本發(fā)明屬于但不限于充電系統(tǒng)，尤其涉及一種針對于人體淺層植入的實時監(jiān)測系統(tǒng)的充電系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、隨著人類科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，小型植入式醫(yī)療器械已經(jīng)在生活中越來越常見?，F(xiàn)有多數(shù)小型醫(yī)療器械在一次性植入后，等到電池耗盡便無法繼續(xù)使用。無線充電技術(shù)是現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的，很適合植入性醫(yī)療器械使用的一門技術(shù)。此項技術(shù)無需取出植入物，便可對其進(jìn)行充電，解決傳統(tǒng)醫(yī)療器械需要再次手術(shù)更換植入物的難題。

2、傳統(tǒng)的無線充電技術(shù)采用電磁互感原理，只能在非常有限的距離之內(nèi)生效。電磁輻射充電技術(shù)可以實現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的充電，充電時患者的自由度更高，植入物也更小，但充電效率較低。但若一味的加大輻射功率，則會對附近的生命體或非生命體產(chǎn)生干擾，或不可逆的損傷。

3、同時，由于通信時能耗較高，傳統(tǒng)的皮下植入式醫(yī)療器械若需保證其使用壽命，則不可進(jìn)行實時通信，否則會大幅度降低其使用壽命。而實時通信可以大大提高對患者用戶安全的保障，例如可以實施派遣救援小隊對陷入生命危險的患者用戶進(jìn)行救援。

4、現(xiàn)有的人體信號持續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)多為穿戴式，該類產(chǎn)品適用于對人體狀況短時間內(nèi)的持續(xù)監(jiān)控。若進(jìn)行長時間佩戴，則會對患者的生活造成不便，有些甚至還會造成皮膚過敏等一系列狀況。而對于患者的監(jiān)測需求經(jīng)常是長期，且全天24小時無間歇的，故現(xiàn)有可穿戴產(chǎn)品并不能完全滿足患者的需求。

5、然而，現(xiàn)有的植入式監(jiān)測產(chǎn)品大多無法實現(xiàn)充電功能，產(chǎn)品壽命由大容量電池與特殊設(shè)計的節(jié)能電路共同保證。但由于電池容量有限，續(xù)航時間普遍較短，無法滿足長時間工作的。由此若導(dǎo)致頻繁的取出和植入，會對患者帶來痛苦和生活上的不便。同時，由于能量的限制，現(xiàn)有的植入式監(jiān)測裝置并無實時聯(lián)網(wǎng)功能，并不能對患者的安全進(jìn)行實時的保障。

6、現(xiàn)有的無線充電技術(shù)多采用電磁互感技術(shù)，此項技術(shù)的能量傳輸距離有限，同時還容易造成發(fā)熱現(xiàn)象，對人體健康造成威脅。

7、鑒于上述分析，現(xiàn)有技術(shù)存在的急需解決的技術(shù)問題為：

8、1)天線與外部涂層突出地置于外殼表面，在長時間使用后，人體的體液會不可避免地造成外部涂層材料腐蝕，甚至造成脫落，這對患者是致命的。

9、2)限于監(jiān)測儀尺寸的原因，天線的電尺寸(物理尺寸除以波長)很小，會導(dǎo)致天線的增益很低。低增益的天線在進(jìn)行能量傳輸時效率極低，更容易使得人體吸收更多的電磁能量而發(fā)生溫度升高等危險狀況。

10、3)天線的反射板置于監(jiān)測儀內(nèi)部，會被內(nèi)部射頻元器件發(fā)出的電磁波所干擾，增高工作出錯的性。同時，由于表面涂層很薄，天線附近的環(huán)境改變(例如人體體液腐蝕使得涂層變薄)會產(chǎn)生天線頻移的結(jié)果，使得天線無法在正常的頻率范圍內(nèi)工作，從而會發(fā)生不可預(yù)知的危險。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供了一種針對于人體淺層植入的實時監(jiān)測系統(tǒng)的充電系統(tǒng)，通過設(shè)計出一個更先進(jìn)的用于電磁輻射充電的充電系統(tǒng)，進(jìn)而提高能量傳輸效率，同時保證患者用戶的安全。

2、本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，一種針對于人體淺層植入的實時監(jiān)測系統(tǒng)的充電系統(tǒng)，包括外部功能裝置與體內(nèi)能量接收裝置；

