專利名稱：用于優(yōu)化經(jīng)皮能量傳遞功率傳遞特性的空間解耦的雙次級(jí)線圈的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及經(jīng)皮能量傳遞(TET)系統(tǒng)，特別涉及在外部控制模塊與深植的醫(yī)療植入體之間使用的TET系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
向患者體內(nèi)手術(shù)植入醫(yī)療裝置以獲得很多有利的結(jié)果是眾所周知的。為了在患者體內(nèi)正確地操作，在醫(yī)療植入體與外部控制模塊之間通常必須有可靠、相容的電連接，以監(jiān)測(cè)植入體的性能或患者的某些參數(shù)，以及/或者通過(guò)植入體控制某些操作。這種電連接已經(jīng)傳統(tǒng)地用TET系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，例如對(duì)于心臟起搏器，TET系統(tǒng)通過(guò)少量組織如患者肩部前側(cè)相對(duì)薄的真皮組織連通。
在有些情況下，為了使對(duì)齊的初級(jí)和次級(jí)線圈有額外的柔性，建議TET或遙測(cè)系統(tǒng)使用多個(gè)線圈。例如，授予Broza的美國(guó)專利6058330公開了一種經(jīng)皮系統(tǒng)，其中在次級(jí)電路中使用多個(gè)線圈，在初級(jí)電路中也可能使用多個(gè)線圈。然而，在這種情況下，在為醫(yī)療植入體連續(xù)地TET供電或者連續(xù)地參與遙測(cè)的連續(xù)應(yīng)用中，為了減輕由于長(zhǎng)期暴露于強(qiáng)電磁場(chǎng)中而引起的組織損傷，將這些次級(jí)線圈在患者身體周圍隔開。因此，’330Borza專利描述了組合從寬間隔的多個(gè)次級(jí)線圈接收的功率，所選擇的一個(gè)次級(jí)線圈接收強(qiáng)電磁信號(hào)，或者多個(gè)次級(jí)線圈同時(shí)接收較弱的電磁信號(hào)，從而使覆蓋任何一個(gè)次級(jí)線圈的真皮組織不會(huì)連續(xù)地暴露于強(qiáng)電磁信號(hào)中。
將電磁能連續(xù)地耦合到次級(jí)線圈引起的另外一個(gè)問(wèn)題是患者不方便在適當(dāng)位置外部固定初級(jí)線圈，這妨礙了移動(dòng)并引起不適。授予Kung的美國(guó)專利6366817公開了使用在患者周圍隔開的多個(gè)初級(jí)線圈，以及電路，其檢測(cè)哪個(gè)初級(jí)線圈的定位最能有效地將電磁能耦合到所植入的次級(jí)線圈，從而將電流切換到所選擇的初級(jí)線圈。
授予Goedeke的美國(guó)專利6463329公開了多個(gè)初級(jí)遙測(cè)線圈，由其外形確定的這些線圈的主表面彼此平行并隔開。這些線圈用來(lái)啟動(dòng)程序器或監(jiān)視器與所植入裝置之間的遙測(cè)通信。在所公開的頻率下，將這些線圈用作環(huán)形天線而不是電感耦合線圈。由于環(huán)形天線的天線方向圖包括非常接近該環(huán)時(shí)的“零”點(diǎn)，因此當(dāng)必須與次級(jí)線圈通信時(shí)，該方法用來(lái)在初級(jí)線圈之間切換，從而主要解決了置于真皮組織薄層下的醫(yī)療植入體與接觸患者的初級(jí)線圈的零位相一致的問(wèn)題。
授予Chen等人的美國(guó)專利5,741,316公開了一種發(fā)射線圈，該線圈有一半的繞組位于馬蹄形磁導(dǎo)體的一個(gè)腿(leg)上，與位于另一個(gè)腿上的另一半繞組串聯(lián)。從而結(jié)合了每個(gè)繞組部分的磁通量作用。然而，由于尺寸會(huì)增大，并不希望在植入裝置中相應(yīng)地需要馬蹄形磁芯。因此，對(duì)于構(gòu)成沒有馬蹄形磁導(dǎo)體的植入裝置所需的次級(jí)線圈，側(cè)向偏移(laterally offset)、電串聯(lián)的繞組是不利的。
