專利名稱：面向人體介入式運(yùn)動(dòng)器件的電磁能量無線傳輸裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電磁能量無線傳輸裝置，尤其涉及一種面向人體介入式運(yùn)動(dòng)器件的基于電磁場耦合遠(yuǎn)離的無線能量傳輸裝置，屬于機(jī)、電技術(shù)和臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
人體介入式醫(yī)療器件，包括長期植入式器件，如人工心臟、人造肛門，也包括中短期過程式器件，如微型電子膠囊式內(nèi)窺鏡、膠囊式胃腸動(dòng)力檢測裝置、機(jī)器人內(nèi)窺鏡等，均為提高人們的健康水平、預(yù)防疾病等發(fā)揮了舉足輕重的作用。
目前，這些裝置的能量供應(yīng)分為纜線供能和電池供能兩種。前者，由于纜線對器件運(yùn)動(dòng)的阻礙，限制了介入器件的靈活性和適用性；后者，由于無創(chuàng)介入的需要，能提供用來安裝電池的空間非常狹小，所以電池供能容量非常有限，直接影響了介入器件的工作時(shí)間，對于需要更多能量的運(yùn)動(dòng)型器械來說，其容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，這些都給介入器械的臨床應(yīng)用帶來了非常大的困難。因此，研究無線的可持續(xù)地對介入器件進(jìn)行供能的裝置十分迫切和必要。
在臨床醫(yī)學(xué)上，微波頻譜的能量傳輸技術(shù)比較成熟，并已經(jīng)應(yīng)該于工業(yè)場合，但由于人體對特定電磁頻率的吸收作用，該項(xiàng)技術(shù)對于人體來說并不適用。目前大多使用較低頻段的電磁場耦合或者光電耦合原理進(jìn)行無線供能，集中在經(jīng)皮能量傳輸層面上，能量發(fā)射場經(jīng)過皮膚淺表層，到達(dá)接受裝置。電磁經(jīng)皮能量傳輸系統(tǒng)(Transcutaneous Energy Transmission System，TETS)中，接收線圈埋于皮膚下，兩線圈間距離一般不超過2cm，線圈的尺寸差別不大，耦合程度較高。光耦合系統(tǒng)將光能收集元件埋于皮膚淺層，使用特定頻段的光線照射時(shí)，內(nèi)部植入器件因光電作用而產(chǎn)生電能，經(jīng)收集后對外供能。以上兩種系統(tǒng)對于深埋在人體腔道或者在其中運(yùn)動(dòng)的器件很難進(jìn)行能量供應(yīng)。而且，能量傳輸?shù)母叨确较蛎舾行裕沟眠@兩種系統(tǒng)只能運(yùn)用于相對人體靜止的介入器件的能量供應(yīng)，而對于介入式運(yùn)動(dòng)型裝置，例如機(jī)器人內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，這種能量供應(yīng)方式就無法應(yīng)用了。韓國學(xué)者提出了一種基于電磁耦合原理，并應(yīng)用于人體介入運(yùn)動(dòng)器件的供能裝置(Proceeding of 2005 IEEE&EMBS，pp809-813)。其兩個(gè)接收線圈兩兩夾角呈90度，實(shí)驗(yàn)測試表明耦合系數(shù)較低，接收到的能量非常有限?？紤]到線圈本身的尺寸，實(shí)用的三維正交線圈繞制非常困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種面向人體介入式運(yùn)動(dòng)器件的電磁能量無線傳輸裝置，改善電磁耦合系數(shù)，提高傳輸效率，能夠?qū)θ梭w深處的介入運(yùn)動(dòng)器件進(jìn)行持續(xù)的無線纜的能量供應(yīng)。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明考慮到發(fā)射線圈和接收線圈在軸線平行時(shí)，將獲得較高的電磁耦合系數(shù)，提出了一種基于電磁耦合原理的無線能量傳輸裝置，包括由發(fā)射線圈、發(fā)射諧振電路構(gòu)成的體外部分，由接收線圈、浮動(dòng)式線圈支撐架及整流濾波電路構(gòu)成的體內(nèi)部分。接收線圈設(shè)置配重使其重心位于幾何中心之下并位于軸線上，浮動(dòng)式線圈支撐架有內(nèi)、中、外三個(gè)環(huán)，兩環(huán)之間由環(huán)間支撐連接。環(huán)間支撐中，支撐針緊密插入支撐針座，在絕緣套筒的保護(hù)下固定在一個(gè)環(huán)上，支撐柱在絕緣套筒的保護(hù)下固定在相鄰的環(huán)上，支撐針與支撐柱點(diǎn)接觸。接收線圈的引線通過支撐針、支撐針座以及支撐柱引出。接收線圈在偏心重力的作用下，自適應(yīng)的保持在一種姿態(tài)，由此總能最多的接收到來自體外發(fā)射線圈的磁通量，從而提高了耦合系數(shù)。
