專利名稱：植入式自適應(yīng)無線電源傳輸方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及涉及無線通信、射頻電子電路、無線能量傳感、自動(dòng)控制以及植入式生物醫(yī)用電子學(xué)等交叉領(lǐng)域，具體涉及一種基于PWM (脈寬調(diào)制)誤差采樣與LSK (負(fù)載鍵控)調(diào)制無線反饋機(jī)制的植入式自適應(yīng)無線電源傳輸方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
近年來隨著科技發(fā)展，電子信息技術(shù)、自動(dòng)控化技術(shù)與生物、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的融合日漸深入，以生物醫(yī)用為目的的植入式生物醫(yī)用電子學(xué)已成為一個(gè)新興的熱點(diǎn)領(lǐng)域，植入式生物醫(yī)用電子設(shè)備在生物電子和醫(yī)學(xué)診斷等方面的研究扮演著越來越來重要的角色。植入式生物醫(yī)學(xué)電子技術(shù)可以使醫(yī)生對(duì)人體的腦電波、神經(jīng)信號(hào)等生物體的電生理活動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)，在保證醫(yī)生可以對(duì)病人進(jìn)行準(zhǔn)確、可靠治療的同時(shí)，促進(jìn)如人腦控制假肢、修復(fù)脊椎恢復(fù)肢體運(yùn)動(dòng)、癌變腫瘤監(jiān)測(cè)治療、人工視網(wǎng)膜修復(fù)、人工耳蝸等生物醫(yī)學(xué)前沿技·術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，為提高人類對(duì)生物體及自身的認(rèn)識(shí)，提高人類健康水平及促進(jìn)全球生態(tài)和諧發(fā)展與共存起到了重要作用。植入式電子設(shè)備都面臨如何高效、穩(wěn)定地供電這個(gè)關(guān)鍵問題。傳統(tǒng)的辦法是在植入式設(shè)備中內(nèi)置電池或者采用有線供電的技術(shù)手段。采用內(nèi)置電池方式會(huì)使植入式設(shè)備無法獲得長(zhǎng)時(shí)間的使用壽命，而且在植入式設(shè)備體積、電池的化學(xué)污染、生物排異等方面也存在問題；采用有線供電方式會(huì)導(dǎo)致生物體的檢測(cè)創(chuàng)口因長(zhǎng)期保持開放而易受細(xì)菌感染，而且無法對(duì)生物體在無束縛、無麻醉的日常條件下的生物電信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與研究。如果采用無線供電方式，則可以解決上述技術(shù)手段存在的不足，它能夠透過皮膚將能量源源不斷地供應(yīng)給體內(nèi)的植入式電子設(shè)備。因此，業(yè)界迫切需要一種安全、可靠的無線供電技術(shù)，保證與促進(jìn)神經(jīng)科學(xué)、智能假肢、脊椎修復(fù)等生物醫(yī)學(xué)方面的前沿領(lǐng)域向更廣泛、深入的方向發(fā)展。目前，關(guān)于無線電源的傳輸問題國(guó)內(nèi)外均處于起步研究階段，其傳輸可分為三種基本方式，一種是基于傳統(tǒng)電磁波理論，直接將射頻電波通過天線及匹配網(wǎng)絡(luò)整流轉(zhuǎn)化為電能，該方式在無線供電功率方面存在不足，難以用于需要mW級(jí)電能供給的植入式系統(tǒng)中；另一種是利用電磁場(chǎng)共振的方式，雖然此方式在無線傳輸距離上具有優(yōu)勢(shì)，但至少需要4個(gè)大體積的電磁諧振線圈，因此由于體積上的限制，該方法目前還難以用于植入式生物醫(yī)用領(lǐng)域；最后一種是采用得較多的感應(yīng)耦合方案(ICPT)，利用電磁感應(yīng)原理在近距離的耦合線圈之間進(jìn)行能量傳輸，這種方案可以傳輸數(shù)毫瓦至幾十毫瓦的能量，但是發(fā)送距離需要進(jìn)一步提聞?？v觀上述三種無線電源傳輸方式，均存在植入體內(nèi)設(shè)備接收的能量會(huì)隨著無線傳輸距離的變化而變化問題。若接收的能量不足，會(huì)使體內(nèi)植入式電子設(shè)備無法工作。對(duì)此目前的解決辦法是，在體外無線電源發(fā)射端輻射出足夠冗余的無線電能以保證體內(nèi)設(shè)備工作所需，但這樣作極可能導(dǎo)致體內(nèi)設(shè)備接收的電能過剩，使體內(nèi)設(shè)備以過度熱耗散的形式讓生物體組織感到不適，甚至造成生物體組織損壞。
