一種穿戴式無線傳能裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種向生物體內無線傳能的裝置和方法，尤其涉及一種穿戴式無線傳能裝置和方法。
【背景技術】
[0002]近年來，植入式有源醫(yī)療器械呈蓬勃發(fā)展之勢。按所消耗的功率劃分，可分為低功耗、中功耗、大功耗三種。低功耗的設備如心臟起搏器、神經刺激器、人工耳蝸等，其功耗一般在100毫瓦以下。中功耗的如腸道機器人、人工心臟、植入式透析設備等，功耗一般在10瓦特以下。大功耗的如人工假肢，功耗一般要上百瓦特。
[0003]目前植入式有源醫(yī)療器械的能量供給方式有電池供電、經皮電纜供電、無線傳能等方法。電池供電往往用在便攜式場合，但電池的續(xù)航能力和壽命僅為3-5年，到期要手術置換，對病人來說都是巨大的精神、身體和經濟負擔。人工心臟的經皮電纜供電有20%的概率引起感染，日常生活和愈后效果也不理想。對于有源植入式醫(yī)療器械而言，無線傳能被認為是最有潛力的技術方向。
[0004]在工業(yè)和消費領域，無線傳能技術發(fā)展了很多年后日臻成熟，很多場合都開始應用，如電動牙刷、手機。不過，面向有源植入式醫(yī)療器械的無線傳能卻還不完善。有源植入式醫(yī)療器械的微功耗無線傳能實現起來比較容易，但中功耗及以上的無線傳能還存在許多工程和臨床問題，如無線傳能裝置的功率、效率、體積、人體活動的影響、生物介質內的傳播特性、對生物組織的影響等。雖然存在很多能夠實現無線傳能的物理過程，但對于中功率植入式醫(yī)療器械(如人工心臟)而言，經過大量研宄實踐，目前普遍認為交變磁場是首選傳能媒介，線圈間近場磁感應耦合是主要實現方式。人工心臟、膠囊內窺鏡等植入/攝入式醫(yī)療裝置是無線傳能的典型應用案例。
[0005]以人工心臟為例，經皮變壓器傳能(Transcutaneousenergy transmiss1n,TET)是目前研宄最多的無線傳能方案。常見的人工心臟TET無線傳能系統(tǒng)包括體外部分的電池、驅動器和發(fā)射線圈，植入體內的部分的接收線圈、電池和人工心臟血泵。能量通過發(fā)射線圈和接收線圈之間的局部經皮磁感應耦合傳輸。經皮位置常常選擇胸部或者兩肋的皮膚。經皮處尺寸一般小于10厘米。
[0006]十多年來，TET相關基本理論已經成熟，目前主要研宄方向側重于系統(tǒng)改良，如線圈對不準的影響，磁芯和線圈的結構尺寸優(yōu)化，最大效率跟蹤方法，溫升對組織的損傷及溫升控制方法。作為目前為止研宄最多的人工心臟無線傳能方案，TET避免了使用經皮電纜，傳能效率也能滿足人工心臟的需求。但臨床試驗中TET卻暴露出不少新問題，可總結為四個方面:
[0007](I) TET可靠性不高
[0008]變壓器設計思想決定了 TET傳能距離非常有限，可患者活動時，體外部分容易錯位或意外脫落，長期使用后，體內線圈會逐漸嵌入皮下太深，兩種情況都導致傳能效率降低甚至失效，因此無法保證不間斷傳能。
[0009](2) TET系統(tǒng)植入性差
[0010]由于傳能不可靠，患者體內需要植入電池。TET體內線圈直徑較大(5?10CM)。植入電池和體內線圈造成整體植入部分體積遠大于經皮電纜方案，植入性很差。
[0011](3) TET整體耐久性差
[0012]體內植入電池的壽命僅為3-5年，到期必須手術更換電池。由于體內部件、線纜和接頭復雜，在長期使用過程中極易發(fā)生斷線、泄漏、絕緣等問題，因此系統(tǒng)整體耐久性很差。
[0013](4) TET經皮處皮膚溫升過高
[0014]TET是通過局部經皮磁感應方式傳能的，經皮處皮膚在皮下皮表線圈的壓迫下血流不暢，皮下皮表又被發(fā)熱線圈覆蓋，極易積累熱量溫升過高，引起并發(fā)癥。當距離變大時傳能效率急劇降低，發(fā)熱更為嚴重。
[0015]總體來看，由于TET系統(tǒng)目前還存在可靠性不高、植入性差、耐久性差、經皮處皮膚溫升過高等問題，迄今為止，TET技術仍舊不能滿足中功率有源植入式醫(yī)療器械的臨床需求，以至于絕大多數中功率應用(如人工心臟)中仍然采用傳統(tǒng)的經皮電纜能量供給方案。
【實用新型內容】
[0016]為解決上述技術問題，本實用新型的目的是提供一種穿戴式無線傳能裝置和方法，能夠穿戴于身上，避免脫落，保證身體內部任何位置都能接收到能量。
[0017]本實用新型提出的一種穿戴式無線傳能裝置，包括一穿戴于體外的組件和一植入體內的組件，其特征在于:所述穿戴于體外的組件包含:發(fā)射線圈、換能器、固定帶和體外電源，所述換能器固定在所述固定帶上，所述換能器與所述體外電源電性聯通，所述發(fā)射線圈與所述換能器電性聯通；所述植入體內的組件包含:接收器和體內負載，所述接收器與所述體內負載電性聯通。
