專利名稱：用于植入式醫(yī)療儀器的經(jīng)皮無線充電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于植入式醫(yī)療儀器的經(jīng)皮無線充電裝置，屬于植入式醫(yī)療儀器技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
植入式醫(yī)療儀器種類很多，應(yīng)用范圍也很廣，如心臟起搏器與除顫器、腦起搏器、脊髓刺激器、外周神經(jīng)刺激器(包括迷走神經(jīng)刺激器、骶神經(jīng)刺激器、膈神經(jīng)刺激器等)、肌肉刺激器、人工耳蝸等。
各類植入式醫(yī)療儀器普遍價(jià)格高昂，但壽命大多較短。限制植入式醫(yī)療儀器壽命的主要因素是電池的容量，現(xiàn)有的植入式醫(yī)療儀器產(chǎn)品多采用高能量密度的鋰原電池進(jìn)行供電，如鋰-亞硫酸氯電池和鋰-多氟化碳電池等。為了延長(zhǎng)植入式醫(yī)療儀器的使用壽命，設(shè)計(jì)者一方面對(duì)醫(yī)療儀器電路盡可能進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)，另一方面通過不斷提高電池能量密度和增大電池體積來增加電池的容量，典型的起搏器與刺激器的電池重量和體積達(dá)到了整個(gè)植入式醫(yī)療儀器的一半以上。即使如此，很多植入式醫(yī)療儀器也只有3-5年左右的壽命。一旦電池能量耗盡，患者便不得不重新接受手術(shù)，更換植入式醫(yī)療儀器，不僅為患者造成身體上的創(chuàng)傷，昂貴的價(jià)格也為患者帶來巨大的經(jīng)濟(jì)壓力。另外，體積和重量都相當(dāng)大的電池使得植入式醫(yī)療儀器進(jìn)一步縮小體積、減輕重量變得非常困難，無論是對(duì)于減輕植入式醫(yī)療儀器作為人體內(nèi)的異物對(duì)患者身體的不利影響，還是對(duì)于應(yīng)用于身材較小的少年兒童、拓展植入式醫(yī)療儀器的應(yīng)用領(lǐng)域都是非常不利的。因此，對(duì)于植入式醫(yī)療儀器，能量供應(yīng)已經(jīng)成為限制其發(fā)展的一個(gè)瓶頸問題。
為延長(zhǎng)植入式醫(yī)療儀器的使用壽命，目前國(guó)際上最關(guān)注的是使用充電電池。近年來，隨著電池技術(shù)的快速發(fā)展，可充電的鋰電池的能量密度不斷提高，充放電循環(huán)壽命不斷增長(zhǎng)，開始作為鋰原電池的替代品應(yīng)用于植入醫(yī)療領(lǐng)域。相對(duì)于鋰原電池，鋰充電電池幾百次的充放電循環(huán)壽命使其有可能通過充電，以更小的體積、更輕的重量為植入式醫(yī)療儀器提供更長(zhǎng)時(shí)間的電能支持。植入式醫(yī)療儀器植入患者體內(nèi)，與體外充電裝置有皮膚等組織隔離，需要經(jīng)皮無線充電方式，一般基于已經(jīng)發(fā)展成熟的電磁耦合原理，利用電磁場(chǎng)穿透人體皮膚向植入式醫(yī)療儀器傳遞電能。
但是，為防止在長(zhǎng)時(shí)間使用過程中，人體的體液滲入儀器內(nèi)部造成短路及腐蝕器件，植入式醫(yī)療儀器一般使用生物相容性的金屬鈦密封為圓滑形狀，一方面形成了較強(qiáng)的電磁屏蔽，另一方面使得在體外無法對(duì)植入體內(nèi)的鈦外殼內(nèi)部的線圈和電路準(zhǔn)確定位，因此現(xiàn)有技術(shù)很難使用。中國(guó)發(fā)明專利“一種為電子設(shè)備提供能源的裝置”(申請(qǐng)?zhí)?00410009052.1)給出了一種無線充電方案，但要求充電電路的接收線圈以同軸方式插入發(fā)射線圈中，在植入式醫(yī)療儀器中無法實(shí)現(xiàn)。中國(guó)發(fā)明專利“可充電的腦深部刺激器”(申請(qǐng)?zhí)?00410019937.X)給出的無線充電方案基于傳統(tǒng)的變壓器方式，發(fā)射線圈和接收線圈分別繞制于相同尺寸的“U”型磁芯上，要求將兩個(gè)線圈的磁芯對(duì)正位置實(shí)現(xiàn)電磁耦合，但是，接收線圈被封裝在植入式醫(yī)療儀器內(nèi)部，其準(zhǔn)確定位非常困難，發(fā)射線圈和接收線圈的磁芯很容易產(chǎn)生徑向偏差，從而導(dǎo)致能量傳輸效率的大大降低，充電的穩(wěn)定性無法得到保證；另外，U型結(jié)構(gòu)磁芯要求磁芯具有較大的高度，很難實(shí)際應(yīng)用于追求輕薄、小型化的植入式醫(yī)療儀器。