本發(fā)明的面向人體介入式運(yùn)動(dòng)器件的電磁能量無線傳輸裝置具體結(jié)構(gòu)包括由發(fā)射線圈、發(fā)射諧振電路構(gòu)成裝置的體外部分，由接收線圈、整流濾波電路構(gòu)成的體內(nèi)部分，體內(nèi)部分的接收線圈置于浮動(dòng)式線圈支撐架內(nèi)，接收線圈的中心軸線平行于發(fā)射線圈的中心軸線。浮動(dòng)式線圈支撐架由外環(huán)、中環(huán)、內(nèi)環(huán)構(gòu)成，接收線圈設(shè)置配重使線圈的重心位于幾何中心之下并位于軸線上。內(nèi)環(huán)緊套在接收線圈外，內(nèi)環(huán)與中環(huán)之間、中環(huán)與外環(huán)之間分別各自通過兩個(gè)對稱分布的環(huán)間支撐實(shí)現(xiàn)點(diǎn)接觸，兩個(gè)中內(nèi)環(huán)之間環(huán)間支撐的連線與兩個(gè)中外環(huán)之間環(huán)間支撐的連線相互垂直。在中環(huán)的內(nèi)壁對稱設(shè)置兩段中環(huán)引線，中環(huán)引線的一端與中內(nèi)環(huán)的環(huán)間支撐相連，中環(huán)引線的另一端與中外環(huán)的環(huán)間支撐相連。接收線圈的兩條引出線從內(nèi)環(huán)分別通過兩個(gè)中內(nèi)環(huán)的環(huán)間支撐引到中環(huán)，再分別沿兩段中環(huán)引線引到兩個(gè)中外環(huán)的環(huán)間支撐，然后通過兩個(gè)中外環(huán)的環(huán)間支撐引到外環(huán)，再從外環(huán)引出，連到整流濾波電路。
本發(fā)明中，中內(nèi)環(huán)之間及中外環(huán)之間的環(huán)間支撐具有相同的結(jié)構(gòu)特征。所述環(huán)間支撐包括支撐針座、支撐針和支撐柱，支撐針座安裝在一個(gè)環(huán)的絕緣套筒中，支撐柱安裝在相鄰環(huán)的絕緣套筒中，支撐針固定于支撐針座的中心，支撐針的針尖伸入支撐柱前端面開的錐形凹槽并頂住支撐柱。支撐針座和支撐柱上均開有V字槽，接收線圈引出線的引入端繞在支撐針座的V字槽內(nèi)，接收線圈引出線的引出端繞在支撐柱上的V字槽內(nèi)。
本發(fā)明中的接收線圈固定在浮動(dòng)式線圈支撐架的內(nèi)環(huán)中，和內(nèi)環(huán)構(gòu)成一個(gè)整體。內(nèi)環(huán)與中環(huán)、中環(huán)與外環(huán)均通過環(huán)間支撐實(shí)現(xiàn)點(diǎn)接觸，摩擦力非常小，但是接觸良好。內(nèi)環(huán)與接收線圈能夠在中環(huán)內(nèi)繞環(huán)間支撐的軸線連續(xù)自由旋轉(zhuǎn)，中環(huán)能夠在外環(huán)內(nèi)繞著環(huán)間支撐的軸線連續(xù)自由旋轉(zhuǎn)。
在自然狀況下，接收線圈的軸線總是垂直于水平面，這種姿態(tài)是一種穩(wěn)定的平衡。當(dāng)接收線圈姿態(tài)變化時(shí)，其重心偏離軸線，由于配重的作用會(huì)產(chǎn)生力矩使得接收線圈繞中環(huán)或外環(huán)的環(huán)間支撐軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，回復(fù)到平衡狀態(tài)。不論線圈浮動(dòng)機(jī)構(gòu)在任何位姿，總能保證接收線圈的軸線垂直于水平面，由此總能最多的接收到來自體外發(fā)射線圈的磁通量，從而提高了耦合系數(shù)。
本發(fā)明在環(huán)間支撐中，利用支撐針和支撐柱分別引出接收線圈的引線，避免了線圈引出線可能產(chǎn)生的纏繞現(xiàn)象。采用金屬材料來保證各個(gè)環(huán)的剛度，同時(shí)對支撐針座和支撐柱采用絕緣套筒進(jìn)行良好的絕緣保護(hù)。