本專利申請(qǐng)主要針對(duì)如腦電、神經(jīng)及生物電行為信號(hào)的無線采集與監(jiān)控、智能假肢、脊椎修復(fù)、膀胱刺激等生物醫(yī)用植入式電子設(shè)備的無線供電需求，采用一種新的技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)無線供電功率的自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能，保證生物醫(yī)用植入式設(shè)備安全、可靠地工作，并與生物體和諧共存，推動(dòng)我國(guó)尖端生物醫(yī)療電子方面自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種基于PWM (脈寬調(diào)制)誤差采樣與LSK (負(fù)載鍵控)調(diào)制無線反饋機(jī)制的植入式自適應(yīng)無線電源傳輸方法及系統(tǒng)，以便安全、可靠地滿足生物醫(yī)用植入式電子設(shè)備及系統(tǒng)所需的無線供電需求，具體技術(shù)方案如下。植入式自適應(yīng)無線電源傳輸方法，該方法基于PWM誤差采樣與LSK調(diào)制，通過一個(gè)體外無線電源發(fā)射單元及一個(gè)體內(nèi)的無線電源接收與恢復(fù)單元實(shí)現(xiàn)，體外無線電源發(fā)射單元發(fā)射的能量通過無線電磁耦合方式傳遞到體內(nèi)；體內(nèi)的無線電源接收與恢復(fù)單元將無線電能恢復(fù)為直流電源，為體內(nèi)其他植入設(shè)備供電；由傳輸距離變化及負(fù)載變化引起的直流 電源的波動(dòng)變化量通過PWM誤差采樣與LSK調(diào)制技術(shù)無線反饋到體外無線電源發(fā)射單元，并通過體外LSK解調(diào)與嵌入的MCU數(shù)字控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)根據(jù)植入體內(nèi)設(shè)備對(duì)所需電量的變化進(jìn)行體外無線電源發(fā)射功率的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。實(shí)現(xiàn)所述傳輸方法的植入式自適應(yīng)無線電源傳輸系統(tǒng)，包括體外無線電源發(fā)射單元及體內(nèi)無線電源接收與恢復(fù)單元；所述體外無線電源發(fā)射單元包括本振源、數(shù)控增益功率放大器、體外無線感應(yīng)雙向匹配線圈、LSK解調(diào)電路和嵌入式MCU單元；所述本振源的輸出連接至所述數(shù)控功率放大器的一個(gè)輸入端，所述數(shù)控功率放大器的輸出端連接至所述體外無線感應(yīng)雙向匹配線圈的輸入端，所述體外無線感應(yīng)雙向匹配線圈根據(jù)所述數(shù)控功率放大器的功率向自由空間發(fā)射無線電能；所述體外無線感應(yīng)雙向匹配線圈的采樣端口感應(yīng)到體內(nèi)通過PWM誤差采樣與LSK調(diào)制并無線反饋至體外的反饋信號(hào)，然后輸入至所述LSK解調(diào)電路，所述LSK解調(diào)電路的輸出端連接到所述嵌入式MCU單元，所述嵌入式MCU單元完成PWM解調(diào)與編碼，嵌入式MCU單元的輸出接所述數(shù)控增益功率放大器的另一個(gè)輸入端，對(duì)所述數(shù)控增益功率放大器的輸出功率進(jìn)行數(shù)字控制。進(jìn)一步的，所述體內(nèi)無線電源接收與恢復(fù)單元包括體內(nèi)無線感應(yīng)雙向匹配線圈、全波整流電路、線性穩(wěn)壓電路、PWM誤差采樣電路和LSK調(diào)制電路；所述體外無線電源發(fā)射單元發(fā)射的無線電能通過所述體內(nèi)雙向匹配線圈接收后，輸入至所述全波整流電路，所述全波整流電路的輸出端連接至所述線性穩(wěn)壓電路，所述線性穩(wěn)壓電路輸出植入體內(nèi)設(shè)備所需的直流電源信號(hào)，所述全波整流電路的輸出端同時(shí)連接至所述PWM誤差采樣電路的輸入端，所述PWM誤差采樣電路的輸出端連接至所述LSK調(diào)制電路的輸入端，最終所述LSK調(diào)制電路輸出的反應(yīng)所述全波整流電路輸出變化量的信號(hào)通過所述體內(nèi)雙向匹配線圈無線反饋到所述體外無線電源發(fā)射單元。進(jìn)一步的，所述體外無線感應(yīng)雙向匹配線圈與體內(nèi)無線感應(yīng)雙向匹配線圈中還包括相應(yīng)的匹配諧振網(wǎng)絡(luò)；所述體外無線感應(yīng)雙向匹配線圈向所述體內(nèi)無線感應(yīng)雙向匹配線圈輻射無線電能，并同時(shí)接收所述體內(nèi)無線感應(yīng)匹配線圈無線反饋輻射的LSK調(diào)制信號(hào)。進(jìn)一步的，所述的數(shù)控增益功率放大器包括數(shù)控開關(guān)電源、功率放大電路和串聯(lián)諧振回路，所述數(shù)控開關(guān)電源為所述功率放大電路提供可控的直流電源電壓，通過調(diào)節(jié)所述數(shù)控開關(guān)電源輸出的直流電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)所述功率放大器輸出無線電能信號(hào)功率的控制，所述功率放大器采用D類功放結(jié)構(gòu)工作于開關(guān)狀態(tài)，其輸出端連接到具有阻抗變換與匹配功能的所述串聯(lián)諧振回路。進(jìn)一步的，所述LSK解調(diào) 電路的輸入端連接到所述體外無線感應(yīng)雙向匹配線圈的采樣端口，體內(nèi)無線感應(yīng)匹配線圈無線反饋輻射的LSK調(diào)制信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，并通過模擬信號(hào)放大、濾波、數(shù)字判決處理后產(chǎn)生與所述PWM誤差采樣電路的輸出相對(duì)應(yīng)的PWM誤差采樣
