專利名稱：用于植入式醫(yī)療設(shè)備的電磁感應(yīng)供能裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于醫(yī)療儀器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及植入式醫(yī)療設(shè)備的經(jīng)皮能量傳 輸供能裝置。
技術(shù)背景植入式醫(yī)療設(shè)備種類繁多，應(yīng)用范圍也很廣，常見的如人工耳蝸、心臟 起搏器、深部腦刺激器、人工括約肌、外周神經(jīng)刺激器和肌肉刺激器等等。各類植入式醫(yī)療設(shè)備的使用壽命主要決定因素是電池的容量。傳統(tǒng)的植 入式醫(yī)療設(shè)備都采用高能量密度的鋰電池進(jìn)行供能，為了延長植入式醫(yī)療設(shè) 備的使用壽命，不得不盡可能地降低植入設(shè)備電路功耗的同時(shí)增加電池容量， 這使得目前使用的植入式醫(yī)療設(shè)備的電池重量和體積過大，如心臟起搏器的 電池體積占到了整個(gè)植入部分的一半以上。但無論怎樣提高電池的容量，植 入式醫(yī)療設(shè)備始終面臨電能耗盡的問題，導(dǎo)致患者必須再次接受手術(shù)，更換 植入式醫(yī)療設(shè)備，給病患帶來再次痛苦和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。因此，對植入式醫(yī)療設(shè) 備的能量供應(yīng)成為其發(fā)展的關(guān)鍵問題。目前植入式醫(yī)療設(shè)備供能方式的研究主要包括電磁感應(yīng)供能，以及利 用體內(nèi)其它能量的轉(zhuǎn)換供能，如利用血液中氧和氫進(jìn)行燃料電池反應(yīng)、溫差 供電、利用生物體自身的機(jī)械能，或直接從神經(jīng)上提取電能等。目前被廣泛 接受的供能方式主要是電磁感應(yīng)供能或充電，也成為近年來研究的重點(diǎn)。植 入式醫(yī)療設(shè)備采用電磁感應(yīng)耦合供能是通過體外初級(jí)線圈產(chǎn)生電磁場，利用 電磁場穿透人體皮膚，體內(nèi)次級(jí)線圈接收后將電磁場轉(zhuǎn)化為直流電，從而達(dá) 到向植入式醫(yī)療設(shè)備供電的目的。但是植入式醫(yī)療設(shè)備植入患者體內(nèi)，這就要求植入式設(shè)備體積小、重量 輕。因此，體內(nèi)感應(yīng)線圈體積必須進(jìn)行微型化設(shè)計(jì)且易于電路集成，而現(xiàn)有 技術(shù)中體內(nèi)次級(jí)感應(yīng)線圈通常采用螺線管線圈，很難實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的微型化和 集成化。中國發(fā)明專利"可充電的腦深部刺激器"(申請?zhí)?00410019937. X)給出 了一種無線充電供能方案，它采用傳統(tǒng)變壓器方式，發(fā)射線圈和接收線圈分 別繞制在U型磁芯上，U型磁芯要求磁芯具有較大的高度，在輕薄小巧的植入 式醫(yī)療設(shè)備中很難實(shí)用化。中國發(fā)明專利"用于植入的醫(yī)療裝置的低頻經(jīng)皮 能量傳遞系統(tǒng)"(申請?zhí)?00510079670. 8)提出了一種低頻經(jīng)皮能量傳遞系統(tǒng)， 發(fā)射線圈和接收線圈采用絞合線繞制，絞合線由獨(dú)立的薄膜絕緣線組成，這 些薄膜絕緣線被編織在一起形成一個(gè)導(dǎo)體，從而實(shí)現(xiàn)線圈功率損失最小化， 并且體內(nèi)接收線圈采用雙線圈并聯(lián)方式增大電路接收磁通量，接收線圈直徑 達(dá)到2.4英寸，很難適用于小型化的植入式醫(yī)療設(shè)備。中國發(fā)明專利"用于 植入式醫(yī)療儀器的經(jīng)皮無線充電裝置"(申請?zhí)?00610011809. X)給出了一種 經(jīng)皮無線充電裝置，該裝置的發(fā)射線圈和接收線圈采用柱型磁芯繞制而成， 基本實(shí)現(xiàn)了接收線圈的小型化。但是采用繞制線圈的精度有限，并且無法實(shí) 現(xiàn)同植入式醫(yī)療設(shè)備的同電路版集成。