本發(fā)明克服了現(xiàn)有電磁耦合能量傳輸效率小、供能容量有限等缺點(diǎn)，從減小發(fā)射線圈和接收線圈的空間誤配的觀點(diǎn)出發(fā)，對于姿態(tài)和位置均隨機(jī)的介入式運(yùn)動(dòng)醫(yī)療器械提供一種持續(xù)的無線纜的能量供應(yīng)裝置。


圖1為本發(fā)明的電磁能量無線傳輸裝置的總體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖1中，1為發(fā)射線圈，2為浮動(dòng)式線圈支撐架，3為接收線圈，4為人體環(huán)境，5為整流濾波電路，6為發(fā)射諧振電路。
圖2為浮動(dòng)式線圈支撐架的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2中，(a)為浮動(dòng)式線圈支撐架的側(cè)視圖，其中，7為外環(huán)，8為中環(huán)，9為內(nèi)環(huán)，10為配重，11為磁芯，12為繞組；(b)為浮動(dòng)式線圈支撐架的俯視圖，其中，13為環(huán)間支撐。
圖3為線圈兩端引出線的位置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3中，14為中環(huán)引線。
圖4為中環(huán)和外環(huán)之間的環(huán)間支撐結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4中，15為支撐柱，16為線圈引出端，17為線圈引入端，18為支撐針座，19為支撐針，20為絕緣套筒。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。由發(fā)射線圈1、發(fā)射諧振電路6構(gòu)成裝置在人體環(huán)境4之外的部分，用于電磁能量的發(fā)射。由浮動(dòng)式線圈支撐架2、接收線圈3、整流濾波電路5構(gòu)成人體環(huán)境4之內(nèi)的部分，用于電磁能量的接收及整流濾波，從而能夠?yàn)榻槿肫骷峁┓€(wěn)定的直流電壓。發(fā)射諧振電路6的輸出連接發(fā)射線圈1，發(fā)射諧振電路6用于產(chǎn)生正弦波，激勵(lì)發(fā)射線圈1產(chǎn)生交變磁場。接收線圈3置于浮動(dòng)式線圈支撐架2內(nèi)，接收線圈3的中心軸線平行于發(fā)射線圈1的中心軸線，接收線圈3的輸出連接整流濾波電路5。
本發(fā)明的核心特征為接收線圈3的浮動(dòng)式線圈支撐架2，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中，(a)為側(cè)視圖；(b)為俯視圖。浮動(dòng)式線圈支撐架2由外環(huán)7、中環(huán)8、內(nèi)環(huán)9構(gòu)成，支撐著由磁芯11、繞組12及配重10構(gòu)成的接收線圈3。繞組12為多層密繞螺線管，管中心插入磁芯11，可提高磁通量，圓柱型銅質(zhì)配重10較磁芯11密度大，粘接在繞組12內(nèi)，并壓緊磁芯11。接收線圈3由于配重10的存在，其重心位于幾何中心偏下，并位于軸線上。內(nèi)環(huán)9緊套在接收線圈3外，內(nèi)環(huán)9與中環(huán)8之間通過兩個(gè)對稱分布的環(huán)間支撐13實(shí)現(xiàn)點(diǎn)接觸，中環(huán)8與外環(huán)7之間也通過兩個(gè)對稱分布的環(huán)間支撐13實(shí)現(xiàn)點(diǎn)接觸，兩個(gè)中內(nèi)環(huán)之間環(huán)間支撐13的連線與兩個(gè)中外環(huán)之間環(huán)間支撐13的連線相互垂直。