數(shù)字信號(hào)。進(jìn)一步的，所述的嵌入式MCU單元對(duì)數(shù)字信號(hào)占空比計(jì)數(shù)測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)所述PWM誤差采樣數(shù)字信號(hào)的解調(diào)，并對(duì)解調(diào)后的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字編碼，從而調(diào)控所述數(shù)控增益功率放大器的輸出功率，最終使所述的無線電源傳輸系統(tǒng)具有高效、高精度的無線電能輻射功率自適應(yīng)調(diào)控功能。進(jìn)一步的，所述PWM誤差采樣電路，先將所述全波整流電路輸出信號(hào)與預(yù)設(shè)基準(zhǔn)電平進(jìn)行比對(duì)與誤差采樣，隨后通過與三角波的比較判決實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)制；所述PWM誤差采樣電路輸出的信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，其占空比跟隨所述全波整流電路輸出信號(hào)誤差量的變化而變化。進(jìn)一步的，所述的LSK調(diào)制電路受所述PWM誤差采樣電路輸出的數(shù)字信號(hào)控制，其包括串聯(lián)的一個(gè)電容和一個(gè)MOS開關(guān)，串聯(lián)后兩端連接至所述體內(nèi)無線感應(yīng)雙向匹配線圈上，所述MOS開關(guān)受PWM誤差采樣電路輸出的數(shù)字信號(hào)高、低電平控制，控制所述電容是否連接至所述體內(nèi)無線感應(yīng)雙向匹配線圈上，從而改變所述體內(nèi)無線感應(yīng)雙向匹配線圈的諧振頻率，實(shí)現(xiàn)對(duì)所述PWM誤差采樣電路輸出數(shù)字信號(hào)的LSK調(diào)制。上述的植入式自適應(yīng)無線電源傳輸系統(tǒng)中，當(dāng)所述全波整流電路的輸出電壓高于預(yù)設(shè)基準(zhǔn)電平時(shí)，通過所述的PWM誤差采樣電路、LSK調(diào)制電路、體內(nèi)無線感應(yīng)雙向匹配線圈、體外無線感應(yīng)雙向匹配線圈、嵌入式MCU單元構(gòu)成系統(tǒng)無線反饋機(jī)制，控制所述數(shù)控增益功率放大器減小輸出無線電能信號(hào)的輻射功率，從而使所述全波整流電路輸出的電壓降低至預(yù)設(shè)基準(zhǔn)電平值；若所述全波整流電路的輸出電壓低于預(yù)設(shè)基準(zhǔn)電平時(shí)，通過上述系統(tǒng)無線反饋機(jī)制則會(huì)使所述數(shù)控增益功率放大器增大輸出無線電能信號(hào)的輻射功率，從而使所述全波整流電路輸出的電壓升高至預(yù)設(shè)基準(zhǔn)電平，最終解決由于無線電源傳輸距離的變化導(dǎo)致的體外對(duì)植入體內(nèi)設(shè)備供電的不足與過量問題。本發(fā)明提供的基于PWM誤差采樣與LSK調(diào)制的植入式自適應(yīng)無線電源傳輸方法及系統(tǒng)由體外的無線電源發(fā)射部分及體內(nèi)的無線電源接收與恢復(fù)單元組成。系統(tǒng)利用PWM誤差采樣獲得植入體內(nèi)設(shè)備對(duì)所需電源能量的變化情況，通過LSK調(diào)制及無線反饋的方式對(duì)體外發(fā)射部分的無線電源發(fā)射功率進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)。體外本振源產(chǎn)生振蕩信號(hào)，通過數(shù)控增益功率放大器進(jìn)行功率放大，驅(qū)動(dòng)體外無線感應(yīng)雙向匹配線圈向自由空間發(fā)射無線電能；體內(nèi)雙向匹配線圈接收體外發(fā)射的無線電能信號(hào)，通過全波整流電路及線性穩(wěn)壓電路變成穩(wěn)定的直流電源，供植入生物體內(nèi)的電子設(shè)備使用；體內(nèi)全波整流電路的輸出端同時(shí)連接至所述PWM誤差采樣電路的輸入端，當(dāng)體內(nèi)負(fù)載或線圈傳輸距離發(fā)生變化時(shí)，全波整流電路的輸出電平信號(hào)會(huì)發(fā)生變化，PWM誤差采樣電路將全波整流電路輸出的電平信號(hào)與預(yù)設(shè)的基準(zhǔn)電平進(jìn)行比對(duì)并產(chǎn)生一個(gè)誤差量信號(hào)，通過LSK調(diào)制電路調(diào)節(jié)體內(nèi)無線感應(yīng)雙向匹配線圈的諧振頻率，體外無線感應(yīng)雙向匹配線圈感應(yīng)到此諧振頻率的改變，通過LSK解調(diào)電路輸出到嵌入式MCU單元，由嵌入式MCU單元完成PWM解調(diào)與編碼，并對(duì)數(shù)控增益功率放大器的輸出功率進(jìn)行準(zhǔn)確的數(shù)字控制，完成發(fā)射功率的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。