用于可植入装置中非接触功率传输的系统和方法
【专利摘要】提供了用于可植入装置中的非接触功率传输的系统和方法，所述非接触功率传输用于对布置在可植入装置内的可再充电电池充电。系统包括可电耦合到功率源的第一线圈，其中第一线圈配置成产生磁场。系统还包括第二线圈，其电耦合到布置在可植入装置内的所述可再充电电池并且配置成经由磁场从第一线圈接收功率并且将功率传输给可再充电电池。系统还包括场聚焦元件，其布置在第一线圈和第二线圈之间并且配置为具有驻波电流分布的自谐振线圈，以便将磁场聚焦到第二线圈上并且增强第一线圈和第二线圈之间的耦合。
【专利说明】用于可植入装置中非接触功率传输的系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明的实施例通常涉及非接触功率传输系统，并且更特别地涉及用于可植入装置中非接触功率传输的系统。
【背景技术】
[0002]装置可以被植入人体用于改进人体的运转以及增加生命期望。可以被植入人体的装置被称为可植入装置。可植入装置依靠可包括不可再充电或可再充电电池的电池来操作。
[0003]不可再充电电池通常在固定的时间段之后被替换。电池替换手术对于患者来说是昂贵、复杂和不方便的。
[0004]然而，对于延长电池替换手术之间的时间来说，可再充电电池的使用是有用的。常规地，可再充电电池通过电感耦合系统再充电。电感耦合系统包括在放置在人体外部的电容器和初级线圈以及在可植入装置内的放置在身体内部的电容器和次级线圈以便从初级线圈接收功率并且对可再充电电池再充电。人体的肉体的层有时导致减少电感耦合系统的效率的初级线圈和次级线圈之间的距离。此外，电感耦合系统要求外部充电装置关于可植入装置中的次级线圈的精确对准，使得系统难以使用。
[0005]因此，具有对改进的系统和方法的需要，以解决上述问题。
【发明内容】
[0006]在一个实施例中，提供了用于可植入装置中的非接触功率传输的系统，所述非接触功率传输用于对布置在可植入装置内的可再充电电池充电。系统包括可电耦合到功率源的第一线圈，其中第一线圈配置成产生磁场。系统还包括第二线圈，所述第二线圈电耦合到布置在可植入装置内的可再充电电池并且配置成经由磁场从第一线圈接收功率并且将功率传输给可再充电电池。系统还包括场聚焦元件，所述场聚焦元件布置在第一线圈和第二线圈之间并且被配置为具有驻波电流分布的自谐振线圈，以将磁场聚焦到第二线圈上并且增强第一线圈和第二线圈之间的耦合。
[0007]在另一个实施例中，提供了用于布置在可植入装置中的可再充电电池的非接触充电的方法。方法包括经由耦合到功率源的第一线圈生成磁场。方法还包括经由场聚焦元件将磁场聚焦到第二线圈。方法还包括经由磁场将功率从第一线圈传输给第二线圈。方法还包括将功率从第二线圈传送给布置在可植入装置内的可再充电电池。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]当参考附图阅读以下详细的描述，本发明的这些和其他特征、方面和优点将变得更好理解，其中在整个附图中相似的字符表示相似的部分，其中:
[0009]图1是根据本发明的实施例的、用于包括双通道场聚焦元件的可植入装置中非接触功率传输的系统的框图表不 。[0010]图2是根据本发明的实施例的、用于包括电耦合到第一线圈的双通道场聚焦元件的可植入装置中非接触功率传输的系统的备选配置的框图表示。
[0011]图3是根据本发明的实施例的、用于包括配置成将来自控制器的操作数据和数据信号传输给电子装置进行医学分析的双通道场聚焦元件的可植入装置中非接触功率传输的系统的另一个备选配置的框图表示。
[0012]图4是根据本发明的实施例的、用于包括单通道场聚焦元件的可植入装置中非接触功率传输的系统的框图表不。
[0013]图5是根据本发明的实施例的、用于包括单通道场聚焦元件的可植入装置中非接触功率传输的系统的备选配置的框图表示。
[0014]图6是根据本发明的实施例的、表示涉及布置在可植入装置中的可再充电电池的非接触充电的方法的步骤的流程图。
【具体实施方式】
[0015]本发明的实施例包括用于可植入装置中的非接触功率传输的系统，所述非接触功率传输用于对布置在可植入装置内的可再充电电池充电。系统包括可电耦合到功率源的第一线圈。第一线圈产生耦合到第二线圈的磁场，第二线圈电耦合到布置在可植入装置内的可再充电电池。第二线圈经由磁场从第一线圈接收功率并且还将功率传输给可再充电电池。非接触功率传输系统还包括布置在第一线圈和第二线圈之间的场聚焦元件。场聚焦元件充当(act as)具有驻波电流分布的自谐振线圈以将磁场聚焦到第二线圈上并且增强第一线圈和第二线圈之间的耦合。如本文使用，冠词“一”不指代数量的限制，而是指代引用的项目中的至少一个的存在。