3、外部供能裝置分為兩種：固定式充電臺和可移動式充電臺；

4、可移動式充電臺包含多個高增益天線(天線類型可為一維或二維天線)。每個天線分別由獨立開關(guān)獨立控制開閉，可通過控制不同天線功率的組合實現(xiàn)180°輻射角度?？梢苿邮匠潆娕_設(shè)計為腕帶狀。可移動式充電臺只有一半安裝有該高增益定向天線。安裝天線部分的外殼，在貼膚側(cè)(內(nèi)側(cè))，近體側(cè)(手肘側(cè))與遠(yuǎn)體側(cè)(手掌側(cè))均裝有金屬反射板(灰色陰影部分)，可以保證用戶的安全的同時增幅其輻射效率。用戶使用時限制其佩戴方式，裝有天線的一部分腕帶的中點應(yīng)對齊拇指下方，以保證其時刻對準(zhǔn)身體軀干方向進(jìn)行充電。

5、固定臺內(nèi)部包含多個高增益天線，每個天線分別可以由不同開關(guān)分別獨立控制開閉。固定臺一周分布有多個按鈕，每個按鈕可控制由固定臺為圓心張開的一定角度的區(qū)域。用戶可以選擇并按下其中一個或多個按鈕，代表需要充電的植入式監(jiān)測裝置將主要在該范圍內(nèi)活動。此時固定臺內(nèi)部的多個高增益天線將以特定的功率組合進(jìn)行輻射，使得輻射功率的主覆蓋范圍符合用戶指定的范圍。

6、體內(nèi)能量接收裝置部分植入患者軀干皮下，用于實時測量患者身體狀態(tài)，并將部分信號發(fā)送至體外的信息中轉(zhuǎn)站；同時其可以接收來自外界固定或手持便攜式充電臺的無線射頻能量并為自身內(nèi)部電池充電。

7、進(jìn)一步，充電開始時，可移動式充電臺的多個天線將分別依次獨立輻射一小段時間能量。此時植入設(shè)備會回傳在每個天線獨立輻射時間段內(nèi)所獲得的能量，以此為據(jù)計算出此時傳輸效率最高的輻射天線，從而確定主輻射天線。該可移動式充電臺佩戴于患者體表，用于實時給能量接收裝置充電。

8、進(jìn)一步，固定臺上還包含一個或多個紅外線感應(yīng)器，當(dāng)人類或其他體溫超過周圍環(huán)境溫度的生命體接近時，其會適當(dāng)減小發(fā)射功率，以保證該生命體安全。該固定臺固定于患者常居地，如辦公室，家中臥室客廳等。固定臺內(nèi)不設(shè)置能量儲存裝置。

9、進(jìn)一步，固定和移動充電臺內(nèi)部均包含：

10、1)電源。可移動式充電臺電源是便攜的可充電的大容量鋰電池，固定臺電源是家用220v交流電源。大容量鋰電池可至少支撐系統(tǒng)運行1天以上。

11、2)控制器?？刂破髫?fù)責(zé)調(diào)制編輯發(fā)送信號，解調(diào)翻譯接收信號，并提取其中數(shù)據(jù)。再使用這些數(shù)據(jù)來調(diào)控充電臺內(nèi)部各部件的工作效率。比如通過計算與能量接收裝置的距離來控制能量傳輸?shù)姆较蚝凸β剩赃_(dá)到傳輸能力最大化；或根據(jù)接收來自云端服務(wù)器的數(shù)據(jù)，來調(diào)整自身系統(tǒng)內(nèi)部的參數(shù)等。控制器由嵌入式程序控制。

12、3)信號收發(fā)天線組。該天線組用于和云端服務(wù)器與和能量接收裝置進(jìn)行信息交流。接收到的信號輸入到控制器中進(jìn)行翻譯，處理和運用。信號收發(fā)天線組由兩個或兩個以上天線組成，可與能量接收裝置在藍(lán)牙頻段進(jìn)行信息交互。

13、4)多個能量傳輸天線。該天線組應(yīng)由多個高增益天線組成，只要保證接受范圍覆蓋360°即可。能量傳輸天線輻射頻率在1ghz以下，以降低因距離和人體所造成的能量損耗。

14、5)顯示系統(tǒng)(例如：狀態(tài)顯示led燈或顯示屏等)。該系統(tǒng)會向用戶展示電量以及各個儀器的連接與通信狀態(tài)，以便實時分辨出異常情況。

15、進(jìn)一步，能量接受裝置(以下簡稱裝置)分別包含信號采集器，電池，必要電路(包含信號處理前端，微型計算單元，不同功能電路等)以及薄片天線。圖三只表明了該裝置所含必備組成，并不對其相對位置進(jìn)行限定。裝置的外殼由兩種或兩種以上生物兼容性材料(其中至少一種為純金屬，一種為非金屬或合金)組成，并在表面裝有1-2個薄片天線，用于接收能量以及發(fā)送信息等功能。