若因無線電源傳輸距離等因素發(fā)生變化時(shí)，PWM誤差采樣電路將輸出反應(yīng)全波整流電路輸出的電平信號(hào)與預(yù)設(shè)的基準(zhǔn)電平偏移量的PWM調(diào)制信號(hào)并連接到MOS開關(guān)的柵極。MOS開關(guān)根據(jù)PWM調(diào)制信號(hào)的高低電平變化情況進(jìn)行通斷操作，控制LSK調(diào)制電容是否接入體內(nèi)匹配線圈，使體內(nèi)匹配線圈的諧振頻率發(fā)生變化，對(duì)無線電能的吸收效率也相應(yīng)發(fā)生變化，導(dǎo)致體內(nèi)匹配線圈兩端電壓的幅度隨PWM調(diào)制信號(hào)高低電平變化而變化，完成LSK調(diào)制。隨后，通過體內(nèi)、體外無線感應(yīng)雙向匹配線圈之間的電磁耦合互感，實(shí)現(xiàn)將體內(nèi)LSK調(diào)制后的PWM誤差采樣信號(hào)無線反饋到體外無線電源發(fā)射單元。本發(fā)明提供的無線電源傳輸系統(tǒng)，如選用的載波為ISM頻段的13. 56MHz正弦波，PWM誤差采樣頻率為IOOKHz，在直線距離8cm情況下，可提供IOOmW的無線電能供給。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)效果由于本發(fā)明采用PWM技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)植入體內(nèi)無線電源接收與恢復(fù)單元輸出電壓的誤差采樣，從而降低了植入體內(nèi)電路的復(fù)雜度；通過LSK調(diào)制技術(shù)與無線反饋機(jī)制，使體外無線供電功率能根據(jù)植入體內(nèi)設(shè)備對(duì)電能的需求量而進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，避免了由于無線電源傳輸距離等因素的變化導(dǎo)致的體外對(duì)植入體內(nèi)設(shè)備供電的不足與過量，及嚴(yán)重時(shí)造成生物體組織損壞等問題。因此，本發(fā)明具有較高的可靠性及安全性，適合于生物醫(yī)用植入式設(shè)備的無線供電。另外，除無線感應(yīng)雙向匹配線圈外，系統(tǒng)可以用集成電路CMOS工藝實(shí)現(xiàn)，適合于SOC芯片集成，具有良好的應(yīng)用價(jià)值。


圖I為基于PWM誤差采樣與LSK調(diào)制的植入式自適應(yīng)無線電源傳輸方法及系統(tǒng)框圖。圖2為圖I中PWM誤差采樣電路的原理框圖。圖3為圖I中LSK調(diào)制電路簡(jiǎn)化示意圖。圖4為圖I中LSK調(diào)制及無線反饋環(huán)路波形示意圖。圖5為圖I無線電源傳輸系統(tǒng)的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。參照?qǐng)DI，基于PWM (脈寬調(diào)制)誤差采樣與LSK (負(fù)載鍵控)調(diào)制的植入式自適應(yīng)無線電源傳輸系統(tǒng)由生物體外無線電源發(fā)射單元及生物體內(nèi)的無線電源接收與恢復(fù)單元組成。生物體外的無線電源發(fā)射部分包括本振源11、數(shù)控增益功率放大器12、體外無線感應(yīng)雙向匹配線圈13、LSK解調(diào)電路14、嵌入式MCU單元15。本振源11的輸出連接至數(shù)控功率放大器12的一個(gè)輸入端，數(shù)控功率放大器12的輸出端連接至體外無線感應(yīng)雙向匹配線圈13的輸入端，體外無線感應(yīng)雙向匹配線圈13的采樣端口連接至LSK解調(diào)電路14的輸入端，LSK解調(diào)電路14的輸出端連接至嵌入式MCU單元15的輸入端，嵌入式MCU單元15完成PWM解調(diào)與編碼，并對(duì)數(shù)控增益功率放大器12的輸出功率進(jìn)行數(shù)字控制。生物體內(nèi)的無線電源接收與恢復(fù)單元包括體內(nèi)無線感應(yīng)雙向匹配線圈16、全波整流電路17、線性穩(wěn)壓電路18、PWM誤差采樣電路19、LSK調(diào)制電路110。體外無線電源發(fā)射單元發(fā)射的無線電能WP通過體內(nèi)無線感應(yīng)雙向匹配線圈16接收后，輸入到全波整流電路17，全波整流電路17的輸出端連接至線性穩(wěn)壓電路18的輸入端，線性穩(wěn)壓電路18輸出植入體內(nèi)設(shè)備所需的直流電源，全波整流電路17的輸出端同時(shí)連接至PWM誤差采樣電路19的輸入端，PWM誤差采樣電路19的輸出端連接至LSK調(diào)制電路110的輸入端，最終LSK調(diào)制電路110輸出的反應(yīng)全波整流電路17輸出誤差量的信號(hào)通過體內(nèi)無線感應(yīng)雙向匹配線 圈16無線反饋到體外無線電源發(fā)射單元。
圖I中信號(hào)流程為
1.本振源11產(chǎn)生的振蕩信號(hào)K進(jìn)入數(shù)控增益功率放大器12；
2.數(shù)控增益功率放大器12對(duì)振蕩信號(hào)％進(jìn)行功率放大后得到信號(hào)％，并通過體外無
線感應(yīng)雙向匹配線圈13向自由空間發(fā)射無線電能WP (對(duì)植入生物體內(nèi)電子設(shè)備進(jìn)行電能供給);