[0016]图1是根据本发明的实施例的、用于包括双通道场聚焦元件14的可植入装置12中非接触功率传输的系统10的框图表示。在示范性实施例中，可植入装置12可包括心脏起搏器、神经模拟器、肌肉模拟器或耳蜗植入。系统10还包括充电装置16。
[0017]充电装置16包括功率源18，其电耦合到将从功率源18接收的AC功率22转换成DC功率24的第一整流器20。由第一整流器20提供的DC功率24被供应给高频逆变器26。高频逆变器26将DC功率24转换成高频AC功率28。在一个实施例中，AC功率28的频率包括生成人体组织的最小加热的频率。在更特定的实施例中，高频AC功率具有至少IMHz的频率。高频AC功率28还被传送给在充电装置16中提供的第一线圈30。第一线圈30接收高频AC功率28并且基于高频AC功率28生成磁场32。充电装置16可包括固定的充电装置或便携式充电装置。
[0018]经由布置在第一线圈30和第二线圈34之间的场聚焦元件14，磁场32被聚焦到在可植入装置12中提供的第二线圈34上。在图1的实施例中，场聚焦元件14位于可植入装置16内。如在通过引用全部并入本文的、共同受让的2010年10月28日提交的美国专利申请S/N12/914512和2010年3月25日提交的美国专利申请S/N12/731497中描述的，场聚焦元件14充当具有驻波电流分布的自谐振线圈以将磁场32聚焦到第二线圈34上并且增强第一线圈30和第二线圈34之间的耦合。在一个实施例中，场聚焦元件14包括至少一个谐振器。所述至少一个谐振器可配置成聚焦电场、磁场或电磁场中的至少一个。在更特定的实施例中，所述至少一个谐振器包括开口环结构、圆环结构、Koch分形、欧米加结构或螺旋结构。在示范性实施例中，所述至少一个谐振器布置在绝缘介质、磁介质或磁绝缘介质中的至少一个内。此外，在特别的实施例中，所述至少一个谐振器包括多个谐振器，其中多个谐振器中的至少两个具有不同的谐振频率。在一个实施例中，不同的谐振频率使能功率和数据信号的同时传输。
[0019]布置在可植入装置16内的第二线圈34，经由第一线圈30生成的磁场32接收来自第一线圈30的高频AC功率28。在特别的实施例中，在非接触功率传输期间，第一线圈30和第二线圈34被布置在大约15毫米到大约5厘米的范围内的距离处。第二线圈34将高频AC功率28传输给电耦合到可植入装置16内的第二线圈34的可再充电电池36。第二整流器38可布置在第二线圈34和可再充电电池36之间以便接收来自第二线圈34的高频AC功率28并且在将AC功率28转换成DC功率40之后，将DC功率40传输给可再充电电池36。在一个实施例中，传输给可再充电电池36的DC功率40在大约I毫瓦到大约900毫瓦的范围内。
[0020]在图1的实施例中，可再充电电池36耦合到管理可再充电电池36的充电的电池管理系统(BMS) 42。在一个实施例中，BMS42追踪表示可再充电电池36中的功率水平的信号48并且计算用于对可再充电电池36充电所需要的功率和时间。在另一个实施例中，BMS42调节进入可再充电电池36的DC功率40的电压。在一些实施例中，BMS42与布置在充电装置16内的高频逆变器26通信以便提供与可再充电电池36的电压和充电水平有关的数据44。
[0021]BMS42通信耦合到高频调制器46，高频调制器46接收由BMS42生成的数据信号44并且调制数据信号44以提供已调制的数据信号50。高频调制器46耦合到第二线圈34。第二线圈34将已调制的数据信号50转换成经由场聚焦元件14被聚焦到第一线圈30上的数据磁场52。在这个实施例中，场聚焦元件14包括双通道场聚焦元件，双通道场聚焦元件包括用于传输AC功率28的一个单向通道和用于传输数据信号44的第二通道。功率滤波器53可布置在第二线圈34和高频调制器46之间以便从高频调制器46分离从第一线圈30接收的高频AC功率28。
[0022]第一线圈30接收数据磁场52并且将表示已调制的数据信号50的信号150传输给解调器54。在充电装置16处的功率滤波器56可用于限制第一线圈30内的高频AC功率28进入解调器54。解调器54从已调制的数据信号150中提取表示数据信号44的信号144并且将数据信号144传输给逆变器控制器58。逆变器控制器58通过基于数据信号144提供控制信号60来控制高频逆变器26在充电装置16中操作的功率的频率和电压。逆变器控制器58从数据信号144识别电压和充电状态并且因此调节逆变器操作以便提供期望的充电给可再充电电池36。
