一种低电磁辐射的视觉假体无线充电系统及其控制方法与流程

本发明涉及生物医学工程技术领域，是一种低电磁辐射的视觉假体无线充电系统及其控制方法。

背景技术：

植入式医疗装置—视觉假体，可以帮助视觉障碍者，尤其是患有视网膜色素变性、老年黄斑变性的病人恢复视觉。作为一种人造器官，视觉假体可以绕过人体视觉通路中的受损部分，通过功能性地电刺激视觉神经组织来将外部光感信息直接传递给人体大脑，达到修复视觉的目的，有望为盲人患者的复明开辟一条新的道路。

视觉假体作为一种植入体内的人造器官，其内部器件，如数据收发单元，电极刺激控制器和刺激电极等等，均需要稳定的能量供给才能维持正常工作。而现阶段，视觉假体通常采用植入式蓄电池作为内部的供电装置。受限于现有电池较低的能量密度和有限的使用寿命，失明患者需要在植入视觉假体的一段时间后定期进行二次手术来更换植入电池，以维持视觉假体的正常工作。频繁的手术不仅增加了失明患者需要承受的痛苦，同时需要大量的手术费用，这大大限制了视觉假体的推广与应用。另一方面，植入式蓄电池在使用过程中可能出现损毁、漏液等故障，具有腐蚀性的电池漏液会对人体肌肉和神经组织产生严重的危害，甚至危及生命。

为了解决上述问题，应用于视觉假体的无线电能传输技术逐渐受到了关注。该技术以高频电磁场为能量传输的媒介，通过体外发射端装置将能量以无线的方式透过皮肤传输到植入式接收端当中，为植入式视觉假体提供稳定的供能，同时使视觉假体摆脱了植入式蓄电池的束缚。

目前，国内外学者围绕应用于视觉假体的无线供电系统展开了相关研究。专利[公开号cn102258409a]提出了一种用于视觉假体的无线能量与数据传输系统，可以同步向植入式视觉假体传输能量与外部光感信号。专利[公开号cn1961850a]提出了一种基于太阳能电池板作为供电装置的视觉假体无线供电装置。专利[公开号cn102813999a]提出了一种具备功率自适应调节功能的视觉假体无线传输系统，该系统可以通过预测植入刺激电极需要的能量来自动调节发射端装置的输入功率。文献[视觉假体中能量与数据无线传输装置的研究[d],上海交通大学，2011.]设计了一种应用于视觉假体的可传输数据和能量的无线充电装置。然而，上述应用于视觉假体的无线充电装置均忽略了人体的电磁安全性问题，存在潜在的健康危险。为了保证传输足够的功率，上述装置中发射线圈的尺寸均大于接收线圈尺寸的数倍以上，使得系统在正常工作过程中，人体面部几乎完全暴露在发射线圈产生强电磁辐射中。因此，发射线圈产生的电磁辐射会在人体组织中产生热效应，长期会损害人体内较为敏感的器官和组织。

针对现有研究中存在的不足之处，本发明提出了一种具有低电磁辐射的视觉假体无线充电装置及其充电控制方法。该装置通过体外发射端装置，以无线的方式为体内植入式视觉假体提供稳定的能量传输，使患者摆脱了体内蓄电池的束缚，无需定期地进行电池更换手术。同时，相比于现有的视觉假体无线充电装置，本发明所述的装置采用阵列式发射线圈，通过电压注入法，能有效地检测与接收线圈耦合程度最高的发射线圈位置，从而精准地导通对应位置的发射线圈，实现聚焦主磁场，降低无效漏磁场的目的，达到降低系统对人体和植入电子设备产生的电磁辐射、提高系统效率的目的。此外，本发明所述的无线充电装置还适用于任意形状，任意植入位置的接收线圈，具有灵活度高、适用性广的优点。

技术实现要素：

本发明为了解决现有的应用于植入式视觉假体的无线供电系统中存在的电磁安全性差，传输效率低等问题，本发明提供了以下技术方案：

一种低电磁辐射的视觉假体无线充电系统，所述系统包括体外发射端镍铁合金镜架、镜片式pcb发射端、镍铁合金镜脚、接收线圈、电压传感器、蓝牙接收模块、蓝牙发射模块、dsp控制器、切换开关、e类放大器、直流电源、补偿电容、不控整流电路和微电极控制器；

所述直流电源连接e类放大器，所述e类放大器连接切换开关，所述切换开关连接镜片式pcb发射端，所述镜片式pcb发射端安装在体外发射端镍铁合金镜架内，所述dsp控制器连接控制切换开关，所述dsp控制器连接蓝牙接收模块；

所述镜片式pcb发射端与接收线圈通过高频磁场耦合，所述接收线圈连接蓝牙发射模块和电压传感器，所述蓝牙发射模块连接补偿电容，所述补偿电容连接不控整流电路,所述不控整流电路连接微电极控制器，所述微电极控制器连接视神经假体，所述体外发射端镍铁合金镜架侧面连接镍铁合金镜脚。

