电容阵列来获得输出电压的非整数部分0.25*V BAT。另一实施例中，要获得的输出电压为1.5*V BAT，可以仅选择一个第三电容阵列来获得输出电压的非整数部分0.5*V BAT，也可以选择两个第二电容阵列来获得输出电压的非整数部分0.5*V BAT，考虑到开关电容单元数量增加会增加一些能量损耗并且体积会增加，这里列出的获得0.5*V BAT的两种电容阵列选择方式中，采用一个第三电容阵列的方案更佳。在另一实施例中，要获得的输出电压为0.875*V BAT，可以选择一个第一电容阵列、一个第二电容阵列和一个第三电容阵列，在经过后续的步骤之后，可获得总的权重电压为(1/8+1/4+1/2)*V BAT，即为要求的输出电压。
本实施例中，由于第一电容阵列中设置的开关电容单元最多，为八个，因而输出电压的调节精度即为V BAT/8，即输出电压的最小变化量。但此处仅作为示例，根据输出电压精度的要求，在其它实施例中，也可以在电容阵列中设置十六个、三十二个等更多的开关电容单元来提高电压调节精度。
在选定了用于获得权重分压的电容阵列(本实施例为一个第一电容阵列和一个第二电容阵列，要获得的输出电压为1.375*V BAT)后，接着执行步骤 S2。图5是利用本发明一实施例的输出电压控制方法对串联结构的第一电容阵列和第二电容阵列进行充电的示意图。参照图5，步骤S2中，分别将第一电容阵列和第二电容阵列中的开关电容单元串联连接，即对于第一电容阵列，按照前一个开关电容单元的下极板接后一个开关电容单元的上极板的顺序，将全部八个开关电容单元串联起来，然后将串联结构的上下极板分别接到电源模块的输出端(通过图3中的连接至V BAT的一路开关)和地(通过图3中的连接至GND的一路开关)，由电源模块对各个开关电容单元充电(开关电容单元上的其它开关元件为断开状态)，稳定之后，第一电容阵列中的每个开关电容单元上的电压差均为V BAT/8，对于第二电容阵列，也按照前一个开关电容单元的下极板接后一个开关电容单元的上极板的顺序，将全部四个开关电容单元串联起来，然后将串联结构的上下极板分别接到电源模块的输出端和地，由电源模块对各个开关电容单元充电，稳定之后，第二电容阵列中的每个开关电容单元上的电压差均为V BAT/4。在充好电之后，断开所述电源模块与所选择的电容阵列之间的连接，即停止对第一电容阵列和第二电容阵列充电，此时，阵列中各个开关电容单元上的电压差基本保持不变。
接着执行步骤S3，根据电压需求，选择分别来自不同电容阵列中的充电后的所述开关电容单元，并将各电容阵列中的所述开关电容单元串联，构成总串联电容。
具体的，为了使总串联电容中的串联电容元件在串联之后保持电压不变，各个串联电容元件的电容量应相同。故而，本实施例中，将第一电容阵列中的八个开关电容单元从串联连接切换为并联连接，并将第二电容阵列中四个开关电容单元从串联连接切换为并联连接，即，将同一电容阵列中的全部开关电容单元的上极板电连接在一起，另外将全部开关电容单元的下极板电连接在一起(开关电容单元上的其它开关元件为断开状态)。对于形成并联结构后的第一电容阵列和第二电容阵列，总电容量均为C，因而在串联二者之后各个开关电容单元上的充电电压可以保持稳定不变。在切换为并联连接之后，电容阵列的总的电压差即为其中各个开关电容单元上的电压差，即并联结构的第一电容阵列上的权重分压为V BAT/8，并联结构的第二电容阵列上的权重分压为V BAT/4。
图6为利用本发明一实施例的输出电压控制方法将并联结构的第一电容阵列和第二电容阵列串联连接的示意图。参照图6，本实施例中，所述总串联电容包括串联连接的第一电容阵列和第二电容阵列，所述总串联电容上的电压差为两个电容阵列的分压之和，此处为(1/8+1/4)V BAT＝0.375*V BAT。