3.通過體內(nèi)無線感應(yīng)雙向匹配線圈16,將無線空間存在的無線電能信號(hào)WP轉(zhuǎn)換為有線交變電信4 中輸入到全波整流電路17，交變信號(hào)義被初步轉(zhuǎn)換為直流電平信號(hào)七(該直流電平存在電壓波動(dòng)，隨無線電源傳輸距離等因素變化);
4.全波整流電路17輸出的電平信號(hào)七送入線性穩(wěn)壓電路18，進(jìn)行穩(wěn)壓、電壓紋波抑制與降噪處理，產(chǎn)生穩(wěn)定的直流電壓源輸出，供植入生物體內(nèi)的電子設(shè)備使用；
5.PWM誤差采樣電路19將全波整流電路17輸出的信號(hào)與預(yù)設(shè)的基準(zhǔn)電平進(jìn)行比
對(duì)，比對(duì)后的誤差量信號(hào)經(jīng)過PWM調(diào)制后輸出PWM誤差采樣信號(hào)士胃；
6.LSK調(diào)制電路110以調(diào)節(jié)體內(nèi)無線感應(yīng)雙向匹配線圈16諧振頻率的方式，將PWM誤差采樣信號(hào)士胃加載到體內(nèi)無線感應(yīng)雙向匹配線圈16上，完成LSK調(diào)制；
7.體內(nèi)無線感應(yīng)雙向匹配線圈16，以互感的形式將經(jīng)過LSK調(diào)制后的PWM誤差采樣信號(hào)4傳遞到體外無線感應(yīng)雙向匹配線圈13上；
8.LSK解調(diào)電路14從體外無線感應(yīng)雙向匹配線圈13的采樣端口里獲得信號(hào)4，對(duì)其解調(diào)后輸出的信號(hào)送入到嵌入式MCU單元15 ；
9.嵌入式MCU單元15完成對(duì)信號(hào)胃的PWM解調(diào)與數(shù)控編碼，并對(duì)數(shù)控增益功率放大器12的輸出功率進(jìn)行精準(zhǔn)的數(shù)字調(diào)節(jié)。10. 通過體內(nèi)PWM誤差采樣電路19、LSK調(diào)制電路110、體內(nèi)無線感應(yīng)雙向匹配線圈16、體外無線感應(yīng)雙向匹配線圈13、LSK解調(diào)電路14、嵌入式MCU單元15、數(shù)控增益功率放大器12，構(gòu)成了一條系統(tǒng)無線反饋機(jī)制FB，實(shí)現(xiàn)了體內(nèi)無線電源接收與恢復(fù)單元對(duì)體外無線電源發(fā)射單元無線供電功率的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。
所述本振源11所產(chǎn)生的本振信號(hào)可以是正弦信號(hào)或占空比50%數(shù)字矩形波信號(hào)。所述數(shù)控增益功率放大器12由數(shù)控開關(guān)電源、功率放大電路、串聯(lián)諧振回路組成，其中功率放大電路采用D類開關(guān)功放結(jié)構(gòu)，并由數(shù)控開關(guān)電源為其提供可控的直流源電壓；根據(jù)嵌入式MCU單元15輸出的數(shù)控編碼vb，可以對(duì)數(shù)控開關(guān)電源的輸出直流電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而改變功率放大電路的電源電壓，達(dá)到對(duì)功率放大電路輸出功率進(jìn)行數(shù)控調(diào)節(jié)的目的；最終，通過具有阻抗變換與匹配功能的串聯(lián)諧振回路將功率放大電路輸出的功率
放大信號(hào)％加載到體外無線感應(yīng)雙向匹配線圈13上，實(shí)現(xiàn)對(duì)自由空間輻射無線電能信號(hào)WP。 由于無線電能傳輸距離減小等因素，可能會(huì)造成全波整流電路17整流輸出的電
平信號(hào)4過高，即供給功率過量(功率超過線性穩(wěn)壓電路18及與其相連接的后續(xù)植入式電
子設(shè)備所需)。過量的功率以熱耗散的形式被生物體組織吸收，讓被植入生物體組織感到不適，甚至造成損傷；若無線電能傳輸距離增大，則可能會(huì)造成全波整流電路17輸出功率及
電平七過低，使線性穩(wěn)壓電路18及與其相連的后續(xù)植入式電子設(shè)備停止工作。因此，需嵌
入所述系統(tǒng)反饋機(jī)制FB，通過PWM誤差采樣及LSK調(diào)制解決上述問題。參照?qǐng)D2，PWM誤差采樣電路19包括電壓基準(zhǔn)電路21、三角波產(chǎn)生電路22、運(yùn)算
放大電路23、PWM比較器24。運(yùn)算放大電路23對(duì)全波整流電路17輸出電平+和電壓基準(zhǔn)電路21輸出的預(yù)設(shè)基準(zhǔn)電平Uref之間的誤差量進(jìn)行誤差采樣與緩沖放大得到信號(hào)％ ；PWM比較器24對(duì)三角波產(chǎn)生電路22輸出的三角波^與4進(jìn)行比較與判決，輸出脈沖寬度占空比與誤差量信息(七-Uref )成正比的信號(hào)；隨后，此七胃信號(hào)通過LSK調(diào)制電路110加載到體內(nèi)無線感應(yīng)雙效匹配線圈16上。參照?qǐng)D3、圖4，LSK調(diào)制電路110的核心單元由一個(gè)電容€^和一個(gè)MOS開*Ml串聯(lián)組成，并連接在體內(nèi)無線感應(yīng)雙向匹配線圈16上，R1、L1與Cl分別是所述體內(nèi)無線感應(yīng)雙向匹配線圈16的寄生電阻、等效電感與電容。PWM調(diào)制信號(hào)士胃連接到MOS開關(guān)的柵