盡管這些提高到醫(yī)療植入體的電磁耦合效率的方法是有益的，但是我們注意到有一種應(yīng)用沒有受益于隔開的多個(gè)初級(jí)線圈和/或隔開的次級(jí)線圈，仍然需要提高功率傳遞效率。可能受益于使用增強(qiáng)TET的一種可植入醫(yī)療裝置是一種人造括約肌，特別是包含彈性空囊的可調(diào)節(jié)束胃帶，其具有固定端點(diǎn)，恰在食管-胃連接處下方環(huán)繞患者的胃。通過(guò)向囊中引入鹽溶液，這些囊能夠膨脹和收縮。在公知的可調(diào)節(jié)束胃帶中，必須用注射器針頭將這種鹽溶液注射到皮下開口中，以到達(dá)位于皮膚表面以下的開口。該開口通過(guò)導(dǎo)管與束胃帶液壓連通。盡管這是有效的，但理想的是避免用注射器針頭來(lái)調(diào)節(jié)液體量，因?yàn)檫@可能導(dǎo)致感染的危險(xiǎn)增加，并使患者感到不便和不適。
為此，我們最近開發(fā)了不需要向皮下口內(nèi)注射即可控制鹽水流動(dòng)的植入注入裝置。該系統(tǒng)將交流磁通能(magnetic flux energy)從外部初級(jí)線圈傳遞給次級(jí)線圈，為與腹內(nèi)束胃帶連接的植入體中的泵供電。盡管可以用電池來(lái)為裝置供電，但是使用TET有利于這些長(zhǎng)期裝置，可使植入裝置的尺寸縮小、復(fù)雜度降低。而且，這些裝置在調(diào)節(jié)與調(diào)節(jié)之間可以保持不通電，這提供了另外的優(yōu)點(diǎn)?？墒芤嬗谠鰪?qiáng)的TET供電和/或遙測(cè)的這些可植入雙向注入裝置在2004年5月28日提交的四項(xiàng)共同未決且共同擁有的專利申請(qǐng)中公開，在此引用這些專利申請(qǐng)的公開內(nèi)容全文以供參考，其名稱為(1)“用于液壓控制可調(diào)式束胃帶的壓電驅(qū)動(dòng)式波紋管注入器”，發(fā)明人為William L.Hassler，Jr.，序列號(hào)為10/857,762；(2)“用于液壓控制可調(diào)式束胃帶的金屬波紋管位置反饋”，發(fā)明人為William L.Hassler，Jr.，Daniel F.Dlugos，Jr.，Rocco Crivelli，序列號(hào)10/856,971；(3)“用作遙控束胃帶的熱力驅(qū)動(dòng)式雙向注入器泵”，發(fā)明人為William L.Hassler，Jr.，Daniel F.Dlugos，Jr.，序列號(hào)10/857,315；和(4)“用于液壓控制可調(diào)式束胃帶的帶有體積制動(dòng)的雙向注入器泵”，發(fā)明人為William L.Hassler，Jr.，Daniel F.Dlugos，Jr.，序列號(hào)10/857,763。
與之前提到的醫(yī)療植入體不同，通常將用于人造括約肌的注入裝置植入到皮膚和脂肪組織的厚真皮層之下。對(duì)于通常接受可調(diào)節(jié)束胃帶以治療病態(tài)肥胖癥的患者尤其如此。而且，更深地植入可使患者的舒適度更高。然而，組織的厚度為初級(jí)TET線圈的有效功率耦合帶來(lái)了困難。
理想的是將次級(jí)線圈包括于注入裝置的外殼內(nèi)，以增強(qiáng)裝置的完整性。特別不希望從注入裝置上拆下一個(gè)或多個(gè)次級(jí)線圈并將其更淺地植入，因?yàn)檫@將使注入裝置的植入和移出變得復(fù)雜。因此，這些隔開次級(jí)線圈以更有助于接收信號(hào)的公知方法是不合適的。此外，醫(yī)療植入體內(nèi)所含的次級(jí)線圈的結(jié)構(gòu)也有物理和電磁的限制，特別是直徑、線圈匝數(shù)和每匝的直徑。
因此，為了在初級(jí)與次級(jí)TET線圈之間提供更大的功率傳遞范圍，非常需要在對(duì)次級(jí)線圈的尺寸限制內(nèi)增強(qiáng)與深植的醫(yī)療裝置的功率耦合。

發(fā)明內(nèi)容
