植入式医疗仪器用具有调频调幅功能的经皮无线充电装置制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种植入式医疗仪器用具有调频调幅功能的经皮无线充电装置，体外采用内置同轴磁芯的扁平状线圈，体内采用空心线圈，实现从体外向体内植入式医疗仪器充电，通过闭环控制调节发射频率和幅值实现系统的最佳工作点控制，防止因充电效率低导致体内植入式医疗仪器温度过高对人体的影响，同时体外充电器通过电路设计可保证不存在发热超过人体安全限值。
【专利说明】植入式医疗仪器用具有调频调幅功能的经皮无线充电装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于植入式医疗仪器的具有调频调幅功能的经皮无线充电装置，属于植入式医疗仪器【技术领域】。
【背景技术】
[0002]植入式医疗仪器种类多样、应用范围广泛，目前市场上已有的植入式医疗产品多采用高能量密度的锂原电池进行供电，寿命大多较短。近年来，随着无线技术和锂充电电池技术的发展，开发寿命更长的可充电的植入式医疗仪器产品已经成为未来发展的主流趋势。
[0003]植入式医疗仪器植入患者体内，与体外充电装置间有皮肤等组织隔离，需要采用经皮无线充电方式。该充电方式一般基于电磁耦合原理，利用电磁场穿透人体皮肤向植入式医疗仪器传递能量。植入式医疗仪器一般使用生物相容性的金属钛密封，形成了较强的电磁屏蔽，然而由于电磁耦合过程中钛外壳存在涡流效应等影响，极易引发充电过程中体内植入式医疗仪器发热的问题。充电过程中很难对植入体内的钛外壳内部的线圈和电路准确定位，存在由于体内外装置对位过偏或充电起始阶段对位时间过长引起体内植入式医疗仪器发热增加的问题。针对对位问题，US20110022125采用旋转偏心磁芯来调整体内外装置的对位关系，US20130023958采用多个传感线圈检测体内外装置的相对位置并在屏幕上进行对位显示，W09918879采用霍尔传感器测量磁场强度的方法进行对位提示；针对发热问题，US2013105115利用相变材料吸收热量从而抑制仪器温升增加，US5991665利用冷却风扇进行温度控制，US20110022125通过调整发射功率和占空比进行温度反馈的闭环控制。然而，以上的方案中，对位调节速度受体内、外装置无线通信周期限制，存在调节响应速度慢的问题，同时，额外的传感器模块或散热模块会带来系统硬件结构复杂的问题。另外，体内植入式医疗仪器在不同对位位置、不同充电阶段，会导致经皮无线充电装置的最佳工作点不同，充电效率也不同，进而导致体内装置发热也不同。
[0004]为解决上述问题，可通过直接监测体外充电状态(如发射电流)来实现体内外装置的快速对位，从而避免因系统通信周期长造成体内外装置对位响应慢的问题。在经皮无线充电技术中，发射能量的频率和幅值是充电系统的最关键参数，充电系统的最佳工作频率点一般位于系统谐振频率附近，结合最佳工作幅值点调节可实现充电效率的最优化控制，因此，需要基于经皮无线通信闭环反馈来控制经皮无线充电系统工作在效率最优点，即最佳工作点，从而最大程度降低因充电效率低而带来体内植入式医疗仪器的发热。
【发明内容】
[0005]针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种能够满足植入式医疗仪器要求的具有调频调幅功能的经皮无线充电装置，通过闭环控制实现不同充电阶段、不同对位位置充电系统工作在最佳工作点，进而实现体外向体内充电效率最高，避免体内发热超过规定限值。[0006]为了实现上述发明目的，本发明采用如下的技术方案:
[0007]—种经皮无线充电系统，包括体外发射装置和体内接收装置，其中
[0008]所述体外发射装置包括充电部、体外天线部、第一状态监测装置和第一控制装置；
[0009]所述充电部包括充电驱动装置、通信驱动装置和通信信号处理装置；
