專(zhuān)利名稱(chēng)：一種植入式醫(yī)療供電電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種植入式醫(yī)療供電裝置，具體涉及一種集電磁波供電和通訊于 一體的醫(yī)療供電裝置。
二背景技術(shù)：
目前，主要的醫(yī)療傳感器從對(duì)患者的創(chuàng)傷角度可以分為兩類(lèi)，非介入式和介入式。 非介入式如超聲、核磁等是在體外傳感人體體內(nèi)的病理信息但無(wú)法檢查生化、電等信息；而 介入式治療/診斷技術(shù)，如有創(chuàng)法測(cè)血壓、血糖等，又給患者造成很大的痛苦和不便。專(zhuān)利200610011809. X公開(kāi)了一種基于電磁耦合方式工作的經(jīng)皮無(wú)線(xiàn)充電裝置， 該電路用于給可充電的鋰電池充電。該裝置雖然使用了可充電的鋰電池，但其能量密度低， 相同能量下的體積較大，而且需要額外的保護(hù)電路。專(zhuān)利200810198233. 1公開(kāi)了一種利用電磁波進(jìn)行無(wú)線(xiàn)供電的裝置，該電路 較之先前的LC震蕩方式有較好的效率。其工作原理基于電磁耦合的方式，與專(zhuān)利 200610011809. X相似。LC震蕩傳遞能量是一個(gè)很好的方式，具有體積小、可靠的優(yōu)點(diǎn)，但其 震蕩頻率依賴(lài)于電感電容的精確匹配，然而電感電容的誤差是服從高斯分布的，在量產(chǎn)時(shí) 很難保證。專(zhuān)利00814081. 2公開(kāi)了一種在醫(yī)療植入裝置中利用波動(dòng)信號(hào)給具有正負(fù)電極的 元件，如PN結(jié)，傳輸能量的裝置。這是一種類(lèi)似于太陽(yáng)能電池的技術(shù)。上述三個(gè)專(zhuān)利都是無(wú)線(xiàn)能量傳遞的例子，在使用無(wú)線(xiàn)技術(shù)傳輸能量給植入式醫(yī)療 器械時(shí)，由于高頻率、能量的電磁波會(huì)對(duì)人體造成傷害，其危害類(lèi)似于電磁爐、手機(jī)對(duì)人體 的傷害，因此不利于長(zhǎng)期、頻繁使用。另外，上述專(zhuān)利在解決無(wú)線(xiàn)供電問(wèn)題的同時(shí)沒(méi)有考慮 到通訊問(wèn)題，導(dǎo)致供電和通訊采用兩種無(wú)線(xiàn)接口，從而給設(shè)計(jì)以及用戶(hù)的使用帶來(lái)諸多不 便。如果該項(xiàng)技術(shù)用于對(duì)體積敏感的場(chǎng)合，如植入式醫(yī)療傳感器，就必須考慮到被充電或供 電部分的尺寸問(wèn)題。
三、發(fā)明內(nèi)容針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型提出一種兼具無(wú)線(xiàn)供電和通訊功能的電路。本技術(shù)方案涉及的供電裝置包括體外和體內(nèi)兩個(gè)模塊。體外模塊包括以下部分①，LC震蕩天線(xiàn)，不同的電阻電容組合產(chǎn)生不同的振蕩頻率，該頻率必須是與接收 端(體內(nèi)模塊)相匹配的頻率。②，調(diào)整電路，利用移頻鍵控FSK的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送至天線(xiàn)并檢測(cè)、調(diào)制接收到的 數(shù)據(jù)。③，供電電路，產(chǎn)生各模塊需要的電源。④，控制電路，產(chǎn)生對(duì)調(diào)整電路的控制信號(hào)并接收、解析終端傳回的數(shù)據(jù)。體內(nèi)模塊包含在植入式醫(yī)療裝置內(nèi)，包括以下部分①，頻率調(diào)整模塊，用于對(duì)接收端的LC振蕩頻率進(jìn)行微調(diào)，與發(fā)送端精密匹配，從 而達(dá)到最優(yōu)的能量傳輸效率。②，儲(chǔ)能元件，能夠?qū)⑻炀€(xiàn)上搜集的能量?jī)?chǔ)存到該元件上，以供設(shè)備連續(xù)平穩(wěn)工 作。③，微處理器模塊，能夠執(zhí)行體外設(shè)備的命令并將結(jié)果回傳給體外設(shè)備。