通過(guò)提供一種用于可植入醫(yī)療裝置的經(jīng)皮能量傳遞(TET)系統(tǒng)，本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)的上述及其它缺陷，該TET系統(tǒng)增加了次級(jí)線圈的匝數(shù)，而保持了與單線圈結(jié)構(gòu)相同的阻抗和品質(zhì)因數(shù)(即帶通中心頻率與3dB截止頻率之比)。增強(qiáng)了對(duì)次級(jí)線圈的功率傳遞，而在初級(jí)線圈上相對(duì)地保持了相同的功率。
在本發(fā)明的一個(gè)方面，通過(guò)將次級(jí)TET線圈分成兩個(gè)在物理上和電學(xué)上并聯(lián)的線圈來(lái)增強(qiáng)外部初級(jí)TET線圈與其次級(jí)TET線圈之間的功率傳遞有利于醫(yī)療植入體。收集磁通量的有效匝數(shù)加倍，而保持原來(lái)的次級(jí)線圈和儲(chǔ)能電路的阻抗、電感、電容、總儲(chǔ)能電路Q值和自然頻率。由此，出于治療的原因以及為了簡(jiǎn)化植入和移出，醫(yī)療植入體可以更深地植入，而仍能令人滿意地工作。
在本發(fā)明的另外一個(gè)方面，通過(guò)在電學(xué)上和物理上并聯(lián)的雙次級(jí)TET線圈，包括可植入醫(yī)療裝置和外部初級(jí)線圈組合的TET系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)的功率效率。
在本發(fā)明的又一個(gè)方面，通過(guò)包括一對(duì)在電學(xué)上和物理上并聯(lián)的前次級(jí)線圈和后次級(jí)線圈作為諧振儲(chǔ)能電路的一部分，增強(qiáng)了為通過(guò)一個(gè)屏障與外部初級(jí)線圈隔開的裝置供電的感應(yīng)能量傳遞系統(tǒng)。
通過(guò)附圖及其描述，本發(fā)明的這些以及其它目的和優(yōu)點(diǎn)將是顯而易見的。


在此引用并構(gòu)成本說(shuō)明書的一部分的

了本發(fā)明的實(shí)施方式，并與上文的發(fā)明概述和下文對(duì)實(shí)施方式的詳述一起用于闡明本發(fā)明的原理。
圖1是對(duì)齊的一個(gè)公知的初級(jí)線圈的示圖，該線圈用于對(duì)所植入醫(yī)療裝置內(nèi)所含的單次級(jí)線圈進(jìn)行經(jīng)皮能量傳遞和/或遙測(cè)，以便為其中的電器元件供電。
圖2是對(duì)齊的一個(gè)初級(jí)線圈的示圖，該線圈用于對(duì)所植入醫(yī)療裝置內(nèi)所含的符合本發(fā)明各方面的雙次級(jí)線圈進(jìn)行經(jīng)皮能量傳遞和/或遙測(cè)，以便對(duì)其中的電器元件進(jìn)行增強(qiáng)的供電。
圖3A是曲線圖，圖中比較了圖1中的公知單次級(jí)線圈與圖2中電學(xué)并聯(lián)的雙次級(jí)線圈在20kHz時(shí)接收到的次級(jí)功率。
圖3B是曲線圖，圖中比較了310匝32號(hào)線圈與兩個(gè)并聯(lián)的325匝34號(hào)線圈在20kHz時(shí)的初級(jí)功率。
圖4是圖2的雙次級(jí)線圈的阻抗-相位圖。
圖5是圖1中的公知單次級(jí)線圈的阻抗-相位圖。
具體實(shí)施例方式
在圖1中，一個(gè)公知的經(jīng)皮能量傳遞(TET)系統(tǒng)10在位于真皮層14外部的初級(jí)線圈12與位于真皮層14之下的植入裝置18內(nèi)的次級(jí)線圈16之間提供功率和/或遙測(cè)。將初級(jí)線圈12電感耦合到次級(jí)線圈16，如磁通線20所示。
在開發(fā)更有效的TET和/或遙測(cè)系統(tǒng)，特別是該系統(tǒng)的次級(jí)線圈時(shí)，必須優(yōu)化線圈匝數(shù)、直流電阻、儲(chǔ)能電路電容、儲(chǔ)能電路阻抗和總儲(chǔ)能電路Q值的組合?？臻g優(yōu)化次級(jí)線圈設(shè)計(jì)主要在于如何相對(duì)于初級(jí)線圈12緊密地放置(距離“D”)和縱向?qū)R(縱軸“L”)次級(jí)線圈。如果限制所植入裝置18內(nèi)的次級(jí)線圈16的可用體積和位置，則通?？梢砸赃@種方式進(jìn)一步最大化醫(yī)療植入體。