采用充電電池為植入式醫(yī)療儀器供應(yīng)能量，在國(guó)外已有應(yīng)用，但技術(shù)方案不公開。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種能夠滿足植入式醫(yī)療儀器微小型化要求的簡(jiǎn)單可靠的經(jīng)皮無線充電裝置，實(shí)現(xiàn)從體外向植入體內(nèi)的醫(yī)療儀器進(jìn)行充電。
本發(fā)明的特征在于該裝置含有植入人體內(nèi)的充電電路和位于體外的發(fā)射電路，其中所述體內(nèi)充電電路包含接收線圈，由柱狀磁芯以及線圈構(gòu)成，用來接收經(jīng)皮傳來的電磁能量；該線圈采用微小體積設(shè)計(jì)；依次和所述接收線圈輸出端相連接的整流電路、濾波電路、充電芯片以及充電電池；所述體外發(fā)射電路包含發(fā)射線圈，為扁平狀，由扁平狀磁芯以及線圈組成；該發(fā)射線圈和體內(nèi)接收線圈采用外大內(nèi)小、形狀不對(duì)稱的設(shè)計(jì)方式，體內(nèi)接收線圈的尺寸和重量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于體外發(fā)射線圈，有利于減輕植入式醫(yī)療儀器的整體體積和重量；體外發(fā)射線圈和體內(nèi)接收線圈呈平行軸方式放置，線圈耦合的位置容差性好，充電的穩(wěn)定性及可靠性高。
發(fā)射線圈驅(qū)動(dòng)電路，由電源電路、波形發(fā)生器、功率放大電路依次連接而成，所述功率放大電路的輸出端與發(fā)射線圈相連；所述電源電路可由交流電源、AC-DC變換器和DC-DC變換器串聯(lián)組成，也可由電池和一組DC-DC變換器串聯(lián)組成；進(jìn)一步的，充電發(fā)射線圈和接收線圈兼做通信線圈；所述體內(nèi)充電電路包含一個(gè)充電狀態(tài)監(jiān)測(cè)微處理器，其第1個(gè)輸入端與所述充電芯片的輸出端相連，監(jiān)測(cè)充電電流、電池電壓；第2個(gè)輸入端與植入式醫(yī)療儀器外殼相連，監(jiān)測(cè)其溫度；第3個(gè)輸入/輸出端，監(jiān)測(cè)接收線圈的電信號(hào)，并定時(shí)把充電狀態(tài)信息通過接收線圈發(fā)射后傳送給體外的發(fā)射線圈；在所述體外發(fā)射電路中，所述發(fā)射線圈與一個(gè)控制微處理器相連，控制微處理器接收所述發(fā)射線圈定時(shí)傳送的體內(nèi)充電電路的充電狀態(tài)信息，并通過顯示單元顯示，在包括電池電量較低而充電電流過小的充電狀態(tài)不正常時(shí)提示用戶調(diào)整發(fā)射線圈的位置和角度，改善電磁耦合狀態(tài)以提高充電效率；當(dāng)植入式醫(yī)療儀器外殼溫度超過正常范圍時(shí)，發(fā)射線圈驅(qū)動(dòng)電路中所述控制微處理器自動(dòng)切斷所述電源電路停止充電，對(duì)儀器內(nèi)部電路進(jìn)行保護(hù)；體內(nèi)充電電路在電池電量充滿后自動(dòng)停止充電，同時(shí)所述控制微處理器切斷電源供應(yīng)，停止電磁能量發(fā)射，完成充電過程。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果(1)本發(fā)明的經(jīng)皮無線充電裝置能夠穿過皮膚對(duì)植入人體的醫(yī)療儀器進(jìn)行充電，避免了電池能量耗盡后的再次手術(shù)，延長(zhǎng)了植入式醫(yī)療儀器的使用壽命，減少了患者接受手術(shù)的危險(xiǎn)，減輕了患者的痛苦和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)；(2)減小了植入式醫(yī)療儀器的尺寸和重量，從而減小了植入式醫(yī)療儀器作為人體內(nèi)的異物對(duì)患者身體的不良影響，改善了患者的生活質(zhì)量；(3)改善了充電過程中體外發(fā)射線圈與體內(nèi)接收線圈的位置容差性，使充電過程變得更加簡(jiǎn)單便捷和可靠；(4)全國(guó)有上千萬可使用植入式醫(yī)療儀器的患者，本發(fā)明具有極高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。