然后执行步骤S4，将所述总串联电容的高压极板切换至电压输出端，保持所述总串联电容中的各个所述开关电容单元上的电压不变。本实施例中，所述总串联电容的高压极板为第一电容阵列中任意一个开关电容单元的上极板。可以将该开关电容单元的上极板与保持电容之间的开关元件闭合，则所述保持电容上的电位与该开关电容单元上极板的电位相同。所述总串联电容的低压极板为第二电容阵列中任意一个开关电容单元的下极板，此时所述电压输出端与总串联电容的低压极板之间的电压差为需求电压的非整数部分0.375*V BAT。
经过上述步骤，输出电压的非整数倍部分已经得到，接着可以在所述总串联电容上增加整数倍的基础电压，即可得到需要的输出电压。
接着执行步骤S5，根据电压需求，调节所述总串联电容的低压极板上的电位，使所述电压输出端的电压为需求电压。具体的，步骤S5中，可以比较所述需求电压和所述总串联电容的电压值，并且，当所述需求电压等于所述总串联电容的电压值时，调节所述总串联电容的低压极板上的电位为零，使所述电压输出端的电压为所述需求电压；而当所述输出电压和所述总串联电容上的电压值相比，增加了一个或两个以上整数倍的基础电压时，可以采用如下方法，一种方法是将所述总串联电容的低压极板连接所述电源模块的正极端，进而使所述电压输出端的电压为所述需求电压，从而可以将电压输出端的电压升高一个基础电压，还有一种方法利用了本实施例前面介绍的电源设备中的增压电容，所述增压电容能串连连接到所述总串联电容，通过将整数个充电电压为所述基础电压的增压电容与所述总串联电容串联连接，进而使所述电压输出端的电压为需求电压，利用增压电容可以在电压输出端增加一个或两个以上整数倍的基础电压。因而当所述输出电压和所述总串联电容上的电压值相比，增加了N倍(N为大于等于1的整数)的基础电压时，可以将N个增压电容与所述总串联电容串联连接，其中，所述增压电容的电压 为所述基础电压。本发明不限于此，增加整数倍的基础电压也可以采用公开方法。
作为示例，本实施例中，要获得1.375*V BAT的输出电压，在经过步骤S4得到0.375*V BAT之后，再增加基础电压的一个整数倍可以通过下述方法之一实现：
方法一，对于基础电压的一个整数倍电压，可以直接通过电源模块在第一电容阵列和第二电容阵列形成的总串联电容的下极板施加所述基础电压来获得，即，使所述总串联电容的下极板连接所述电源模块的正极端，以使总串联电容的下极板的电压提升至V BAT，根据该总串联电容的特性，总串联电容的上极板和下极板之间的电压差保持不变，仍为0.375*V BAT，则在达到稳定后，所述总串联电容的上极板的电压变为1.375*V BAT，则可从电压输出端得到需求电压；
方法二，在输出电路中设置一个增压电容，该增压电容的电容量可选择与所选择的电容阵列在其中各个开关电容单元并联时获得的总电容量相同(本实施例均为C)，在执行步骤S2时，利用电源模块使该增压电容充满电，使该增压电容上具有电压差V BAT，在执行步骤S5时，将所述增压电容与第一电容阵列和/或第二电容阵列之间的开关元件闭合，即将所述增压电容能串连连接到上述总串联电容，对于第一电容阵列、第二电容阵列、增压电容三者形成的总串联电容，电压差之和为1.375*V BAT，则，从该总串联电容的上极板连接的电压输出端的电平升高，该电压输出端可以获得的电压为1.375*V BAT，即得到了需求电压。
上述第一种提高一个整数倍的基础电压的方法，利用电源模块提高总串联电容的下极板电压，可以将上极板的电压增加一个基础电压，通常在应用于植入式心脏起搏器时，所述基础电压V BAT为2.8V，利用该方法可以产生0到2倍的电源电压输出，已经可以覆盖较大范围的起搏电压输出要求。此外，利用上述第二种提高整数倍的基础电压的方法，可以通过设置两个以上的增压电容，使电压输出端的电压增加两个以上的基础电压。
上述两种提高整数倍的基础电压的方法也可以同时使用，根据电源设备的设计，可以既通过第一种方法提高一个整数倍的基础电压，还可通过第二 种方法在提高一个或一个以上的整数倍的基础电压，也可以从电压输出端获得所需要的输出电压(即需求电压)。