極，當(dāng)^ 為低電平時(shí)MOS開關(guān)關(guān)斷，使體內(nèi)匹配線圈16諧振頻率為體外匹配線圈13
發(fā)射的中心頻率化，當(dāng)％胃為高電平時(shí)MOS開關(guān)Mli導(dǎo)通，電容4接入體內(nèi)匹配線圈16，使體內(nèi)匹配線圈16諧振頻率發(fā)生偏移。如圖4所示，若無LSK調(diào)制時(shí)，體外匹配線圈13發(fā)射中心頻率為fc、幅值恒定的理想信號(hào)。當(dāng)PWM調(diào)制信號(hào)％胃為低電平時(shí)(圖4中wl段)，電
容ci·未接入，體內(nèi)匹配線圈16諧振頻率與體外匹配線圈13發(fā)射的中心頻率fc相同，此時(shí)體內(nèi)匹配線圈16對(duì)體外匹配線圈13發(fā)射的固定頻率為fc的無線電能信號(hào)WP的吸收效率高，體內(nèi)匹配線圈16兩端產(chǎn)生的電Suw的幅度較高；當(dāng)PWM調(diào)制信號(hào)七胃為高電平時(shí)(圖
4中w2段)，電容Ct接入，體內(nèi)匹配線圈16諧振頻率發(fā)生偏移，體內(nèi)匹配線圈16對(duì)體外匹配線圈13發(fā)射的固定頻率為fc的無線電能信號(hào)WP的吸收效率降低，體內(nèi)匹配線圈16兩端產(chǎn)生的電壓《 的幅度降低；體內(nèi)無線感應(yīng)雙向匹配線圈16兩端電壓Uw的幅度隨信號(hào) 職高低電平變化而變化，LSK調(diào)制完成。隨后,通過所述體內(nèi)無線感應(yīng)雙向匹配線圈16、體外無線感應(yīng)雙向匹配線圈13之間的電磁耦合互感，實(shí)現(xiàn)將體內(nèi)LSK調(diào)制后的PWM誤差采樣信號(hào)無線反饋到體外無線電源
發(fā)射單元，使體外匹配線圈13的采樣端口輸出信號(hào)4的幅值隨PWM高低電平的變化而變化。最后，體外的LSK解調(diào)電路14對(duì)體外匹配線圈13的采樣端口輸出的信號(hào)4進(jìn)行LSK解調(diào)，然后將解調(diào)后信號(hào)Upwm送入嵌入式MCU單元并完成誤差信號(hào)量的數(shù)字提取，根據(jù)不同的脈沖寬度(如圖4所示的w2、w3)調(diào)控所述數(shù)控增益功率放大器12的輸出信號(hào)士的
功率，最終使所述體內(nèi)全波整流電路17輸出電平七向Urf逼近，實(shí)現(xiàn)體外無線電源發(fā)射單
元無線供電功率的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，解決由于無線電源傳輸距離等因素變化而導(dǎo)致的體外對(duì)植入體內(nèi)設(shè)備供電的不足與過量問題。圖5為圖I基于PWM誤差采樣與LSK調(diào)制的植入式自適應(yīng)無線電源傳輸方法及系統(tǒng)的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例，圖5中52、53分別為所述無線電源傳輸系統(tǒng)的體外無線電源發(fā)射單元及體內(nèi)無線電源接收與恢復(fù)單元，與植入體內(nèi)的膀胱刺激設(shè)備54及體外的膀胱刺激控制器51 —起構(gòu)成完整的植入式生物醫(yī)用小便失禁修復(fù)系統(tǒng)，該植入式生物醫(yī)用系統(tǒng)被具有良好生物相容性的生物硅膠設(shè)計(jì)的保護(hù)殼封裝后，植入到被實(shí)驗(yàn)的狗膀胱控制神經(jīng)位置。本實(shí)例中體外、體內(nèi)無線感應(yīng)雙向匹配線圈均調(diào)諧到13. 56MHz的諧振頻率。參照?qǐng)D5，生物體外的膀胱刺激控制器51控制體外無線電源發(fā)射單元52是否向空間輻射無線電能信號(hào)WP ;體內(nèi)的無線電源接收與恢復(fù)單元53對(duì)空間輻射的無線電能進(jìn)行接收，并恢復(fù)為體內(nèi)膀胱刺激設(shè)備54所需的直流電源電壓，從而啟動(dòng)膀胱刺激設(shè)備54進(jìn)行對(duì)膀胱控制神經(jīng)的刺激操作。當(dāng)狗自身移動(dòng)或者其他原因?qū)е麦w外到體內(nèi)無線電源傳輸距離變化時(shí)，通過所述的體內(nèi)PWM誤差采樣電路、LSK調(diào)制電路、體內(nèi)無線感應(yīng)雙向匹配線圈、體外無線感應(yīng)雙向匹配線圈、LSK解調(diào)電路、嵌入式MCU單元、數(shù)控增益功率放大器構(gòu)成的一條系統(tǒng)無線反饋機(jī)制，實(shí)現(xiàn)體外無線電源發(fā)射單元52無線供電功率的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，使所述植入生物醫(yī)用系統(tǒng)獲得的電能趨于穩(wěn)定，避免因過度發(fā)熱對(duì)生物體組織造成的傷害，保證所述植入式膀胱刺激設(shè)備得以持續(xù)、可靠、安全的工作。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明所公開的一種基于PWM (脈寬調(diào)制)誤差采樣與LSK (負(fù)載鍵控)調(diào)制的植入式自適應(yīng)無線電源傳輸方法及系統(tǒng)可以在不脫離本發(fā)明內(nèi)容的基礎(chǔ)上做出各種改進(jìn)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)由所附的權(quán)利要求書的內(nèi)容確定。