[0023]图2是根据本发明的实施例的、用于包括电耦合到第一线圈30的双通道场聚焦元件14的可植入装置12中非接触功率传输的系统10的备选配置的框图表示。在图2的实施例中，场聚焦元件14位于充电装置16内而不是可植入装置内。
[0024]图3是根据本发明的实施例的、用于包括配置成将来自电池管理系统42的数据信号44以及来自控制器45的操作数据43传输给电子装置47进行医学分析的双通道场聚焦元件14的可植入装置12中非接触功率传输的系统10的另一个备选配置的框图表示。在这个实施例中，可植入装置12包括控制器45，并且控制器45监视并且控制可植入装置12的操作并且存储操作数据43。操作数据43可用于进一步的分析，诸如，例如可植入装置12的预兆的健康监视。在一个实施例中，控制器45将操作数据43传输给多路复用操作数据43连同由BMS42传输给多路复用器49的数据信号44的多路复用器49。多路复用器49生成被传输给高频调制器46用于调制并且还被传送给第一线圈30的多路复用信号51。
[0025]第一线圈30接收表示可植入装置中的多路复用信号51的多路复用信号151并且在由如上所述的解调器54解调之后将多路复用信号151传输给解多路复用器55。解多路复用器55分别将操作数据143和数据信号144从表示可植入装置12中的操作数据43和数据信号44的多路复用信号151中分离。数据信号144被传输给如上所述的逆变器控制器58并且操作数据可被传输给在充电装置16外部提供的电子装置47用于进一步分析。
[0026]图4是根据本发明的实施例的、用于包括单通道场聚焦元件62的可植入装置12中非接触功率传输的系统10的框图表示。单通道场聚焦元件62将高频AC功率28从第一线圈30聚焦到第二线圈34，但是，和图1和2的实施例对比，单通道场聚焦元件62不将已调制的数据信号50从第二线圈34传输给第一线圈30。虽然单通道场聚焦元件62示出为正位于可植入装置中，但是单通道场聚焦元件62可备选地位于充电装置中。在图4的实施例中，从高频调制器46接收的已调制的数据信号50可被传输给布置在可植入装置12内的RF传送器天线64。RF传送器天线64将已调制的数据信号50传送给布置在充电装置16内的RF接收器天线66。RF接收器天线66接收表示来自可植入装置12的已调制的数据信号50的已调制的数据信号150并且将已调制的数据信号150传输给解调器54用于如上所述的进一步处理。
[0027]图5是可植入装置12中非接触功率传输的系统10的备选配置的框图表示，其中不要求数据传送回充电装置16。系统10包括用来将高频AC功率28从第一线圈30聚焦到第二线圈34的单通道场聚焦元件62。虽然单通道场聚焦元件62示出为正位于充电装置中，但是单通道场聚焦元件62可备选地位于可植入装置中。来自第二线圈34的高频AC功率28由第二整流器38转换成被传输给提供DC功率40的DC-DC转换器68的DC功率。DC功率40被馈送给可再充电电池36用于充电。可再充电电池36被耦合到调节可再充电电池36的充电的BMS42。在图5的实施例中，BMS42经由反馈回路耦合到DC-DC转换器68以调节进入可植入装置12中的可再充电电池36的DC功率40的电压。DC-DC转换器68经由反馈回路接收来自BMS42的数据信号44并且因此调整以便提供最佳充电给可再充电电池36。
[0028]图6是根据本发明的实施例的、表示涉及布置在可植入装置中的可再充电电池的非接触充电的方法80的步骤的流程图。方法80包括在步骤82中经由耦合到功率源的第一线圈生成磁场。通过在步骤84中采用场聚焦元件，由第一线圈生成的磁场被聚焦到第二线圈。在一个实施例中，在聚焦磁场之前，第一线圈和第二线圈布置在大约15毫米到大约5厘米的范围内的距离处。在步骤86中，第一线圈经由磁场将功率传输给第二线圈。在示范性实施例中，在大约I微瓦到大约900毫瓦的范围内，功率从第一线圈传输给第二线圈。在步骤88中，来自第二线圈的功率被传送给布置在可植入装置内的可再充电电池。在一个实施例中，关于可植入装置、可再充电电池的充电的状态或两者的数据信号通过场聚焦元件、第一线圈和第二线圈来获得并传输给位于可植入装置的外部的处理器。在更特定的实施例中，通过使来自可再充电电池和可植入装置的功率和数据信号分别地在不同谐振频率传输来促进(facilitate)过程。在又一些实施例中，数据传输或者不被要求或者由RF传送完成。