通过电压输出端可以在上述保持电容上获得利用上述输出电压控制方法得到的输出电压，所述保持电容的上极板连接电压输出端，下极板连接电源模块的负极，对于植入式心脏起搏器，所述保持电容可以作为起搏电容，在一个起搏脉冲之后，电压输出端的电压下降，此时需要重新执行上述电压获取方法来获得所需要的输出电压。
上述电源设备的输出电压控制方法的处理、执行，可以主要通过编程方式利用软件执行，也可以利用电路的方式来实现。
本实施例还包括一种可读存储介质，所述可读存储介质上存储有可执行指令，当所述可执行指令被处理器执行时，执行上述电源设备的输出电压控制方法。所述处理器可以是微型计算机中的CPU，所述可读存储介质可以是随机存取存储器(RAM)、随机只读存储器(ROM)、硬盘、磁碟、光盘、中央处理单元(CPU)中的寄存器等等。
本实施例描述的植入式医疗器械的电源设备和输出电压控制方法，通过电压调整模块可以将电源模块的输出电压调整至需求电压。根据需求电压大小选择电容阵列中的开关电容单元的不同组合和连接方式来调整所述电源模块的输出电压，所述输出电压的变化精度也可以利用所述开关电容单元的不同组合和连接方式来提高，因而可获得的电源模块的输出电压可以等于或者非常接近于所述需求电压，可以获得较高的电荷利用效率，理论上可以达到100％的电荷利用效率，适用于通过电池供电的各种有源植入医疗器械，有助于延长医疗器械的使用期限。
本实施例另外还包括心脏起搏装置，所述心脏起搏装置包括上述植入式医疗器械的电源设备以及与所述电源设备连接的起搏电路，所述电源设备用于向所述起搏电路提供满足起搏要求的起搏电压。利用上述植入式电源设备，可以根据起搏电压需求调节电源设备的输出电压，并且在基础电压基础上提高至所述输出电压的电荷利用效率较高，一方面在电池的容量有限的情况下，可以延长心脏起搏装置的寿命，另一方面有助于缩小电池体积，可应用于各种心脏起搏装置的结构中，该心脏起搏装置可以是无导线植入式心脏起搏器， 有助于提高无导线植入式心脏起搏器的寿命。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明权利范围的任何限定，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (16)

  1. 一种植入式医疗器械的电源设备，其特征在于，包括：
    电源模块，用于提供一基础电压；以及，
    电压调整模块，包括至少一个电容阵列，所述电容阵列与所述电源模块可连接，其中，所述电容阵列中设置有至少两个开关电容单元，所述开关电容单元之间相互串联或并联，所述电压调整模块利用所述开关电容单元的组合和连接方式调整所述电源模块的输出电压至需求电压。
  2. 如权利要求1所述的电源设备，其特征在于，还包括：
    控制模块，用于控制所述电源模块和所述电容阵列之间的连接方式以及所述开关电容单元之间的连接方式。
  3. 如权利要求1所述的电源设备，其特征在于，所述电压调整模块包括两个以上的所述电容阵列，且当各个所述电容阵列中的所述开关电容单元为并联连接时，各个所述电容阵列的总电容量相同；各个所述电容阵列之间设置有相应的开关元件。
  4. 如权利要求3所述的电源设备，其特征在于，同一所述电容阵列中的各个所述开关电容单元的电容量均相同，且各个所述电容阵列中的所述开关电容单元的数量不完全相同。
  5. 如权利要求4所述的电源设备，其特征在于，各个所述电容阵列中的所述开关电容单元的数量按照从小到大的顺序排列构成的数列为等比数列。
  6. 如权利要求5所述的电源设备，其特征在于，各个所述电容阵列中的所述开关电容单元的数量按照从小到大的顺序排列构成的数列为以2的幂次方递增的等比数列。
  7. 如权利要求1至6任一项所述的电源设备，其特征在于，每个所述开关电容单元均包括相应的支路电容；任一所述支路电容的上极板与所述电源模块的输出端之间、与同一电容阵列中其它所述支路电容的所述上极板之间和下极板之间均设置有相应的开关元件；任一所述支路电容的所述下极板与所述电源模块的输出端之间、与地之间、与同一电容阵列中其它所述支路电容的所述上极板以及所述下极板之间均设置有相应的开关元件。