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是本實(shí)用新型通過(guò)低頻LC震蕩傳輸能量，并 完成通訊功能，低頻LC震蕩電路具有體積小、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，對(duì)人體沒(méi)有傷害等優(yōu)點(diǎn)。為了解決 由器件誤差引起的LC震蕩頻率匹配問(wèn)題，本實(shí)用新型引入了一種頻率調(diào)整電路使得接收 端與發(fā)送端的頻率匹配，從而提高了能量接收效率。當(dāng)用于植入式醫(yī)療傳感器時(shí)，傳感器依 靠體外無(wú)線(xiàn)供電來(lái)采集人體體內(nèi)的生化、電信號(hào)等數(shù)據(jù)，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信將信息傳至體外 設(shè)備。由于不需要電池，該裝置可以做成非常小的體積植入體內(nèi)，并適時(shí)提供數(shù)據(jù)。
四
圖1是本實(shí)用新型的整體結(jié)構(gòu)圖。圖2是天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)圖。圖3是體內(nèi)模塊中的頻率調(diào)整部分的電路圖。圖4是一個(gè)體內(nèi)電路模塊具體實(shí)施例的電路圖。圖5是一個(gè)體外電路模塊具體實(shí)施例的電路圖。
五具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的實(shí)施做進(jìn)一步的說(shuō)明。如圖1所示，本實(shí)用新型主要由置于體外的模塊A以及置于體內(nèi)的模塊B構(gòu)成，兩 個(gè)模塊沒(méi)有直接接觸，體外模塊通過(guò)LC振蕩方式給體內(nèi)模塊供電，同時(shí)，兩者通過(guò)無(wú)線(xiàn)方 式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)通信。體外模塊由控制電路1、調(diào)整電路2、體外天線(xiàn)3以及供電電路4組成。控制電路 1將用戶(hù)的輸入(如頻率的設(shè)置、傳遞給體內(nèi)模塊的參數(shù))轉(zhuǎn)換成調(diào)整電路2的輸入，并負(fù) 責(zé)處理經(jīng)調(diào)整模塊2傳回的體內(nèi)模塊的信息。調(diào)整電路2將控制電路1的輸入信息調(diào)制成 發(fā)送天線(xiàn)3所需要的信號(hào)，并解調(diào)接收到的來(lái)自體內(nèi)模塊B的信息。供電電路4實(shí)現(xiàn)對(duì)整 個(gè)體外模塊的供電管理。圖中的控制電路1可以選用TI的MSP430F2XX系列單片機(jī)，采用 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)靈活的配置、通訊管理，調(diào)整電路2可以采用TI的TMS3705，使用134. 2KHz的調(diào) 制頻率，天線(xiàn)是一組LC網(wǎng)絡(luò)。體內(nèi)模塊由體內(nèi)天線(xiàn)6、頻率調(diào)整電路7、微處理器8以及儲(chǔ)能元件10組成。與體 外模塊不同的是體內(nèi)模塊需要在功耗和體積上盡可能地小，以使上述的低頻供電能滿(mǎn)足 系統(tǒng)的需要。體內(nèi)天線(xiàn)6與體外天線(xiàn)3具有相同的參數(shù)和功能。頻率調(diào)整電路7實(shí)現(xiàn)對(duì)體 內(nèi)天線(xiàn)6的微調(diào)，使體內(nèi)天線(xiàn)6與體外天線(xiàn)3達(dá)到精確匹配。這解決了元件誤差不一致所 導(dǎo)致的匹配問(wèn)題，從而使能量傳輸?shù)男蔬_(dá)到最大。體內(nèi)天線(xiàn)6在頻率調(diào)整電路7的調(diào)整 下將接收到的能量存儲(chǔ)到儲(chǔ)能元件10上。儲(chǔ)能元件10累積來(lái)自體內(nèi)天線(xiàn)6的能量為整個(gè) 系統(tǒng)提供能量，同時(shí)具有穩(wěn)壓的作用，儲(chǔ)能元件10也可為接入的傳感器9提供能量。為方