[0018]作為本實用新型的進一步改進，所述發(fā)射線圈為一空間多維線圈，所述空間多維線圈圍成至少一個三維區(qū)域。
[0019]作為本實用新型的進一步改進，所述發(fā)射線圈由八段導線連接組成，總共構成六個環(huán)形線圈。
[0020]作為本實用新型的進一步改進，所述發(fā)射線圈設有至少2組互為冗余備份的導線，所述發(fā)射線圈上設有至少兩個互為冗余備份的電性連接口。
[0021]作為本實用新型的進一步改進，所述換能器設有至少兩個互為冗余備份的單元，每個單元都獨立的與發(fā)射線圈某一導線電性連接，每個單元都設有一個與體外電源電性的接口和一個與發(fā)射線圈電性連接的接口。
[0022]作為本實用新型的進一步改進，所述發(fā)射線圈和所述換能器之間設有第一電纜，所述第一電纜的一端電性連接在所述發(fā)射線圈上，另一端電性連接在所述換能器上，所述換能器與所述體外電源之間設有第二電纜，所述第二電纜的一端電性連接在所述換能器上，另一端電性連接在所述體外電源上。
[0023]作為本實用新型的進一步改進，所述接收器與所述體內負載之間設有一第三電纜，所述第三電纜的一端電性連接在所述接收器上，另一端電性連接在所述體內負載上。
[0024]本實用新型提出的一種穿戴式無線傳能方法，該方法的原理是通過穿戴在身體上的發(fā)射線圈，使身體周圍產生交變磁場，以交變磁場作為能量傳遞的媒介，使處于身體內部的接收器都可以接收到能量，通過換能器改變發(fā)射線圈中的電流，從而改變交變磁場的方向和大小，其特征在于:包括以下步驟:
[0025](I)所述的換能器通電后，向所述發(fā)射線圈中的至少三個不同方向的線圈中依次通入交變電流，檢測在每個線圈中產生的能量，減去線圈自身損失的能量，得到每個線圈所發(fā)送并被接收器獲取的能量；
[0026](2)所述的換能器根據至少三個不同方向的線圈中發(fā)送出去的能量，計算出在哪個方向上發(fā)送出去的能量最多；
[0027](3)所述的換能器控制至少三個不同方向的線圈中的電流，使之產生的磁場方向為發(fā)送能量最多的方向。
[0028]作為本實用新型的進一步改進，所述交變磁場覆蓋所述發(fā)射線圈所包圍的三維空間區(qū)域，所述交變磁場的為近場，所述交變磁場的波長大于發(fā)射線圈尺寸的十倍。
[0029]作為本實用新型的進一步改進，所述發(fā)射線圈與所述換能器之間有能量傳遞，所述能量傳遞由所述換能器上的電子開關的開關相位和時間來控制，所述的能量傳遞是雙向的。
[0030]作為本實用新型的進一步改進，所述的發(fā)射線圈通過磁感應的方式與所述交變磁場進行能量交換。
[0031]作為本實用新型的進一步改進，所述的接收器通過磁感應的方式與所述交變磁場進行能量交換。
[0032]作為本實用新型的進一步改進，所述發(fā)射線圈和所述接收器之間的能量交換是雙向的。
[0033]借由上述方案，本實用新型至少具有以下優(yōu)點:利用穿戴式線圈穿戴于人體的體表，在與人體相當的空間范圍內產生近似均勻的交變磁場作為換能媒介，保證處于人體內部任何位置的能量接收器都可以接收到能量。穿戴式發(fā)射線圈的柔性特征保證發(fā)射線圈可以貼伏與人體的體表，可以使用人體的體型差異，并可以隨人體的活動變形適應。穿戴式發(fā)射線圈是一個多維度線圈，可以在空間中產生任意方向的磁場，以保證向體內的接收器可靠的供給能量。穿戴式無線傳能線圈具有冗余備份，長期使用后如果部分導線斷裂，換能器可以及時診斷出來。同時，換能器有兩個相同的備份，任意一個都可以提供相應的功能。無線傳能裝置的單一故障不會引發(fā)傳能失效，具有極高的可靠性。因此，體內植入部分不用電池，結構緊湊，具有優(yōu)異的可植入性。由于體內電纜和接頭可以大幅度減少甚至取消，也不存在壽命有限的電池，所以具有很好的耐久性，分散了發(fā)熱面積，不會造成局部溫升過高，裝置發(fā)熱很容易被人體散發(fā)，避免了局部經皮傳能溫升問題。
[0034]上述說明僅是本實用新型技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本實用新型的技術手段，并可依照說明書的內容予以實施，以下以本實用新型的較佳實施例并配合附圖詳細說明如后。
【附圖說明】
[0035]圖1是本實用新型一種穿戴式無線傳能裝置實施例一的結構示意圖；
[0036]圖2是本實用新型一種穿戴式無線傳能裝置實施例二的結構示意圖；
[0037]圖3是本實用新型一種穿戴式無線傳能裝置實施例三的結構示意圖；
[0038]其中:101-發(fā)射線圈；201-換能器；301-固定帶；401_第一電纜；402_第二電纜；501-接收器；502_第三電纜；601-交變磁場；701-人工心臟；702_天然心臟；801_膠囊