發(fā)明內(nèi)容針對現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種能 夠滿足植入式醫(yī)療設(shè)備微型化和集成化要求的體積小、精度高、簡單可靠， 并具有一定效率的經(jīng)皮無線供能裝置，實(shí)現(xiàn)從體外向植入體內(nèi)的醫(yī)療設(shè)備進(jìn) 行供能。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案是，設(shè)計(jì)一種用于植入式醫(yī)療設(shè)備的電磁感應(yīng)供能裝置，該裝置包含位于體外的發(fā)射電路和植入人體內(nèi)的接收 電路，利用電磁感應(yīng)原理，發(fā)射電路和接收電路采用松弛耦合方式實(shí)現(xiàn)經(jīng)皮 能量傳遞，體內(nèi)接收電路包含，由印制板無芯平面螺旋電感線圈構(gòu)成的接收 線圈，與所述接收線圈相連接的整流濾波電路及充電電路或負(fù)載；體外發(fā)射 電路包含，印制板無芯平面螺旋電感構(gòu)成的發(fā)射線圈，與發(fā)射線圈輸入端連 接的由電源電路、振蕩電路、功率放大電路依次串聯(lián)組成的發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路。體內(nèi)接收電路通過電磁波松弛耦合到體外發(fā)射電路，由體內(nèi)接收線圈接 收體外發(fā)射電路發(fā)射的電磁波，感應(yīng)出同頻率的電信號(hào)。接收線圈采用雙面 或多層堆棧式印制板平面螺旋電感設(shè)計(jì)；接收線圈和發(fā)射線圈采用同軸方式 放置。接收線圈可與整流電路、濾波電路、充電電路或負(fù)載等的印制板一體 化集成設(shè)計(jì)。濾波電路輸出穩(wěn)定的直流供電電壓，根據(jù)植入式醫(yī)療設(shè)備的種類不同， 可以直接作為植入式設(shè)備電源，也可以連接充電電路，為植入式設(shè)備的可充 電電池充電。體外發(fā)射線圈和體內(nèi)接收線圈可以采用體外大線圈、體內(nèi)小線 圈的設(shè)計(jì)方式，呈同軸方式放置，線圈采用松弛藕合方式，位置容差性好。采用印制板無芯平面螺旋電感線圈設(shè)計(jì)接收線圈，用來接收經(jīng)皮傳遞的 電磁能量。該線圈采用印制板無芯設(shè)計(jì)，避免了機(jī)器或人工繞線精度低的缺 點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)皮能量傳遞系統(tǒng)的印制板一體化集成，并且通過雙面或多層堆 棧式PCB電感，還可以進(jìn)一步減小系統(tǒng)體積；線圈采用松弛藕合方式，位置 容差性好。本發(fā)明的電磁感應(yīng)供能裝置能夠穿過皮膚對植入人體的醫(yī)療設(shè)備 進(jìn)行供電，避免了電池能量耗盡后的再次手術(shù)，延長了植入式醫(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)；


圖1電磁感應(yīng)供能裝置結(jié)構(gòu)示意2印制板無芯平面螺旋電感線圈示意圖 圖3電磁感應(yīng)供能裝置體內(nèi)接收電路示意圖 圖4電磁感應(yīng)供能裝置體外發(fā)射電路示意圖具體實(shí)施方式
為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案，用于植入式醫(yī) 療設(shè)備的電磁感應(yīng)供能裝置，包含位于體外的發(fā)射電路和植入人體內(nèi)的接收 電路，所述體內(nèi)接收電路包含由印制板無芯平面螺旋電感線圈構(gòu)成的接收 線圈和依次與所述接收線圈相連接的整流電路和濾波電路。濾波電路輸出穩(wěn) 定的直流供電電壓，根據(jù)植入式醫(yī)療設(shè)備的種類不同，可以直接作為植入式 設(shè)備電源，也可以連接充電電路，為植入式設(shè)備的可充電電池充電。所述體 外發(fā)射電路包含由印制板無芯平面螺旋電感構(gòu)成的發(fā)射線圈，以及與發(fā)射 線圈輸入端連接的由電源電路、振蕩電路、功率放大電路組成的發(fā)射驅(qū)動(dòng)電 路?，F(xiàn)在具體參考附圖對本發(fā)明的實(shí)施做詳細(xì)的說明。如圖1所示，為本發(fā)明所述的用于植入式醫(yī)療設(shè)備的電磁感應(yīng)供能裝置 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，該裝置包含位于體外的發(fā)射電路和植入人體內(nèi)的接收電路， 體外發(fā)射電路位于邊界3外部，邊界3可以是人體皮膚組織，也可以是其它類型的生物材料或組織。