4便實(shí)現(xiàn)，圖中的頻率調(diào)整電路7可以采用TI的芯片TMS37157，微處理器8可以采用TI的超 低功耗單片機(jī)MSP430F2XX系列。進(jìn)一步，儲(chǔ)能元件10也可以理解成一個(gè)具有正負(fù)極的能 量存儲(chǔ)體，當(dāng)選用極低功耗傳感器時(shí)它可以是一個(gè)電容。當(dāng)傳感器的功耗較大時(shí)，單純的電 容就很難滿(mǎn)足系統(tǒng)的需求，這時(shí)的儲(chǔ)能元件可以是一個(gè)可充電的電池。體外模塊A和體內(nèi)模塊B都包括天線(xiàn)模塊，即體外天線(xiàn)3以及體內(nèi)天線(xiàn)6。如圖2 所示，包括兩個(gè)元件12電感(記為L(zhǎng))以及元件13電容(記為C)，其諧振頻率f的計(jì)算公 式為f = l/2*pi*sqrt(LC)。這樣通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)碾姼?、電容值，可以設(shè)定想要的頻率。設(shè) 計(jì)時(shí)對(duì)電感和電容的選取都應(yīng)該盡量采用最高精度的，電容最好使用COG類(lèi)型的，以獲得 最小的誤差。如圖3所示的體內(nèi)頻率調(diào)整模塊7，該模塊用于微調(diào)由元件12、13組成的體內(nèi)天線(xiàn) 6的震蕩頻率使之與體外的天線(xiàn)相匹配，從而達(dá)到最高的效率。頻率調(diào)整模塊7的工作原 理可以用元件16 21組成的開(kāi)關(guān)電容組合來(lái)解釋。圖中開(kāi)關(guān)16與電容19串聯(lián)，開(kāi)關(guān)17與 電容20串聯(lián)，開(kāi)關(guān)18與電容21串聯(lián)，各組采用并聯(lián)的方式連接在一起。當(dāng)開(kāi)關(guān)16閉合時(shí) 電容13、19并聯(lián)合成更大的電容，在元件12保持不變的情況下，增大電容可減小震蕩頻率。 元件19、20、21是電容，通過(guò)開(kāi)關(guān)16、17、18的作用來(lái)改變總并聯(lián)電容的大小。在實(shí)際操作 時(shí)元件19、20、21應(yīng)該選取小的不同的值，如lpF，2pF，4pF，就如同天平的砝碼一樣。另外， 頻率調(diào)整模塊7體內(nèi)電路如果采用分立器件會(huì)受到系統(tǒng)寄生電容的影響，從而影響系統(tǒng)精 度。好在現(xiàn)在有芯片體內(nèi)集成的高精度校準(zhǔn)的開(kāi)關(guān)電容技術(shù)，如TI的芯片TMS37157就具 有這種功能。圖4是一個(gè)體內(nèi)電路的具體實(shí)施例。圖4中的傳感器模塊可以選擇各種低功耗的 傳感器，暫以溫度傳感為例。Li，Cl，C2實(shí)現(xiàn)了基于LC震蕩的體內(nèi)接收天線(xiàn)6，U2是將電 磁波的能量轉(zhuǎn)換并存儲(chǔ)在C3，C4上，C3，C4為Ul及傳感器供電。C3、C4對(duì)應(yīng)儲(chǔ)能元件10， Ul對(duì)應(yīng)微處理器8。以溫度傳感為例，Ul內(nèi)置溫度傳感器，將溫度信息通過(guò)SPI接口傳遞 給U2，U2負(fù)責(zé)與基站的通訊，U2對(duì)應(yīng)頻率調(diào)整單元7。更復(fù)雜的傳感器如心電信號(hào)可以將 傳感器(運(yùn)放)輸出接在Ul的1，2管腳上。Ul的1，2管腳既是ADC的輸入也是通用的輸 入輸出管腳，可以方便地連接傳感器。圖5是一個(gè)體外電路的具體實(shí)施例。U7，C5 C9實(shí)現(xiàn)了從5V到3. 3V的電壓轉(zhuǎn)換， 調(diào)整電路的工作電壓是5V而空是電路的工作電壓是3. 3V，所以需要加入一個(gè)降壓電源產(chǎn) 生3. 3V電壓，這一部分相當(dāng)于供電電路4的功能。U3，C1(T13實(shí)現(xiàn)了體外控制電路1的功 能，這一部分主要由TI單片機(jī)MSP430F2003完成，單片機(jī)可以根據(jù)用戶(hù)的要求產(chǎn)生命令給 調(diào)整電路。L2，R5飛，C17實(shí)現(xiàn)了體外天線(xiàn)3的功能，其他器件實(shí)現(xiàn)了調(diào)整電路2的功能。由 于內(nèi)部天線(xiàn)帶有自動(dòng)調(diào)整功能，所以外部天線(xiàn)的器件參數(shù)選取是比較寬松的，通常精度 的器件就好了，調(diào)整電路根據(jù)微處理器的要求對(duì)天線(xiàn)進(jìn)行控制，產(chǎn)生所需要的134. 2KHz。