[0010]所述体外天线部包括外壳、体外通信线圈单元、体外充电线圈单元和电气连接装置；所述充电驱动装置产生的驱动电信号通过所述电气连接装置传送到所述体外充电线圈单元，所述通信驱动装置和通信信号处理装置通过所述电气连接装置与所述体外通信线圈单元相连；
[0011]所述第一状态监测装置能够检测所述体外通信线圈单元及所述体外充电线圈单元的工作状态，并将测量得到的数据发送到所述第一控制装置；
[0012]所述体内接收装置包括电能储存部、体内天线部、第二状态监测装置和第二控制
装置；
[0013]所述体内天线部包括体内通信线圈单元和能量接收线圈单元；所述能量接收线圈单元以谐振耦合方式接收所述体外充电线圈单元发射的能量；
[0014]所述第二状态监测装置能够检测所述电能储存部的工作状态，并将测量得到的数据发送到所述第二控制装置；
[0015]所述第二控制装置将所述电能储存部的工作状态的数据通过体内通信线圈单元、体外通信单元发送至所述第一控制装置；所述第一控制装置能够确定最佳工作点的所述驱动电信号的频率和幅值，使得所述充电系统在所述最佳工作点具有最大的充电效率。
[0016]根据以上技术方案所述的经皮无线充电系统，其中，所述体外通信线圈单元包括一扁平状线圈，以及与其同轴安置的扁平磁芯。
[0017]根据以上技术方案所述的经皮无线充电系统，其中，所述电能储存部包括锂离子电池。
[0018]根据以上技术方案所述的经皮无线充电系统，其中，所述第一状态监测装置包括:
[0019]温度传感器，用于测量充电过程中散热板的温度；
[0020]发射电流传感器，用于测量所述充电驱动装置的电流。
[0021]根据以上技术方案所述的经皮无线充电系统，其中，所述发射电流传感器是电流
互感器。
[0022]根据以上技术方案所述的经皮无线充电系统，其中，所述温度传感器包括一负温度系数的热敏电阻，焊接在电路接线板的圆形区域，并固定在所述体外充电线圈单元的下方散热板的中间圆槽位置，测量充电过程中散热板的温度；
[0023]根据以上技术方案所述的经皮无线充电系统，其中，所述第二状态监测装置所检测的所述电能储存部的工作状态包括以下组中的一个或多个:充电电流、电池电压、整流滤波电压和所述体内接收装置的外壳温度。
[0024]根据以上技术方案所述的经皮无线充电系统，其中，所述第一控制装置在确定所述最佳工作点的所述驱动电信号的频率和幅值时最初使所述充电驱动装置工作在预设的起始固定发射频率fo和发射幅值Atl ；[0025]随后进行最佳发射频率点的调节，通过增加发射频率或降低发射频率计算当前发射参数下的充电效率，当当前充电效率最大时，结束发射频率的调节；
[0026]再随后进行发射幅值的调节，通过增加发射幅值或降低发射幅值并计算当前发射参数下的充电效率，当当前充电效率最大时，结束发射幅值的调节；系统即进入最佳工作点对体内植入式医疗仪器进行充电。
[0027]与现有技术相比，本发明具有如下有益效果:
[0028](I)体外发射电流监测，而非经皮无线通信反馈来判断耦合位置，能够快速实现体内、外装置的最佳耦合对位，减小充电对位过程时间过长而导致体内植入式医疗仪器的发热增加；
[0029](2)能够通过体内、外充电状态的信息反馈，实现基于充电效率优化策略的最佳工作点控制，提高充电效率，提高可靠性和安全性；
[0030](3)在不同对位位置或不同充电阶段的情况下，能够自动调整发射频率和幅值，以保证系统工作在最佳工作点，有效控制体内植入式医疗仪器发热在安全限值以内；
【专利附图】
【附图说明】
[0031]图1是本发明的整体示意图
[0032]图2是天线部分的结构组件示意图
[0033]图3是天线部分的组件安装示意图
[0034]图4是体内、外装置对位示意图
[0035]图5是体外充电器功能模块示意图
[0036]图6是闭环反馈控制示意图
[0037]图7是体外充电器工作流程示意图
【具体实施方式】
[0038]下面结合附图对本发明的植入式医疗仪器用具有调频调幅功能的经皮无线充电装置的实施方式做出详细说明。