圖1是本發(fā)明的整體示意圖。
圖2是本發(fā)明的體外發(fā)射線圈和體內(nèi)接收線圈電磁耦合示意圖。
圖3是本發(fā)明的體內(nèi)部分原理框圖。
圖4是本發(fā)明的體外部分原理框圖。
具體實(shí)施例方式
為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案用于植入式醫(yī)療儀器的經(jīng)皮無線充電裝置，包括植入人體內(nèi)的接收線圈、充電控制電路、充電電池以及置于體外的發(fā)射線圈、發(fā)射線圈驅(qū)動(dòng)電路。所述體外發(fā)射線圈驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生交流電激勵(lì)發(fā)射線圈產(chǎn)生電磁場(chǎng)，所述接收線圈通過電磁耦合接收到經(jīng)皮膚乃至鈦外殼傳遞的能量之后通過所述充電控制電路為電池進(jìn)行充電。
進(jìn)一步的，所述接收線圈采用微小型化設(shè)計(jì)，內(nèi)有柱狀磁芯。所述發(fā)射線圈采用較大面積的扁平狀磁芯，并且發(fā)射線圈和接收線圈采用平行軸方式放置，從而解決了由于不能準(zhǔn)確定位封裝在植入式醫(yī)療儀器內(nèi)的接收線圈，導(dǎo)致發(fā)射線圈和接收線圈難以對(duì)正，充電效率低的問題，大大降低了體內(nèi)接收線圈與體外發(fā)射線圈之間的位置容差要求，提高了充電的穩(wěn)定性及可靠性。
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的用于植入式醫(yī)療儀器的經(jīng)皮無線充電裝置的實(shí)施方式做出詳細(xì)說明。
如圖1所示，本發(fā)明的用于植入式醫(yī)療儀器的經(jīng)皮無線充電裝置，由置于體外的發(fā)射線圈3、發(fā)射線圈驅(qū)動(dòng)電路4以及被封裝在植入式醫(yī)療儀器1內(nèi)部的接收線圈5、充電控制電路6、充電電池7構(gòu)成。體外發(fā)射線圈3和體內(nèi)的接收線圈5通過電磁耦合實(shí)現(xiàn)經(jīng)皮膚2和鈦外殼8的電磁能量傳遞。植入體內(nèi)的接收線圈5及其內(nèi)部的磁芯應(yīng)當(dāng)盡可能的小，其余元器件也應(yīng)當(dāng)盡量的少，以減輕植入式醫(yī)療儀器的體積和重量。對(duì)于體外發(fā)射線圈3的限制較少，可以通過改變線圈匝數(shù)和磁芯形狀大小、調(diào)整發(fā)射線圈的激勵(lì)電壓和頻率來提高發(fā)射功率和發(fā)射線圈和接收線圈之間的耦合效率，從而提高接收線圈所能獲得的功率。
如圖2所示，用于植入式醫(yī)療儀器的經(jīng)皮無線充電裝置的發(fā)射線圈3和接收線圈5內(nèi)部都包含磁芯，以提高電磁耦合效率，并且采用平行軸方式放置。所述的發(fā)射線圈3和接收線圈5的形狀、大小、磁芯并不相同植入體內(nèi)的接收線圈5要求盡可能減小體積和重量，因此內(nèi)部是體積較小的柱狀磁芯33；體外的發(fā)射線圈3為扁平狀，其面積遠(yuǎn)大于接收線圈5，內(nèi)部是1塊或多塊扁平狀的磁芯32。形狀設(shè)計(jì)為扁平狀的發(fā)射線圈能夠在較大平面內(nèi)產(chǎn)生分布均勻的磁場(chǎng)31。當(dāng)位于發(fā)射線圈3發(fā)射平面中的接收線圈5相對(duì)于發(fā)射線圈3發(fā)生平行于發(fā)射平面的移動(dòng)時(shí)，接收線圈5位置的磁場(chǎng)狀況不會(huì)發(fā)生太大變化，因此，接收線圈5和發(fā)射線圈3之間的電磁耦合狀況也不會(huì)發(fā)生太大改變。從而，線圈耦合的容差性和充電的穩(wěn)定性得到大幅度的提高。發(fā)射線圈的扁平狀大線圈設(shè)計(jì)方式和發(fā)射線圈、接收線圈平行軸放置的位置關(guān)系，相比已有技術(shù)中內(nèi)外線圈對(duì)稱、采用U型或者E型磁芯的設(shè)計(jì)，大大增強(qiáng)了充電裝置對(duì)發(fā)射線圈和接收線圈位置的容差性，充電操作更為簡(jiǎn)單，充電過程更為穩(wěn)定。