16、進(jìn)一步，薄片天線為平面反射天線，基板與覆板由可直接與人體皮膚相接觸的高介電常數(shù)生物兼容性材料(例如：氧化鋁alumina，介電常數(shù)9.8)制成，以利于天線的小型化設(shè)計?；迮c覆板之間是刻有圖案的金屬薄片，用于接收和向外輻射電磁波。天線以裝置的金屬外殼作為接地板?；颊吲宕鲿r，天線的主波瓣方向朝向體外一側(cè)，減少遮擋和在人體內(nèi)的損耗。不同輻射方向和極化方式的天線可以有不同的組裝方式。

17、進(jìn)一步，天線貼于裝置外殼外部并與肌膚直接接觸，不被任何金屬材料覆蓋遮擋，如圖四所示，以提升傳輸效率。天線外殼材料一定包含一種或多種金屬材料，天線利用此金屬外殼作為接地板并同時進(jìn)行電磁波的反射，增強(qiáng)天線的指向性與增益，進(jìn)一步提升能量傳輸效率。

18、進(jìn)一步，外殼壁的厚度大于等于趨膚深度，具體來說，根據(jù)金屬外殼的不同材質(zhì)，可以在設(shè)計之初就明確該種材質(zhì)針對電磁波的趨膚深度，將外殼壁的厚度設(shè)計為大于等于趨膚深度可以隔絕能量接收裝置內(nèi)部電子元器件對天線輻射的干擾，并反射電磁波。

19、進(jìn)一步，凹槽的形狀是經(jīng)過特殊設(shè)計為凹透鏡形狀(截面形狀)，天線位于其焦點位置。大于趨膚深度的金屬外殼厚度使得該截面形狀的凹槽可以向前反射電磁波，增加天線朝向體外方向的波瓣的增益。凹槽與天線之間的部分，可以由和皮膚介電系數(shù)相似的生物兼容性材料填充平整，以保證患者的舒適度。同時使得天線不易掉落，也保證的天線工作頻率的穩(wěn)定性。

20、進(jìn)一步，平面反射天線諧振頻率在medradio與ism頻段中選擇，有助于減少在人體和空氣中能量的損耗。適配電路緊貼于天線背面，以降低接收到的射頻能量在傳輸過程中的損耗。射頻能量經(jīng)過特定電路(包含在必要電路部分中)轉(zhuǎn)化為適壓直流能量，以便給其中的電池充電。

21、結(jié)合上述的技術(shù)方案和解決的技術(shù)問題，本發(fā)明所要保護(hù)的技術(shù)方案所具備的優(yōu)點及積極效果為：

22、第一，能量接收裝置方面：

23、涂層材料置于外殼的凹槽內(nèi)，減少了由于體液沖刷而會導(dǎo)致的材料腐蝕脫落問題。

24、凹透鏡形狀的外殼凹槽強(qiáng)制性將主波瓣限制在朝向體外的180度范圍內(nèi)，同時反射電磁波，增大整個天線的增益，使得整個能量傳輸鏈效率更高。

25、較厚的涂層會使天線的性質(zhì)不受周圍環(huán)境的影響而改變，同時大于趨膚深度厚度的外殼也會隔絕監(jiān)測儀內(nèi)部其他元器件的輻射干擾，整個無線電能傳輸系統(tǒng)的穩(wěn)定性大幅度提升。

26、首次設(shè)計了針對于可充電植入式實時監(jiān)測系統(tǒng)的充電系統(tǒng)，該充電系統(tǒng)可在患者用戶無感知情況下，對其體內(nèi)的可充電植入式實時監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行充電，保證了便利性，讓患者用戶的接受度更高。

27、充電系統(tǒng)的實時上傳功能，可以第一時間將用戶患者的異常信息上傳至云端服務(wù)器進(jìn)行分析，使得患者用戶的生命安全被實時保護(hù)。由于通信時能耗較高，傳統(tǒng)的植入式實時監(jiān)測系統(tǒng)若需保證其使用壽命，則不可進(jìn)行實時通信。本充電臺向植入式實時監(jiān)測系統(tǒng)提供了足夠的能量使其可以實現(xiàn)實時與外界的通信，從而大大提高了患者用戶的安全保障能力。例如檢測到可疑的身體信號時，對患者用戶進(jìn)行實時救援，提高患者的生存率。

28、移動臺與固定臺的結(jié)構(gòu)與功能保證了患者用戶的安全的同時，根據(jù)不同通路的效率，實時選擇高效傳輸方式，減少能量的外逸，保證了傳輸效率。

29、移動臺根據(jù)人體運動學(xué)規(guī)律進(jìn)行設(shè)計，只有一半部分裝有天線，并加裝有擋板。既可以節(jié)省空間，也提升了其續(xù)航能力，同時也保證了用戶人體的安全，使其免受巨額輻射的損害。