[0039]如图1所示，本发明的植入式医疗仪器用具有调频调幅功能的经皮无线充电装置，由体外充电器和体内植入式医疗仪器50组成；其中体外充电器由充电部分10和天线部分14组成。天线部分14包括体外充电线圈11、体外通信线圈12、体外充电线圈11和体外通信线圈12共用扁平磁芯13等，植入式医疗仪器钛壳50内部包括能量接收线圈51、体内通信线圈52、充电控制电路53、充电电池54等。
[0040]内置扁平磁芯13的体外充电线圈11和能量接收线圈51通过电磁耦合实现经皮肤30和钛壳50的电磁能量传递。植入体内的能量接收线圈51为空心扁平线圈，体外充电线圈11和扁平磁芯13的限制较少，通过调整体外充电线圈的发射频率和发射幅值等，使系统工作在最佳工作点，提高经皮无线充电系统的充电效率，从而降低体内植入式医疗仪器的发热。体外通信线圈12和体内通信线圈52通过电磁耦合方式进行体、内外信息的双向传递。
[0041]如图2所示，用于植入式医疗仪器的具有调频调幅功能的经皮无线充电装置的天线部分14由外壳16、体外充电线圈11、体外通信线圈12、扁平磁芯13、电路接线板15、负温度系数的热敏电阻17、散热板18等组成；其中外壳16贴近人体皮肤的一侧内嵌有散热板18，以利于体内植入式医疗仪器50的导热。电路接线板15为柔性线路板，与充电部分10连接的一端局部做FR-4补强，另一端圆形区域焊接有负温度系数的热敏电阻17，并固定在散热板的中心圆槽内。其中，磁芯13的使用可以调节体外充电线圈11和体外通信线圈12的电感量、匝数等和经皮无线充电效率密切相关的参数，以提高耦合效率。本申请所述装置的扁平磁芯13和体外充电线圈11不存在发热超出人体能承受的正常范围的问题，无需采用特殊材料散热，安全简单。外壳16 —侧内嵌散热板18以及负温度系数的热敏电阻17，可利于体内植入式医疗仪器的散热以及人体皮肤组织温度的监测。当负温度系数的热敏电阻17监测到人体皮肤组织温度超过安全范围以外，体外充电器即切断充电操作，可及时停止体内植入式医疗仪器的发热，以保证人体皮肤组织的热安全性。
[0042]如图3所示，用于植入式医疗仪器的具有调频调幅功能的经皮无线充电装置的天线部分14的各组件安装位置为，电路接线板15的焊接有负温度系数热敏电阻17的圆形区域端固定在散热板18的中心圆槽内，在电路接线板15的圆形区域上面安置与外壳同轴心的扁平磁芯13，体外充电线圈11和体外通信线圈12共用内置扁平磁芯13安置在扁平磁芯13外周，体外充电线圈11安置在扁平磁芯13和体外通信线圈12之间，电路接线板15局部补强端安置在与充电部分10的连接线出口位置附近，实现体外充电线圈11、体外通信线圈12和负温度系数热敏电阻17的电子线路与充电部分10的电气连接。天线部分14各组件均安置在外壳16的同一侧，其中，体外充电线圈11、体外通信线圈12、负温度系数的热敏电阻17、扁平磁芯13等均通过强力双面胶粘接固定在外壳16下侧内壁上，外壳16上侧内壁开有结构筋架，筋架上粘接有厚度约2_泡棉，进一步加强固定体外充电线圈11、体外通信线圈12、扁平磁芯13等在外壳16内的位置，电路接线板15通过螺钉固定在外壳16下侧内壁筋架上，体外充电线圈11、体外通信线圈12、负温度系数的热敏电阻17等的连接引线通过电路接线板15转接与充电部分10进行电气连接。
[0043]如图4所示，AO为体外充电器天线部分10的轴心线，Al为植入式医疗仪器能量接收线圈51的轴心线。天线部分10和植入式医疗仪器外壳50对中时，AO和Al并不在重合位置，AO和Al在不同的对位位置时，传输效率不同，体内装置的发热也不同。不同对位位置时，体外充电线圈11和能量接收线圈51的耦合系数不同，耦合系数的大小反映到体外充电器工作状态上为发射电流的大小，耦合系数越大，映射到能量发射端的负载越大，从而发射电流越小。在充电启动开始阶段，可进行监测体外发射电流来调节体外充电线圈11和能量接收线圈51处在最佳对中位置，即AO和Al接近重合时的对位位置。