體外發(fā)射電路包括發(fā)射線圈l和發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路2，由 發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路2驅(qū)動(dòng)發(fā)射線圈1產(chǎn)生指定功率的電磁波輸出。體內(nèi)接收電路 位于邊界3內(nèi)部，與體外發(fā)射電路分離，通過電磁波松弛耦合到體外發(fā)射電 路，電磁波由圖1中發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路2產(chǎn)生，箭頭表示其傳播方向。體內(nèi)接收 電路通過接收線圈4接收電磁波，由整流濾波電路5產(chǎn)生穩(wěn)定的直流供電電壓，并且輸出到植入充電電路或負(fù)載6為其提供電能。本發(fā)明通過電磁感應(yīng) 的方式，實(shí)現(xiàn)體外發(fā)射電路和體內(nèi)接收電路的松弛耦合。為了提高發(fā)射線圈 和接收線圈之間的耦合效率，同時(shí)滿足植入式醫(yī)療設(shè)備對體內(nèi)接收電路的微 型化、集成化，以減輕植入式醫(yī)療設(shè)備的體積和重量的要求，本發(fā)明采用印 制板無芯平面螺旋電感的發(fā)射線圈和接收線圈，體外發(fā)射線圈和體內(nèi)接收線 圈可以采用體外大線圈、體內(nèi)小線圈的設(shè)計(jì)方式，并且可采用同軸方式放置， 線圈采用松弛藕合方式，位置容差性好。所述發(fā)射線圈和接收線圈的形狀、大小、線寬和布線間距可以根據(jù)植入 式醫(yī)療設(shè)備的具體要求，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。如圖2所示，給出了可以采用的兩 種線圈設(shè)計(jì)，植入體內(nèi)的接收線圈4可以采用多層堆棧式印制板平面螺旋電 感設(shè)計(jì)，在減小線圈直徑的同時(shí)保持較高的磁通量接收能量，保證電磁耦合 效率。體外的發(fā)射線圈1可以采用尺寸較大的印制板平面螺旋電感設(shè)計(jì)，從 而能夠在較大平面內(nèi)產(chǎn)生較高磁通密度的電磁場，提供穩(wěn)定的電磁能量輸出。 當(dāng)體內(nèi)接收線圈4相對發(fā)射線圈1發(fā)生平行位移時(shí)，接收線圈4感應(yīng)的磁場 不會(huì)有較大變化，它們之間的電磁耦合狀況也不會(huì)有較大變化。因此，相比 已有技術(shù)中內(nèi)外線圈對稱、采用U型或柱型磁芯的設(shè)計(jì)，本發(fā)明提出的技術(shù) 方案，在減小體內(nèi)接收電路體積的同時(shí)，保證了供能裝置的線圈耦合的穩(wěn)定 性，使經(jīng)皮無線供能過程更為可靠。如圖3所示為本發(fā)明所述的電磁感應(yīng)供能裝置體內(nèi)接收電路示意圖，包 括接收線圈4、濾波電路7、整流電路8以及充電電路或負(fù)載6。接收線圈4 與體外發(fā)射線圈1經(jīng)過邊界3實(shí)現(xiàn)電磁耦合，感應(yīng)出同頻率的電信號(hào)，并輸 出到整流電路7進(jìn)行整流，再經(jīng)濾波電路8進(jìn)行濾波后得到穩(wěn)定的直流電壓 輸出，并利用該直流電壓輸出驅(qū)動(dòng)植入式醫(yī)療設(shè)備的充電電路或相應(yīng)負(fù)載，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)皮無線能量傳遞，對植入式醫(yī)療設(shè)備進(jìn)行供能。考慮到體內(nèi)部分 對微型化和集成化的要求，接收線圈可采用印制板螺旋線圈實(shí)現(xiàn)和整流電路、 濾波電路以及植入式醫(yī)療設(shè)備的充電電路或負(fù)載等的印制板一體化集成化， 從而減小了植入式醫(yī)療設(shè)備的體積和重量。如圖4所示為電磁感應(yīng)供能裝置體外發(fā)射電路示意圖。包括發(fā)射線圈1、 電源電路11、振蕩電路10和功率放大電路9。電源電路11可以使用交流供 電電路，也可以使用電池供電電路構(gòu)成。