本發(fā)明采用的環(huán)間支撐13，使內(nèi)環(huán)9與中環(huán)8之間、中環(huán)8與外環(huán)7之間均為點(diǎn)接觸，可提供接收線圈3繞X軸和Y軸的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。在如圖2所示的坐標(biāo)系中，由接收線圈3與內(nèi)環(huán)9合成的整體可以繞中環(huán)8的Y軸在中環(huán)8內(nèi)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，中環(huán)8可以繞外環(huán)7的X軸在外環(huán)7內(nèi)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。在自然狀況下，接收線圈3的軸線總是垂直于水平面，這種姿態(tài)是一種穩(wěn)定的平衡。當(dāng)接收線圈3姿態(tài)變化時(shí)，其重心偏離軸線，由于配重10較磁芯11密度大的多，因此會(huì)產(chǎn)生力矩使得接收線圈3繞X軸或Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)，回復(fù)到平衡狀態(tài)。由于接收線圈3能夠在中環(huán)8和外環(huán)7中連續(xù)回轉(zhuǎn)，所以不論線圈浮動(dòng)機(jī)構(gòu)在任何位姿，總能保證接收線圈3的軸線垂直于水平面。
本發(fā)明中的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)在于浮動(dòng)機(jī)構(gòu)中接收線圈3的連續(xù)回轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)，其引出線如圖3所示，在中環(huán)8的內(nèi)壁對稱設(shè)置兩段中環(huán)引線14，中環(huán)引線14的一端與中內(nèi)環(huán)的環(huán)間支撐13相連，中環(huán)引線14的另一端與中外環(huán)的環(huán)間支撐13相連。
如果從接收線圈3直接引出兩條纜線，就會(huì)阻礙接收線圈3的運(yùn)動(dòng)。在本發(fā)明中，接收線圈3的兩條引出線先從內(nèi)環(huán)9分別通過兩個(gè)中內(nèi)環(huán)的環(huán)間支撐13引到中環(huán)8，再分別沿兩段中環(huán)引線14引到兩個(gè)中外環(huán)的環(huán)間支撐13，然后通過兩個(gè)中外環(huán)的環(huán)間支撐13引到外環(huán)7，再從外環(huán)7引出。
中環(huán)引線14采用細(xì)小的漆包線，使用瞬干膠粘接在中環(huán)8內(nèi)壁上。
本發(fā)明中非常重要的一個(gè)特征就是利用了支撐機(jī)構(gòu)作為引線端子來實(shí)現(xiàn)接收線圈3的引線引出，其詳細(xì)結(jié)構(gòu)可以外環(huán)7和中環(huán)8之間的環(huán)間支撐13為例來說明，如圖4所示。
中外環(huán)的環(huán)間支撐13包括支撐針座18、支撐針19和支撐柱22，支撐針座18安裝在中環(huán)的絕緣套筒20中，支撐柱22安裝在外環(huán)的絕緣套筒20中，支撐針19固定于支撐針座18的中心，支撐針19的針尖伸入支撐柱22前端面開的錐形凹槽并頂住支撐柱22。支撐針座18和支撐柱22上均開有V字槽，來自中環(huán)引線14的接收線圈引線的引入端17繞在支撐針座18的V字槽內(nèi)，接收線圈引線的引出端16繞在支撐柱15上的V字槽內(nèi)，并從外環(huán)引出。
為了保證一定的機(jī)械強(qiáng)度，外環(huán)7和中環(huán)8采用金屬材料加工，中環(huán)的絕緣套筒與外環(huán)的絕緣套筒用來保證接收線圈引出線的絕緣，分別與外環(huán)7和中環(huán)8使用強(qiáng)力粘結(jié)劑連接。支撐針座18和支撐柱22均為金屬材料加工。
本發(fā)明內(nèi)環(huán)9和中環(huán)8之間的中內(nèi)環(huán)支撐14的結(jié)構(gòu)與中外環(huán)支撐13類似。
如此，四個(gè)支撐機(jī)構(gòu)分別將接收線圈3的引出線經(jīng)由內(nèi)環(huán)9、中環(huán)8、外環(huán)9引出，連接到整流濾波電路5，將接收線圈3耦合到的能量經(jīng)整流濾波電路5產(chǎn)生可對外工作的直流穩(wěn)壓電源。
本發(fā)明的裝置可以通過空間交變電磁場耦合的方式傳輸能量，電磁場的頻率控制在10KHz～100KHz的范圍內(nèi)，外部發(fā)射線圈1軸線垂直于水平面，其頻率連續(xù)可調(diào)，當(dāng)達(dá)到諧振時(shí)將獲得最大的發(fā)射功率。