  8. 如权利要求1至6任一项所述的电源设备，其特征在于，所述电压调整模块还包括至少一个增压电容，所述增压电容与所述电容阵列之间设置有相应的开关元件。
  9. 一种植入式医疗器械的输出电压控制方法，利用如权利要求1至8任一项所述的电源设备来实现，其特征在于，所述输出电压控制方法包括：
    根据所述植入式医疗器械要获得的输出电压和基础电压，选择所述电压调整模块中的至少一个电容阵列；
    将所选择的电容阵列中各个开关电容单元串联，并利用所述电源模块对所述电容阵列充电，在达到稳定后，断开所述电源模块与所选择的电容阵列之间的连接；
    根据所述植入式医疗器械要获得的输出电压，选择分别来自不同电容阵列中的充电后的所述开关电容单元，并将各电容阵列中的所述开关电容单元串联，构成总串联电容；
    将所选择的电容阵列中第一电容阵列中任一开关电容单元的上极板切换至电压输出端，保持所述总串联电容中的各个所述开关电容单元上的电压不变；
    根据所述植入式医疗器械要获得的输出电压，调节所选择的电容阵列中第二电容阵列中任一开关电容单元的下极板上的电位，使所述电压输出端的电压为需求电压。
  10. 如权利要求9所述的输出电压控制方法，其特征在于，选择所述电压调整模块中的至少一个电容阵列的步骤包括：将所述基础电压除以每个电容阵列中开关电容单元的数量，所得到的值作为对应电容阵列的权重电压预测值，然后根据该权重电压预测值、要获得的输出电压，选择所述电压调整模块中的至少一个电容阵列。
  11. 如权利要求9所述的输出电压控制方法，其特征在于，同一个所述电容阵列中各个所述开关电容单元的电容量均相同，使得总串联电容中的各个开关电容单元在串联之后保持电压不变。
  12. 如权利要求9所述的输出电压控制方法，其特征在于，每个所述开关电容单元均包括相应的支路电容；所述支路电容的上极板还可通过开关元 件连接一保持电容，将所选择的电容阵列中第一电容阵列中任一开关电容单元的上极板切换至电压输出端的步骤包括：
    将所述开关电容单元的上极板与所述保持电容之间的开关元件闭合。
  13. 如权利要求9所述的输出电压控制方法，其特征在于，所述根据电压需求，调节所选择的电容阵列中第二电容阵列中任一开关电容单元的下极板上的电位，使所述电压输出端的电压为需求电压的步骤包括：
    比较所述需求电压和所述总串联电容的电压值，并且，
    当所述需求电压等于所述总串联电容的电压值时，调节所述下极板上的电位为零，使所述电压输出端的电压为所述需求电压；
    当所述输出电压和所述总串联电容上的电压值相比，增加了一个基础电压时，将所述下极板连接所述电源模块的正极端，进而使所述电压输出端的电压为所述需求电压。
  14. 如权利要求9所述的输出电压控制方法，其特征在于，所述输出电路中还包括至少一个增压电容，所述增压电容能串连连接到所述总串联电容；
    所述根据电压需求，调节所选择的电容阵列中第二电容阵列中任一开关电容单元的下极板上的电位，使所述电压输出端的电压为需求电压的步骤包括：
    当所述输出电压和所述总串联电容上的电压值相比，增加了N倍的基础电压时，将N个增压电容与所述总串联电容串联连接；
    其中，所述增压电容的电压为所述基础电压，N为大于等于1的整数。
  15. 一种可读存储介质，其特征在于，所述可读存储介质上存储有可执行指令，当所述可执行指令被处理器执行时，执行如权利要求9至14中任一项所述的输出电压控制方法。
  16. 一种心脏起搏装置，其特征在于，包括如权利要求1至8任一项所述的电源设备以及与所述电源设备连接的起搏电路，所述电源设备用于向所述起搏电路提供满足起搏要求的起搏电压。
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