如圖3所示，用于植入式醫(yī)療儀器的經(jīng)皮無線充電裝置的體內(nèi)部分包括接收線圈5，充電電池7以及由整流電路11、濾波電路12、充電芯片13、充電狀態(tài)監(jiān)測(cè)微處理器14組成的充電控制電路6。充電芯片13具有低功耗、小體積、高電壓調(diào)節(jié)精度、電池溫度監(jiān)測(cè)等特點(diǎn)，可選用美國(guó)TI公司的BQ24200充電管理芯片。接收線圈5與體外發(fā)射線圈經(jīng)過皮膚和鈦外殼實(shí)現(xiàn)電磁耦合，感應(yīng)出同頻的電信號(hào)，由整流電路11進(jìn)行整流、濾波電路12進(jìn)行濾波后得到直流電壓信號(hào)。直流電壓信號(hào)通過充電芯片13對(duì)充電電池14進(jìn)行充電，充電過程總共經(jīng)歷電壓小于一定值時(shí)的預(yù)充、恒流充電、達(dá)到要求電壓后的恒壓充電三個(gè)階段，充電芯片13在充電電池14充滿后自動(dòng)停止充電，以保護(hù)電池。充電的狀態(tài)包括接收線圈感應(yīng)出的電信號(hào)的強(qiáng)弱、充電電流大小、充電電池的電量飽和狀態(tài)以及植入式醫(yī)療儀器外殼溫度。充電狀態(tài)監(jiān)測(cè)微處理器15定時(shí)對(duì)充電狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)充電過程所處的階段做出判斷，并將相應(yīng)的信息通過所述接收線圈5發(fā)射到體外。
如圖4所示，用于植入式醫(yī)療儀器的經(jīng)皮無線充電裝置的體外部分包括體外發(fā)射線圈3及由電源電路21、正弦波形發(fā)生器22、功率放大電路23、控制微處理器24和顯示單元25相連組成的發(fā)射線圈驅(qū)動(dòng)電路。
電源電路輸入為生活所用的交流電源，通過內(nèi)部的AC-DC轉(zhuǎn)換器和DC-DC變換器為波形發(fā)生器22和功率放大電路23提供要求的直流電壓。作為一種備用的方式，電壓電路也可以直接采用電池和一組DC-DC變換器供電。
波形發(fā)生器22能夠產(chǎn)生頻率為幾十到上百千赫茲的振蕩信號(hào)，然后通過波形發(fā)生器22中含有的功率開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路后驅(qū)動(dòng)功率放大電路23中的功率MOSFET。功率放大電路23輸出的功率信號(hào)通過匹配電路24后激勵(lì)發(fā)射線圈3產(chǎn)生電磁場(chǎng)，向外發(fā)射能量。在向外發(fā)射能量的過程中，發(fā)射線圈3也將定時(shí)接收從體內(nèi)發(fā)出的充電狀態(tài)信號(hào)。發(fā)射線圈接收到的充電狀態(tài)信號(hào)被傳送至控制微處理器24進(jìn)行接收和計(jì)算，進(jìn)而在顯示單元25顯示當(dāng)前的充電狀態(tài)，在充電狀態(tài)不正常(如電池電量較低而充電電流過小)時(shí)提示用戶調(diào)整發(fā)射線圈3的位置和角度，達(dá)到更好的電磁耦合狀態(tài)以提高充電功率?？刂莆⑻幚砥?4與電源電路21相連，根據(jù)當(dāng)前的充電狀態(tài)判斷是否繼續(xù)供電和維持充電，如電池電量已滿或植入式醫(yī)療儀器外殼溫度超過正常范圍則切斷電源、停止充電。
上述方式只是本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方式，對(duì)于本領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員而言，在本發(fā)明公開的用于植入式醫(yī)療儀器的經(jīng)皮無線充電裝置的基礎(chǔ)上，很容易想到將其應(yīng)用于各種儀器系統(tǒng)，而不僅限于本發(fā)明具體實(shí)施方式
所描述的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，因此前面描述的方式只是優(yōu)選的，而并不具有限制性的意義。