權(quán)利要求
1.植入式自適應(yīng)無線電源傳輸方法，其特征在在于該方法基于PWM誤差采樣與LSK調(diào)制，通過一個(gè)體外無線電源發(fā)射單元及一個(gè)體內(nèi)的無線電源接收與恢復(fù)單元實(shí)現(xiàn)，體外無線電源發(fā)射單元發(fā)射的能量通過無線電磁耦合方式傳遞到體內(nèi)；體內(nèi)的無線電源接收與恢復(fù)單元將無線電能恢復(fù)為直流電源，為體內(nèi)其他植入設(shè)備供電；由傳輸距離變化及負(fù)載變化引起的直流電源的波動(dòng)變化量通過PWM誤差采樣與LSK調(diào)制技術(shù)無線反饋到體外無線電源發(fā)射單元，并通過體外LSK解調(diào)與嵌入的MCU數(shù)字控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)根據(jù)植入體內(nèi)設(shè)備對(duì)所需電量的變化進(jìn)行體外無線電源發(fā)射功率的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。
2.實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求I所述傳輸方法的植入式自適應(yīng)無線電源傳輸系統(tǒng)，其特征在于包括體外無線電源發(fā)射單元及體內(nèi)無線電源接收與恢復(fù)單元，所述體外無線電源發(fā)射單元包括本振源、數(shù)控增益功率放大器、體外無線感應(yīng)雙向匹配線圈、LSK解調(diào)電路和嵌入式MCU 單元；所述本振源的輸出連接至所述數(shù)控功率放大器的一個(gè)輸入端，所述數(shù)控功率放大器的輸出端連接至所述體外無線感應(yīng)雙向匹配線圈的輸入端，所述體外無線感應(yīng)雙向匹配線圈根據(jù)所述數(shù)控功率放大器的功率向自由空間發(fā)射無線電能；所述體外無線感應(yīng)雙向匹配線圈的采樣端口感應(yīng)到體內(nèi)通過PWM誤差采樣與LSK調(diào)制并無線反饋至體外的反饋信號(hào)，然后輸入至所述LSK解調(diào)電路，所述LSK解調(diào)電路的輸出端連接到所述嵌入式MCU單元，所述嵌入式MCU單元完成PWM解調(diào)與編碼，嵌入式MCU單元的輸出接所述數(shù)控增益功率放大器的另一個(gè)輸入端，對(duì)所述數(shù)控增益功率放大器的輸出功率進(jìn)行數(shù)字控制。
3.如權(quán)利要求2所述的植入式自適應(yīng)無線電源傳輸系統(tǒng)，其特征在于所述體內(nèi)無線電源接收與恢復(fù)單元包括體內(nèi)無線感應(yīng)雙向匹配線圈、全波整流電路、線性穩(wěn)壓電路、PWM誤差采樣電路和LSK調(diào)制電路；所述體外無線電源發(fā)射單元發(fā)射的無線電能通過所述體內(nèi)雙向匹配線圈接收后，輸入至所述全波整流電路，所述全波整流電路的輸出端連接至所述線性穩(wěn)壓電路，所述線性穩(wěn)壓電路輸出植入體內(nèi)設(shè)備所需的直流電源信號(hào)，所述全波整流電路的輸出端同時(shí)連接至所述PWM誤差采樣電路的輸入端，所述PWM誤差采樣電路的輸出端連接至所述LSK調(diào)制電路的輸入端，最終所述LSK調(diào)制電路輸出的反應(yīng)所述全波整流電路輸出變化量的信號(hào)通過所述體內(nèi)雙向匹配線圈無線反饋到所述體外無線電源發(fā)射單元。
4.如權(quán)利要求3所述的植入式自適應(yīng)無線電源傳輸系統(tǒng)，其特征在于所述體外無線感應(yīng)雙向匹配線圈與體內(nèi)無線感應(yīng)雙向匹配線圈中還包括相應(yīng)的匹配諧振網(wǎng)絡(luò)；所述體外無線感應(yīng)雙向匹配線圈向所述體內(nèi)無線感應(yīng)雙向匹配線圈輻射無線電能，并同時(shí)接收所述體內(nèi)無線感應(yīng)匹配線圈無線反饋輻射的LSK調(diào)制信號(hào)。
5.如權(quán)利要求3所述的植入式自適應(yīng)無線電源傳輸系統(tǒng)，其特征在于所述的數(shù)控增益功率放大器包括數(shù)控開關(guān)電源、功率放大電路和串聯(lián)諧振回路，所述數(shù)控開關(guān)電源為所述功率放大電路提供可控的直流電源電壓，通過調(diào)節(jié)所述數(shù)控開關(guān)電源輸出的直流電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)所述功率放大器輸出無線電能信號(hào)功率的控制，所述功率放大器采用D類功放結(jié)構(gòu)工作于開關(guān)狀態(tài)，其輸出端連接到具有阻抗變換與匹配功能的所述串聯(lián)諧振回路。