[0044]图5所示为体外充电器功能模块示意图。体外充电器包含充电部分10和天线部分14，其中，天线部分14由体外充电线圈11、体外通信线圈12和负温度系数热敏电阻17等组成，充电部分10由微控制器20、充电谐振电容21、通信谐振电容22、通信处理电路23、发射电流互感器及其处理电路24、温度信号处理电路25、驱动放大电路26等组成。通信谐振电容22与体外通信线圈12组成通信谐振回路实现体内、外的双向信息传递，充电谐振电容21与体外充电线圈11组成充电谐振回路实现体外向体内装置充电的功能。通信处理电路23接收体外通信线圈12上的接收信号，经过二阶带通滤波27、信号放大电路28、波形整形电路29等解调处理后，信号传递给微控制器20进行体内装置发送信息的处理和系统工作状态的控制，发射电流互感器及其处理电路24接收处理充电谐振回路的发射电流检测信号，处理后的信号传递给微控制器20进行体内、外装置对位位置的判断。温度信号处理电路25接收处理负温度系数热敏电阻17传递的温度信号，通过在外部串联一个电阻进行电阻分压的方式得到随温度变化的可被微控制器接收处理的电压信号，处理后的电压信号传递给微控制器20进行人体皮肤表面温度的监测，当监测温度超过人体安全限值时，系统将暂停充电过程以保证人体组织的热安全性，当监测温度回到监测规定阈值内，系统将重新启动充电过程继续对体内植入式医疗仪器进行充电。驱动放大电路26输入端接收微控制器20的驱动控制信号，并进行功率放大，以有效驱动控制通信谐振回路和充电谐振回路，其中驱动放大电路26中的驱动芯片均采用带自适应死区控制的全桥拓扑驱动芯片。微控制器20接收来自体内、外工作状态的信息监测反馈，依据效率优化策略输出相应的驱动控制信号。
[0045]图6所示为闭环反馈控制示意图。体内植入式医疗仪器50经皮无线通信向体外充电器传递体内的工作状态，包括体内充电电流、整流滤波电压、电池电压、钛壳温度等信息，充电谐振电路31由充电谐振电容21和体外充电线圈11组成，充电谐振电路31上的发射电流经由发射电流互感器及其处理电路24向微控制器20反馈体外发射电流信息，微控制器20接收体外发射电流反馈和体内电压、电流、温度等反馈的信息，进行系统发射频率和幅值的计算，进而输出相应的驱动控制信号。
[0046]体外发射电流的监测反馈，用来指示当前体外充电器天线部分14和体内植入式医疗仪器的能量接收线圈51的对位位置的优劣状态，当体外发射电流最小时，体外充电器天线部分14和体内植入式医疗仪器的能量接收线圈51即进入最佳对位位置。充电对位结束后，体外充电器和体内植入式医疗仪器经皮无线通信获取体内充电信息，计算当前状态下的充电效率，基于效率优化原则进行发射频率的调整。在调整到最佳频率工作点后，充电效率已无法更进一步优化，此时进行发射幅值的调整，保证体内植入式医疗仪器正常充电前提下进行效率优化策略下的发射幅值控制，达到充电效率最优点，此时，经皮无线充电系统工作在最佳工作点。
[0047]图7所示为体外充电器工作流程示意图。体外充电器开机后，在充电部分10的液晶屏幕上将显示提示充电对位开始，通过移动天线部分14位置可实时观察充电器屏幕对位位置的优劣状况，当屏幕显示对位位置优良时，可选择进入开始充电操作；充电对位结束后，将进行最佳工作点的调节控制，最初充电器工作在系统预设的起始固定发射频率f_0和发射幅值A_0，第一步进行最佳发射频率点的调节，通过增加发射频率或降低发射频率计算当前发射参数下的充电效率，当当前充电效率最大时，结束发射频率的调节，进入第二步发射幅值的调节，通过增加发射幅值或降低发射幅值计算当前发射参数下的充电效率，当当前充电效率最大时，结束发射幅值的调节，系统进入最佳工作点对体内植入式医疗仪器进行充电。