作為優(yōu)化單線圈設(shè)計(jì)的一個(gè)實(shí)例，以不同的金屬線規(guī)格和匝數(shù)比繞線圈，以產(chǎn)生不同的阻抗。將這些次級(jí)線圈16制成單線圈結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)是次級(jí)線圈16的最佳結(jié)構(gòu)。上述注入器植入體的最佳單線圈結(jié)構(gòu)是310匝32號(hào)磁線，并且大約具有30歐的直流電阻。310匝32號(hào)次級(jí)線圈16的配置在圖1中示出。在一組測(cè)試條件下，該線圈供給固定負(fù)載的最高功率輸出為3.96瓦。
在圖2中，符合本發(fā)明各方面的TET系統(tǒng)110在位于真皮層14外部的初級(jí)線圈112與位于真皮層14之下的所植入裝置118內(nèi)的雙次級(jí)線圈116之間提供功率和/或遙測(cè)。磁通線120表示在線圈112與116的間距為d’時(shí)的提高后的功率效率。次級(jí)線圈由并聯(lián)的兩個(gè)線圈組成，每一個(gè)線圈都具有325匝34號(hào)金屬線。該線圈大約具有30歐的直流電阻，并在圖2中示出。在與310匝32號(hào)線圈相同的測(cè)試條件下，并聯(lián)的兩個(gè)325匝34號(hào)線圈供給固定負(fù)載的最高功率為4.46瓦。對(duì)兩種線圈配置的功率傳遞曲線的比較在圖3A和圖3B中示出。兩個(gè)325匝34號(hào)線圈配置的功率傳遞曲線比單線圈配置的次級(jí)功率輸出更高的次級(jí)功率輸出。然而，兩個(gè)325匝34號(hào)線圈配置只使得初級(jí)功率略微提高，并且與單線圈配置具有相對(duì)相同的尺寸、阻抗和Q值，具有更高的效率。
兩個(gè)線圈諧振時(shí)的總阻抗相對(duì)相同。在示出的例子中，兩個(gè)60歐阻抗的并聯(lián)組合相當(dāng)于一個(gè)單獨(dú)的30歐阻抗。這在理論上證明了為何310匝32號(hào)線圈和兩個(gè)325匝34號(hào)線圈具有相同的總阻抗。如圖4-圖5所示，比較兩種線圈配置的阻抗-相位圖，發(fā)現(xiàn)它們?cè)诠δ苌鲜窍喈?dāng)?shù)?。還發(fā)現(xiàn)兩種線圈的阻抗圖的總儲(chǔ)能電路Q值相對(duì)地相同。
兩個(gè)325匝34號(hào)線圈配置具有最優(yōu)的功率傳遞特性。這是如何實(shí)現(xiàn)的還不能完全理解，并且為了完全理解這一現(xiàn)象，可能需要采用電磁有限元分析(FEA)。假設(shè)通過(guò)空間展開次級(jí)線圈的線匝以及有效地倍增其匝數(shù)，直到與初級(jí)線圈產(chǎn)生的磁通量耦合，提高向次級(jí)線圈傳遞的功率。經(jīng)簡(jiǎn)單的線性電路分析，這一效應(yīng)不明顯，可得出兩個(gè)線圈相當(dāng)?shù)慕Y(jié)論。
盡管已經(jīng)通過(guò)對(duì)幾個(gè)實(shí)施方式的描述說(shuō)明了本發(fā)明，并且雖然已經(jīng)相當(dāng)詳細(xì)地描述了說(shuō)明性實(shí)施方式，但是申請(qǐng)人的目的不是將所附權(quán)利要求的范圍限制或者以任何方式限制于這些細(xì)節(jié)。其它優(yōu)點(diǎn)和修改對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯而易見的。
例如，盡管TET系統(tǒng)16對(duì)于可植入醫(yī)療裝置系統(tǒng)10具有特別的優(yōu)點(diǎn)，但是符合本發(fā)明的方面也可應(yīng)用于其它科學(xué)和工程方案，包括非生物性的物理邊界。例如，在處理裝置中，可能希望監(jiān)測(cè)和/或控制包含于容器內(nèi)的致動(dòng)器，而不影響金屬線或?qū)Ь€管所穿過(guò)的容器的完整性。
對(duì)于另外一個(gè)實(shí)例，上文說(shuō)明了用于功率傳遞目的以對(duì)所植入裝置進(jìn)行操作的TET，但是符合本發(fā)明的方面的用途也可以涉及用于通信目的的TET(即遙測(cè))。因此，功率耦合效率提高了所獲得的通信信道的可靠性和性能。