6.如權(quán)利要求3所述的植入式自適應(yīng)無線電源傳輸系統(tǒng)，其特征還在于所述LSK解調(diào)電路的輸入端連接到所述體外無線感應(yīng)雙向匹配線圈的采樣端口，體內(nèi)無線感應(yīng)匹配線圈無線反饋輻射的LSK調(diào)制信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，并通過模擬信號(hào)放大、濾波、數(shù)字判決處理后產(chǎn)生與所述PWM誤差采樣電路的輸出相對(duì)應(yīng)的PWM誤差采樣數(shù)字信號(hào)。
7.如權(quán)利要求3所述的植入式自適應(yīng)無線電源傳輸系統(tǒng)，其特征還在于所述的嵌入式MCU單元對(duì)數(shù)字信號(hào)占空比計(jì)數(shù)測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)所述PWM誤差采樣數(shù)字信號(hào)的解調(diào)，并對(duì)解調(diào)后的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字編碼，從而調(diào)控所述數(shù)控增益功率放大器的輸出功率。
8.如權(quán)利要求3所述的植入式自適應(yīng)無線電源傳輸系統(tǒng)，其特征在于所述PWM誤差采樣電路，先將所述全波整流電路輸出信號(hào)與預(yù)設(shè)基準(zhǔn)電平進(jìn)行比對(duì)與誤差采樣，隨后通過與三角波的比較判決實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)制；所述PWM誤差采樣電路輸出的信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，其占空比跟隨所述全波整流電路輸出·信號(hào)誤差量的變化而變化。
9.如權(quán)利要求3所述的植入式自適應(yīng)無線電源傳輸系統(tǒng)，其特征還在于所述的LSK調(diào)制電路受所述PWM誤差采樣電路輸出的數(shù)字信號(hào)控制，其包括串聯(lián)的一個(gè)電容和一個(gè)MOS開關(guān)，串聯(lián)后兩端連接至所述體內(nèi)無線感應(yīng)雙向匹配線圈上，所述MOS開關(guān)受PWM誤差采樣電路輸出的數(shù)字信號(hào)高、低電平控制，控制所述電容是否連接至所述體內(nèi)無線感應(yīng)雙向匹配線圈上，從而改變所述體內(nèi)無線感應(yīng)雙向匹配線圈的諧振頻率，實(shí)現(xiàn)對(duì)所述PWM誤差采樣電路輸出數(shù)字信號(hào)的LSK調(diào)制。
10.如權(quán)利要求2所述的植入式自適應(yīng)無線電源傳輸系統(tǒng)，其特征在于當(dāng)所述全波整流電路的輸出電壓高于預(yù)設(shè)基準(zhǔn)電平時(shí)，通過所述的PWM誤差采樣電路、LSK調(diào)制電路、體內(nèi)無線感應(yīng)雙向匹配線圈、體外無線感應(yīng)雙向匹配線圈、嵌入式MCU單元構(gòu)成系統(tǒng)無線反饋機(jī)制，控制所述數(shù)控增益功率放大器減小輸出無線電能信號(hào)的輻射功率，從而使所述全波整流電路輸出的電壓降低至預(yù)設(shè)基準(zhǔn)電平值；若所述全波整流電路的輸出電壓低于預(yù)設(shè)基準(zhǔn)電平時(shí)，通過上述系統(tǒng)無線反饋機(jī)制則會(huì)使所述數(shù)控增益功率放大器增大輸出無線電能信號(hào)的輻射功率，從而使所述全波整流電路輸出的電壓升高至預(yù)設(shè)基準(zhǔn)電平。
全文摘要
本發(fā)明公開植入式自適應(yīng)無線電源傳輸方法及系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括體外無線電源發(fā)射單元及體內(nèi)無線電源接收與恢復(fù)單元。所述傳輸方法中，體外無線電源發(fā)射單元發(fā)射的能量通過無線電磁耦合方式傳遞到體內(nèi)；體內(nèi)的無線電源接收與恢復(fù)單元將無線電能恢復(fù)為直流電源；直流電源的波動(dòng)變化量通過PWM誤差采樣與LSK調(diào)制技術(shù)無線反饋到體外無線電源發(fā)射單元，并通過體外LSK解調(diào)與嵌入的MCU數(shù)字控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)根據(jù)植入體內(nèi)設(shè)備對(duì)所需電量的變化進(jìn)行體外無線電源發(fā)射功率的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。本發(fā)明避免由于無線電源傳輸距離的變化導(dǎo)致的體外對(duì)植入體內(nèi)設(shè)備供電的不足與過量問題，提高了供電的可靠性及安全性，更加適合于生物醫(yī)用植入式設(shè)備的無線供電。
文檔編號(hào)H02J17/00GK102832722SQ20121032015
公開日2012年12月19日 申請(qǐng)日期2012年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月31日
發(fā)明者吳朝暉, 趙明劍, 李斌, 黃穗彪 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)