權(quán)利要求
1.用于植入式醫(yī)療儀器的經(jīng)皮無線充電裝置，其特征在于該裝置含有植入人體內(nèi)的充電電路和位于體外的發(fā)射電路，其中所述體內(nèi)充電電路包含接收線圈，由柱狀磁芯以及線圈構(gòu)成，用來接收經(jīng)皮傳來的電磁能量；該線圈采用微小體積設(shè)計(jì)；依次和所述接收線圈輸出端相連接的整流電路、濾波電路、充電芯片以及充電電池；充電芯片選用BQ24200；所述體外發(fā)射電路包含發(fā)射線圈，為扁平狀，由扁平狀磁芯以及線圈組成；該發(fā)射線圈和體內(nèi)接收線圈采用外大內(nèi)小、形狀不對(duì)稱的設(shè)計(jì)方式，體內(nèi)接收線圈的尺寸和重量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于體外發(fā)射線圈，有利于減輕植入式醫(yī)療儀器的整體體積和重量；體外發(fā)射線圈和體內(nèi)接收線圈呈平行軸方式放置，線圈耦合的位置容差性好，充電的穩(wěn)定性及可靠性高。發(fā)射線圈驅(qū)動(dòng)電路，由電源電路、波形發(fā)生器、功率放大電路依次連接而成，所述功率放大電路的輸出端與發(fā)射線圈相連；所述電源電路可由交流電源、AC-DC變換器和DC-DC變換器串聯(lián)組成，也可由電池和一組DC-DC變換器串聯(lián)組成；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于植入式醫(yī)療儀器的經(jīng)皮無線充電裝置，其特征在于充電發(fā)射線圈和接收線圈兼做通信線圈；所述體內(nèi)充電電路包含一個(gè)充電狀態(tài)監(jiān)測(cè)微處理器，其第1個(gè)輸入端與所述充電芯片的輸出端相連，監(jiān)測(cè)充電電流、電池電壓；第2個(gè)輸入端與植入式醫(yī)療儀器外殼相連，監(jiān)測(cè)其溫度；第3個(gè)輸入/輸出端，監(jiān)測(cè)接收線圈的電信號(hào)，并定時(shí)把充電狀態(tài)信息通過接收線圈發(fā)射后傳送給體外的發(fā)射線圈；在所述體外發(fā)射電路中，所述發(fā)射線圈與一個(gè)控制微處理器相連，控制微處理器接收所述發(fā)射線圈定時(shí)傳送的體內(nèi)充電電路的充電狀態(tài)信息，并通過顯示單元顯示，在充電狀態(tài)不正常時(shí)提示用戶調(diào)整發(fā)射線圈的位置和角度，改善電磁耦合狀態(tài)以提高充電效率；當(dāng)植入式醫(yī)療儀器外殼溫度超出正常范圍時(shí)，發(fā)射線圈驅(qū)動(dòng)電路中所述控制微處理器自動(dòng)切斷所述電源電路停止充電，對(duì)儀器內(nèi)部電路進(jìn)行保護(hù)；體內(nèi)充電電路在電池電量充滿后自動(dòng)停止充電，同時(shí)所述控制微處理器切斷電源供應(yīng)，停止電磁能量發(fā)射，完成充電過程。
全文摘要
本發(fā)明屬于植入式醫(yī)療儀器技術(shù)領(lǐng)域，其特征在于它含有植入人體內(nèi)的接收線圈、充電控制電路、充電電池和位于體外的發(fā)射線圈、發(fā)射線圈驅(qū)動(dòng)電路。體外發(fā)射線圈為大尺寸扁平狀，體內(nèi)接收線圈為小尺寸柱狀，兩個(gè)線圈均含有磁芯，且采用平行軸的電磁耦合方式，發(fā)射線圈在驅(qū)動(dòng)電路的激勵(lì)下發(fā)射電磁能量，接收線圈獲得的電能通過充電控制電路為充電電池進(jìn)行充電。本發(fā)明的經(jīng)皮無線充電方法，可經(jīng)過皮膚乃至鈦外殼為植入式醫(yī)療儀器充電，位置容差性好，調(diào)整方便，充電過程簡(jiǎn)單可靠，可應(yīng)用于各類植入式醫(yī)療儀器。
文檔編號(hào)H02J7/00GK1874048SQ200610011809
公開日2006年12月6日 申請(qǐng)日期2006年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月28日
發(fā)明者李路明, 郝紅偉, 馬伯志, 牛川森 申請(qǐng)人:清華大學(xué)