權(quán)利要求
1.一種面向人體介入式運(yùn)動(dòng)器件的電磁能量無線傳輸裝置，包括由發(fā)射線圈(1)、發(fā)射諧振電路(6)構(gòu)成裝置的體外部分，由接收線圈(3)、整流濾波電路(5)構(gòu)成的體內(nèi)部分，其特征在于體內(nèi)部分的接收線圈(3)置于浮動(dòng)式線圈支撐架(2)內(nèi)，接收線圈(3)的中心軸線平行于發(fā)射線圈(1)的中心軸線；浮動(dòng)式線圈支撐架(2)由外環(huán)(7)、中環(huán)(8)、內(nèi)環(huán)(9)構(gòu)成，接收線圈(3)設(shè)置配重(10)使線圈的重心位于幾何中心之下，并位于軸線上；內(nèi)環(huán)(9)緊套在接收線圈(3)外，內(nèi)環(huán)(9)與中環(huán)(8)之間、中環(huán)(8)與外環(huán)(7)之間分別各自通過兩個(gè)對稱分布的環(huán)間支撐(13)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)接觸，兩個(gè)中內(nèi)環(huán)之間環(huán)間支撐(13)的連線與兩個(gè)中外環(huán)之間環(huán)間支撐(13)的連線相互垂直；在中環(huán)(8)的內(nèi)壁對稱設(shè)置兩段中環(huán)引線(14)，中環(huán)引線(14)的一端與中內(nèi)環(huán)的環(huán)間支撐(13)相連，中環(huán)引線(14)的另一端與中外環(huán)的環(huán)間支撐(13)相連；接收線圈(3)的兩條引出線從內(nèi)環(huán)(9)分別通過兩個(gè)中內(nèi)環(huán)的環(huán)間支撐(13)引到中環(huán)(8)，再分別沿兩段中環(huán)引線(14)引到兩個(gè)中外環(huán)的環(huán)間支撐(13)，然后通過兩個(gè)中外環(huán)的環(huán)間支撐(13)引到外環(huán)(7)，再從外環(huán)(7)引出，連到整流濾波電路(5)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的面向人體介入式運(yùn)動(dòng)器件的電磁能量無線傳輸裝置，其特征在于所述環(huán)間支撐(13)包括支撐針座(18)、支撐針(19)和支撐柱(15)，支撐針座(18)安裝在一個(gè)環(huán)的絕緣套筒(20)中，支撐柱(15)安裝在相鄰環(huán)的絕緣套筒(20)中，支撐針(19)固定于支撐針座(18)的中心，支撐針(19)的針尖伸入支撐柱(15)前端面開的錐形凹槽并頂住支撐柱(15)；支撐針座(18)和支撐柱(15)上均開有V字槽，接收線圈(3)引出線的引入端(17)繞在支撐針座(18)的V字槽內(nèi)，接收線圈引出線的引出端(16)繞在支撐柱(15)上的V字槽內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種面向人體介入式運(yùn)動(dòng)器件的電磁能量無線傳輸裝置，包括由發(fā)射線圈、發(fā)射諧振電路構(gòu)成的體外部分，由接收線圈、浮動(dòng)式線圈支撐架及整流濾波電路構(gòu)成的體內(nèi)部分。接收線圈設(shè)置配重使其重心位于幾何中心之下并位于軸線上，浮動(dòng)式線圈支撐架有內(nèi)、中、外三個(gè)環(huán)，兩環(huán)之間由環(huán)間支撐連接。環(huán)間支撐中，支撐針緊密插入支撐針座，在絕緣套筒的保護(hù)下固定在一個(gè)環(huán)上，支撐柱在絕緣套筒的保護(hù)下固定在相鄰的環(huán)上，支撐針與支撐柱點(diǎn)接觸。接收線圈的引線通過支撐針、支撐針座以及支撐柱引出。接收線圈在偏心重力的作用下，自適應(yīng)的保持在一種姿態(tài)，由此總能最多的接收到來自體外發(fā)射線圈的磁通量，從而提高了耦合系數(shù)。
文檔編號H02J17/00GK101075755SQ20071004198
公開日2007年11月21日 申請日期2007年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月14日
發(fā)明者顏國正, 王坤東 申請人:上海交通大學(xué)