權(quán)利要求一種植入式醫(yī)療供電裝置，包括體外模塊和體內(nèi)模塊，所述體外模塊包括體外天線(xiàn)和供電電路，所述體內(nèi)模塊包括體內(nèi)天線(xiàn)，儲(chǔ)能元件，其特征是A，所述體外模塊還包括控制電路和調(diào)整電路，所述控制電路將頻率的設(shè)置、傳遞給體內(nèi)模塊的參數(shù)等用戶(hù)的輸入信息轉(zhuǎn)換成所述調(diào)整電路的輸入，并負(fù)責(zé)處理經(jīng)調(diào)整電路傳回的體內(nèi)模塊的信息，調(diào)整電路將控制電路的輸入信息進(jìn)行調(diào)制，由體外天線(xiàn)發(fā)出，并對(duì)接收到的來(lái)自體內(nèi)模塊的信息進(jìn)行解調(diào)；B，所述體內(nèi)模塊還包括頻率調(diào)整電路和微處理器，頻率調(diào)整電路用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)體內(nèi)天線(xiàn)的微調(diào)，使體內(nèi)天線(xiàn)與體外天線(xiàn)達(dá)到精確匹配。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的植入式醫(yī)療供電裝置，其特征是所述體外天線(xiàn)是低頻LC震蕩 天線(xiàn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的植入式醫(yī)療供電裝置其特征是所述體外模塊的調(diào)整電路 利用移頻鍵控FSK的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送至天線(xiàn)并檢測(cè)、調(diào)制接收到的數(shù)據(jù)。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)一種集電磁波供電和通訊于一體的植入式醫(yī)療供電裝置，包括體外和體內(nèi)兩個(gè)模塊。體外模塊包括體外天線(xiàn)、供電電路、控制電路和調(diào)整電路；體內(nèi)模塊包括體內(nèi)天線(xiàn)、儲(chǔ)能元件、頻率調(diào)整電路和微處理器。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是本實(shí)用新型通過(guò)低頻LC震蕩傳輸能量，并完成通訊功能，低頻LC震蕩電路具有體積小、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，對(duì)人體沒(méi)有傷害等優(yōu)點(diǎn)。為了解決由器件誤差引起的LC震蕩頻率匹配問(wèn)題，本實(shí)用新型引入了一種頻率調(diào)整電路使得接收端與發(fā)送端的頻率匹配，從而提高了能量接收效率。當(dāng)用于植入式醫(yī)療傳感器時(shí)，傳感器依靠體外無(wú)線(xiàn)供電來(lái)采集人體體內(nèi)的生化、電信號(hào)等數(shù)據(jù)，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信將信息傳至體外設(shè)備。
文檔編號(hào)H02J17/00GK201717682SQ20102024944
公開(kāi)日2011年1月19日 申請(qǐng)日期2010年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月2日
發(fā)明者羅倩倩 申請(qǐng)人:羅倩倩