電源電路ll為體外發(fā)射電路提供電 能，電源電路產(chǎn)生穩(wěn)定的直流電壓信號(hào)輸入振蕩電路10，產(chǎn)生交變的電壓信 號(hào)輸出，該交變信號(hào)輸入功率放大電路9放大處理后，通過發(fā)射線圈1輸出 一定功率的交變磁場，保證體內(nèi)接收線圈4接收到足夠的磁通量。振蕩電路 IO可以采用LC串聯(lián)共振補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，也可以采用其他共振方式構(gòu)成，功率 放大電路9采用E類放大器，或者其他高效的功率放大器。所述功率放大電 路的輸出端和發(fā)射線圈連接。本發(fā)明所述的電磁感應(yīng)供能裝置能夠穿過皮膚對植入人體的醫(yī)療設(shè)備進(jìn) 行供電，避免了電池能量耗盡后的再次手術(shù)，延長了植入式醫(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)；采用印 制板無芯平面螺旋電感線圈，避免了機(jī)器或人工繞線精度不夠的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn) 了經(jīng)皮能量傳遞系統(tǒng)的印制板一體化集成，并且通過雙面或多層堆棧式PCB 電感提高經(jīng)皮能量傳遞效率，同時(shí)保證系統(tǒng)體積的小型化，有效減小植入式 醫(yī)療儀器的尺寸和重量，從而減輕植入式醫(yī)療設(shè)備作為人體內(nèi)的異物對患者 身體的不良影響，改善患者的生活質(zhì)量。
權(quán)利要求
1、用于植入式醫(yī)療設(shè)備的電磁感應(yīng)供能裝置，包含位于體外的發(fā)射電路和植入體內(nèi)的接收電路，其特征在于，所述體內(nèi)接收電路由印制板無芯平面螺旋電感線圈構(gòu)成的接收線圈和依次與所述接收線圈相連接的整流電路和濾波電路構(gòu)成；所述體外發(fā)射電路由印制板無芯平面螺旋電感線圈構(gòu)成的發(fā)射線圈，以及與發(fā)射線圈依次串聯(lián)的功率放大電路、振蕩電路和電源電路；體內(nèi)接收電路通過電磁波松弛耦合到體外發(fā)射電路，由體內(nèi)接收線圈接收體外發(fā)射電路發(fā)射的電磁波，感應(yīng)出同頻率的電信號(hào)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電磁感應(yīng)供能裝置，其特征在于，所述體外發(fā) 射線圈和體內(nèi)接收線圈采用體外大線圈、體內(nèi)小線圈，并且同軸方式放置。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電磁感應(yīng)供能裝置，其特征在于，接收線圈采用雙面或多層堆棧式印制板平面螺旋電感設(shè)計(jì)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電磁感應(yīng)供能裝置，其特征在于，接收線 圈與整流電路、濾波電路、充電電路或負(fù)載的印制板一體化集成。
全文摘要
本發(fā)明請求保護(hù)一種用于植入式醫(yī)療設(shè)備的電磁感應(yīng)供能裝置，該電磁感應(yīng)供能裝置包含位于體外的發(fā)射電路和植入人體內(nèi)的接收電路，體內(nèi)接收電路包含由印制板無芯平面螺旋電感線圈構(gòu)成的接收線圈和依次與所述接收線圈相連接的整流電路和濾波電路；體外發(fā)射電路包含印制板無芯平面螺旋電感構(gòu)成的發(fā)射線圈，以及與發(fā)射線圈輸入端連接的由電源電路、振蕩電路、功率放大電路組成的發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路。本發(fā)明利用電磁感應(yīng)原理從外部控制模塊經(jīng)皮能量傳遞，實(shí)現(xiàn)向植入式醫(yī)療裝置供能。本發(fā)明適用于植入式醫(yī)療設(shè)備。
文檔編號(hào)A61N1/372GK101234230SQ20071009322
公開日2008年8月6日 申請日期2007年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月27日
發(fā)明者何慶華, 馮正權(quán), 豫 卓, 吳寶明, 閆慶廣, 華 黃 申請人:中國人民解放軍第三軍醫(yī)大學(xué)野戰(zhàn)外科研究所