[0048]在锂充电电池进入不同充电阶段(预充阶段、恒流阶段、恒压阶段)时，体内装置映射到体外的等效负载不同，此时，将重新启动系统最佳工作点的控制，保证系统工作在高充电效率环境，最大程度降低体内植入式医疗仪器的发热。同时，体内植入式医疗仪器内置有热敏电阻监测钛壳温度，当监测到钛壳温度超过设定安全阈值时，体内装置通过无线通信方式将报警信号传递给体外装置，体外装置将短暂自动切断充电过程，并定期进行体内植入式医疗仪器状态的监测，待进入安全状态后再继续进行充电过程的启动，以保证充电过程的安全可靠的进行。[0049]上述方式只是本发明优选的实施方式，对于本领域内的普通技术人员而言，在本发明公开的植入式医疗仪器用具有调频调幅功能的经皮无线充电装置的基础上，很容易想到将其应用于各种仪器系统，而不仅限于本发明【具体实施方式】所描述的系统结构，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。
【权利要求】
1.一种经皮无线充电系统，包括体外发射装置和体内接收装置，其中 所述体外发射装置包括充电部、体外天线部、第一状态监测装置和第一控制装置； 所述充电部包括充电驱动装置、通信驱动装置和通信信号处理装置； 所述体外天线部包括外壳、体外通信线圈单元、体外充电线圈单元和电气连接装置；所述充电驱动装置产生的驱动电信号通过所述电气连接装置传送到所述体外充电线圈单元，所述通信驱动装置和通信信号处理装置通过所述电气连接装置与所述体外通信线圈单元相连； 所述第一状态监测装置能够检测所述体外通信线圈单元及所述体外充电线圈单元的工作状态，并将测量得到的数据发送到所述第一控制装置； 所述体内接收装置包括电能储存部、体内天线部、第二状态监测装置和第二控制装置； 所述体内天线部包括体内通信线圈单元和能量接收线圈单元；所述能量接收线圈单元以谐振耦合方式接收所述体外充电线圈单元发射的能量； 所述第二状态监测装置能够检测所述电能储存部的工作状态，并将测量得到的数据发送到所述第二控制装置； 所述第二控制装置将所述电能储存部的工作状态的数据通过体内通信线圈单元、体外通信单元发送至所述第一控制装置；所述第一控制装置能够确定最佳工作点的所述驱动电信号的频率和幅值，使得所述充电系统在所述最佳工作点具有最大的充电效率。
2.根据权利要求1所述的经皮无线充电系统，其特征在于，所述体外通信线圈单元包括一扁平状线圈，以及与其同轴安置的扁平磁芯。`
3.根据权利要求1所述的经皮无线充电系统，其特征在于，所述电能储存部包括锂离子电池。
4.根据权利要求1所述的经皮无线充电系统，其特征在于，所述第一状态监测装置包括: 温度传感器，用于测量充电过程中散热板的温度； 发射电流传感器，用于测量所述充电驱动装置的电流。
5.根据权利要求4所述的经皮无线充电系统，其特征在于，所述发射电流传感器是电流互感器。
6.根据权利要求4所述的经皮无线充电系统，其特征在于，所述温度传感器包括一负温度系数的热敏电阻，焊接在电路接线板的圆形区域，并固定在所述体外充电线圈单元的下方散热板的中间圆槽位置，测量充电过程中散热板的温度。
7.根据权利要求1所述的经皮无线充电系统，其特征在于，所述第二状态监测装置所检测的所述电能储存部的工作状态包括以下组中的一个或多个:充电电流、电池电压、整流滤波电压和所述体内接收装置的外壳温度。
8.根据权利要求1所述的经皮无线充电系统，其特征在于，所述第一控制装置在确定所述最佳工作点的所述驱动电信号的频率和幅值时最初使所述充电驱动装置工作在预设的起始固定发射频率fo和发射幅值Atl ； 随后进行最佳发射频率点的调节，通过增加发射频率或降低发射频率计算当前发射参数下的充电效率，当当前充电效率最大时，结束发射频率的调节；再随后进行发射幅值的调节，通过增加发射幅值或降低发射幅值并计算当前发射参数下的充电效率，当当前充电效率最大时，结束发射幅值的调节；系统即进入最佳工作点对体内植入式医疗仪器进行充电。`
【文档编号】H02J7/02GK103501037SQ201310469961
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2013年9月30日 优先权日:2013年9月30日
【发明者】王伟明, 李青峰, 陈少波, 郝红伟, 马伯志, 胡春华, 李路明 申请人:北京品驰医疗设备有限公司, 清华大学