對(duì)于另外一個(gè)實(shí)例，通過(guò)增加在物理上和電學(xué)上與上述兩個(gè)線圈并聯(lián)的其它線圈，利用電路優(yōu)化以保持適當(dāng)?shù)腝值和阻抗，從而使次級(jí)雙線圈不僅僅限于兩個(gè)線圈，可以實(shí)現(xiàn)增加的功率傳遞效率。
權(quán)利要求
1.一種可植入醫(yī)療裝置，通過(guò)經(jīng)皮能量傳遞通道與位于患者外部的初級(jí)經(jīng)皮能量傳遞(TET)電路連通，所述可植入醫(yī)療裝置包括外殼；由所述外殼容納的第一TET線圈；由所述外殼容納的第二TET線圈，與所述第一TET線圈并聯(lián)地電耦合，并且在物理上接近所述第一TET線圈且位于所述第一TET線圈縱軸的中心；以及控制電路，與所述并聯(lián)的第一和第二TET線圈電連通，并且有效地配置為利用傳遞給所述第一和第二TET線圈的功率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可植入醫(yī)療裝置，其中所述外殼包括線圈容器，所述線圈容器包括所述外殼的圓柱形凹入部分。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可植入醫(yī)療裝置，其中所述外殼包括線圈容器，所述線圈容器包括圓柱形線軸。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可植入醫(yī)療裝置，其中所述第一和第二TET線圈均包括約具有325匝的線圈。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的可植入醫(yī)療裝置，其中所述第一和第二TET線圈包括34號(hào)磁線。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可植入醫(yī)療裝置，其中所述控制電路包括遙測(cè)收發(fā)器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可植入醫(yī)療裝置，還包括與所述第一和第二TET線圈電連通的串聯(lián)電容，以形成中心頻率約為20kHz的諧振儲(chǔ)能電路。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可植入醫(yī)療裝置，還包括第三TET線圈，所述第三線圈與所述第一和第二TET線圈并聯(lián)地電耦合，并且在物理上靠近所述第一和第二TET線圈且位于所述第一和第二TET線圈縱軸的中心，其中與所述并聯(lián)的第一、第二和第三TET線圈電連通的控制電路進(jìn)一步有效地配置為利用傳遞給所述第一、第二和第三TET線圈的功率。
全文摘要
一種可植入裝置，如用于雙向液壓控制醫(yī)學(xué)人造括約肌的注入裝置，增強(qiáng)了對(duì)次級(jí)線圈的功率傳遞特性，從而可以植入到身體更深處和/或容納注入裝置外殼內(nèi)的次級(jí)線圈。利用縱向?qū)R并且在物理上和電學(xué)上并聯(lián)以形成經(jīng)皮能量傳遞系統(tǒng)(TET)次級(jí)環(huán)路的多個(gè)線圈代替單線圈，實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)的功率傳遞。這更好地優(yōu)化了從并聯(lián)調(diào)諧儲(chǔ)能電路初級(jí)線圈到所植入的次級(jí)串聯(lián)調(diào)諧儲(chǔ)能電路線圈的功率傳遞。
文檔編號(hào)A61N1/372GK1736506SQ20051007965
公開日2006年2月22日 申請(qǐng)日期2005年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月24日
發(fā)明者雷沙·H·德賽, 小威廉·L·哈斯勒 申請(qǐng)人:伊西康內(nèi)外科公司