[0029]上述的可植入装置中非接触功率传输的系统的各种实施例包括经由非接触介质使能从第一线圈到第二线圈的功率的传输的功率源、第一线圈、场聚焦元件和第二线圈。例如，非接触功率传输系统使能在提供在人体外部的充电装置和布置在人体内部的可植入装置之间的有效率的非接触功率传输。在肉体的多层被提供在第一线圈和第二线圈之间的情况下，非接触功率传输系统还维持该效率。这提供了用于对布置在可植入装置内的可再充电电池充电的非破坏性方法并且减少了成本和在操作期间对人生命的风险。
[0030]要理解的是技术人员将认识到来自不同实施例的各种特征的可交换性并且所述的各种特征，以及每个特征的其他已知的等同，可由本领域普通技术人员混合并且匹配以构造根据这个公开的原理的附加的系统和技术。因此，要理解的是附加的权利要求意在覆盖落入本发明的真正精神之内所有这些修`改和变化。
【权利要求】
1.一种用于可植入装置中的非接触功率传输的系统，所述非接触功率传输用于对布置在所述可植入装置内的可再充电电池充电，所述系统包括: 第一线圈，其可电耦合到功率源，其中所述第一线圈配置成产生磁场； 第二线圈，其电耦合到布置在所述可植入装置内的所述可再充电电池并且配置成经由所述磁场从所述第一线圈接收功率并且将所述功率传输给所述可再充电电池；以及 场聚焦元件，其布置在所述第一线圈和所述第二线圈之间并且配置为具有驻波电流分布的自谐振线圈，以便将所述磁场聚焦到所述第二线圈上并且增强所述第一线圈和所述第二线圈之间的耦合。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述场聚焦元件布置在所述可植入装置内，或者其中所述场聚焦元件布置在充电装置内。
3.如权利要求1所述的系统，其中所述可植入装置包括心脏起搏器、神经模拟器、肌肉模拟器或耳蜗植入。
4.如权利要求1所述的系统，其中传输给所述可再充电电池的所述功率在大约I微瓦到大约900毫瓦的范围内。
5.如权利要求1所述的系统，其中在所述非接触功率传输期间，所述第一线圈和所述第二线圈布置在大约15毫米到大约5厘米的范围内的距离处。
6.如权利要求1所述的系统，还包括在所述功率源和所述第一线圈之间耦合的高频逆变器。
7.如权利要求1所述的系统，其中所述场聚焦元件包括至少一个谐振器。
8.如权利要求7所述的系统 ，其中所述至少一个谐振器包括开口环结构、圆环结构、Koch分形、欧米加结构或螺旋结构。
9.如权利要求7所述的系统，其中所述至少一个谐振器布置在绝缘介质、磁介质或磁绝缘介质中的至少一个内。
10.如权利要求7所述的系统，其中所述至少一个谐振器包括多个谐振器，其中所述多个谐振器中的至少两个具有不同谐振频率。
11.如权利要求10所述的系统，其中所述不同谐振频率配置成使能功率和数据信号的传输。
12.如权利要求7所述的系统，其中所述至少一个谐振器配置成聚焦电场、磁场或电磁场中的至少一个。
13.一种用于布置在可植入装置中的可再充电电池的非接触充电的方法，所述方法包括: 经由耦合到功率源的第一线圈生成磁场； 经由场聚焦元件将所述磁场聚焦到第二线圈； 经由所述磁场将功率从所述第一线圈传输给所述第二线圈； 将所述功率从所述第二线圈传送给布置在所述可植入装置内的所述可再充电电池。
14.如权利要求13所述的方法，其中将所述功率从所述第一线圈传输给所述第二线圈包括传输大约I微瓦到大约900毫瓦的范围内的功率。
15.如权利要求13所述的方法，还包括，在聚焦所述磁场之前，将所述第一线圈和所述第二线圈布置在大约15毫米到大约5厘米的范围内的距离处。
16.如权利要求13所述的方法，还包括获得关于所述可植入装置、所述可再充电电池的充电的状态或两者的数据信号，并且将所述数据信号传输给位于所述可植入装置外部的处理器。
17.如权利要求16所述的方法，其中所述数据信号的所述传输还包括在不同谐振频率处传输来自所述可植入装置的所述数据信号以及将所述功率传输给所述可再充电电池。
18.如权利要求16所述的方法，还包括使用所述数据信号来控制由所述第一线圈生成的所述磁场。
19.如权利要求13所述的方法，还包括获得关于所述可植入装置、所述可再充电电池的充电的状态或两者的数据信号，并且使用所述数据信号来控制从所述第二线圈传送给所述可再充电电池的所述功率。`
【文档编号】H02J7/02GK103517735SQ201280014305
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2012年3月16日 优先权日:2011年3月21日
【发明者】A·K·博霍里, S·M·N·巴特, S·拉马钱德拉潘尼克 申请人:通用电气公司