30、在植入式實時監(jiān)測系統(tǒng)外殼表面上增設(shè)平面反射天線，不被任何金屬材料覆蓋遮擋，以提升傳輸效率。

31、平面反射天線，基板與覆板由可直接與人體皮膚相接觸的高介電常數(shù)生物兼容性材料制成，以利于天線的小型化設(shè)計。

32、凹透鏡形狀的凹槽，天線位于其焦點位置，金屬外殼厚度大于趨膚深度；增加天線朝向正面波瓣的增益。

33、凹槽與天線之間的部分，由和皮膚介電系數(shù)相同的生物兼容性材料填充平整，以保證患者的舒適度。同時使得天線不易掉落。

34、第二，本發(fā)明的技術(shù)方案填補(bǔ)了國內(nèi)外業(yè)內(nèi)技術(shù)空白：該項技術(shù)彌補(bǔ)了現(xiàn)階段，對于植入式人體監(jiān)測裝置的使用壽命短，無法充電的弊端。對于一部分現(xiàn)有可充電植入式裝置，不同于現(xiàn)有的充電技術(shù)在充電過程中會將使用者的位置進(jìn)行完全限制，該技術(shù)可實現(xiàn)在患者移動的過程中進(jìn)行充電，大大的降低了對患者生活的干擾，提升了產(chǎn)品的便利性。

35、第三，本發(fā)明的技術(shù)方案在產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中解決了現(xiàn)有技術(shù)中無線充電和植入式設(shè)備能量供應(yīng)不穩(wěn)定、能量傳輸效率低以及安全性不足等問題。通過創(chuàng)新的外部供能系統(tǒng)與體內(nèi)能量接收系統(tǒng)相結(jié)合，實現(xiàn)了更高效、安全、可靠的無線能量傳輸與設(shè)備充電。

36、技術(shù)問題解決：

37、1.能量傳輸效率低：現(xiàn)有技術(shù)中，植入式設(shè)備通過無線射頻獲取能量時，人體組織對電磁波的吸收和衰減導(dǎo)致能量傳輸效率低。本發(fā)明通過引入高增益定向天線和反射板設(shè)計，優(yōu)化了天線的輻射方向與功率分布，使能量更有效地傳輸?shù)襟w內(nèi)設(shè)備，顯著提升了能量傳輸效率。

38、2.能量供應(yīng)不穩(wěn)定：在現(xiàn)有的植入式設(shè)備中，能量接收裝置的接收范圍有限，充電過程容易受到移動和環(huán)境的影響。本發(fā)明通過外部充電臺的多天線組合和動態(tài)選擇最佳輻射天線，確保能量供應(yīng)的穩(wěn)定性，即使設(shè)備或用戶位置發(fā)生變化，也能持續(xù)高效充電。

39、3.安全性問題：傳統(tǒng)無線充電產(chǎn)生較大的能量輻射，存在潛在的健康風(fēng)險。本發(fā)明通過金屬反射板設(shè)計和紅外感應(yīng)器調(diào)節(jié)輻射功率，降低了對人體的電磁輻射影響，確保了用戶的安全性。

40、顯著的技術(shù)進(jìn)步：

41、1.高增益定向天線的應(yīng)用：通過多天線設(shè)計和智能控制不同天線的輻射功率組合，本發(fā)明實現(xiàn)了180°輻射角度調(diào)節(jié)，提升了無線充電的靈活性和精準(zhǔn)度。同時，天線的主波瓣朝向優(yōu)化了能量傳輸路徑，減少了人體組織對電磁波的遮擋和衰減。

42、2.移動充電設(shè)備的設(shè)計：可移動式充電設(shè)備設(shè)計成腕帶狀，方便用戶日常佩戴，通過智能天線切換功能選擇最佳能量傳輸通道，實現(xiàn)了隨時隨地的能量供給，大大提升了植入設(shè)備的可用性和便捷性。

43、3.智能控制與信息交互系統(tǒng)：通過藍(lán)牙與云端服務(wù)器連接，本發(fā)明的控制器不僅能夠根據(jù)環(huán)境信息智能調(diào)整充電功率，還能實時監(jiān)控植入設(shè)備的能量接收狀態(tài)，確保能量傳輸?shù)母咝院驮O(shè)備的持續(xù)運作。

44、綜合來看，本發(fā)明在提高無線能量傳輸效率、穩(wěn)定性及安全性方面做出了顯著技術(shù)進(jìn)步，極大地提升了植入式設(shè)備的實際應(yīng)用價值，在醫(yī)療、健康監(jiān)測等產(chǎn)業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用前景。