优选地，所述镜片式pcb发射端包括阵列式发射线圈和发射端贴片电容，所述阵列式发射线圈集成于镜片式pcb发射端一面，阵列式发射线圈的输出端与发射端贴片电容串联，所述发射端贴片电容与切换开关连接。

优选地，阵列式发射线圈包括n×m个发射线圈，所述n和m均大于等于2，所述发射线圈线圈尺寸相同，在空间上对称分布于镜片式pcb发射端面上，所述发射线圈为矩形或圆形线圈。

优选地，所述所述镜片式pcb发射端为双面板结构。

优选地，所述体外发射端镍铁合金镜架包括鼻托，铰链和镜片外壳，鼻托安装于镜片外壳内侧；铰链安装于镜片外壳两侧，用于连接镍铁合金镜脚与镜片外壳。

一种低电磁辐射的视觉假体无线充电控制方法，包括以下步骤：

步骤1：通过直流电源为e类放大器供电，e类放大器输出高频电压，对直流电源进行初始供电；

步骤2：通过dsp控制器向切换开关发送控制信号，控制镜片式pcb发射端中的发射线圈与e类放大器串联；

步骤3：通过电压传感器检测接收线圈的开路电压有效值，蓝牙发送模块将开路电压有效值发送给蓝牙接收模块，通过蓝牙接收模块将开路电压有效值传递给dsp控制器；

步骤4：dsp控制器根据检测到的开路电压有效值的幅值，按电压幅值从大到小的顺序，对发射线圈进行排序；

步骤5：dsp控制器根据排序控制切换开关，通过coil1至coilk的排序表示发射线圈，k＝1时，仅导通编号coil1的发射线圈，通过电压传感器检测接收线圈中的感应电压；

步骤6：当接收线圈导通时，采集接收线圈的感应电压信息；通过蓝牙发送模块将感应电压信息传递给蓝牙接收模块，蓝牙接收模块再将感应电压信息传递给dsp控制器；

步骤7：通过dsp控制器判断感应电压是否大于等于充电所需电压，直至切断e类放大器的供电；

步骤8：令直流电源的供电电压udd满足：udd新＝udd+1v；重复步骤5至步骤8，直至感应电压大于等于充电所需电压，通过补偿电容和不控整流电路整流后，对微电极控制器供电，直至微电极控制器的soc为1，微电极控制器刺激视神经假体产生刺激信号。

优选地，步骤2中所述的镜片式pcb发射端中同一时刻仅有单个发射线圈导通，待单个发射线圈导通3s后，关闭与发射线圈相连的开关，再由dsp通过切换开关控制下一个发射线圈与e类放大器连接，直至镜片式pcb发射端中每个发射线圈单元均导通过一次后停止。

优选地，当切换开关导通时，各个发射线圈与e类放大器的输出端并联，此时导通的发射线圈具有相同的输入电压。

优选地，当所述直流电源的soc为1时，切断e类放大器的供电。

优选地，所述步骤7具体为：dsp控制器判断感应电压是否大于等于充电所需电压，当感应电压大于等于充电所需电压，进行无线充电；当感应电压小于充电所需电压,令k＝k+1，重复步骤5至步骤7，直至k＞n。

本发明具有以下有益效果：

本发明可以通过无线的方式为体内植入式视觉假体提供稳定的能量传输，使患者摆脱了体内蓄电池的束缚，无需定期地进行电池更换手术，减少了患者需要承担的手术风险和手术费用。相比于传统的采用有线充电方式的视觉假体，还可以避免因导线接口引起的生物组织感染、排异反应等问题。同时，相比于现有的视觉假体无线充电装置，本发明所述的无线充电装置采用集成化设计，将发射端磁芯、发射线圈和发射端谐振电容集成于外部眼镜当中，具有体积小、佩戴方便、充电灵活的优点。进一步地，本发明所述的装置采用阵列式发射线圈，各线圈控制独立，配合本发明所述的充电控制方法，能有效地检测与接收线圈耦合程度最高的发射线圈位置，从而精准地导通对应位置的发射线圈，避免了无效漏磁场的产生，达到降低系统对人体和植入电子设备产生的电磁辐射、提高系统效率的目的。此外，本发明所述的无线充电装置还适用于任意形状，任意植入位置的接收线圈，具有适用性广的优点。

附图说明

图1为应用于视觉假体的低电磁辐射无线充电系统的系统框图；

图2为视觉假体无线充电装置的结构示意图；

图3为视觉假体无线充电装置轴侧装配示意图；

图4为镜片式pcb发射端的结构示意图；

图5为镜片式pcb发射端的主视图；

图6为视觉假体无线供电系统的充电控制方法的流程图。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。

具体实施例一：

根据图1至图6所示，本发明提供一种低电磁辐射的视觉假体无线充电系统及其控制方法：

一种低电磁辐射的视觉假体无线充电系统，所述系统包括体外发射端镍铁合金镜架1、镜片式pcb发射端2、镍铁合金镜脚3、接收线圈4、电压传感器5、蓝牙接收模块、蓝牙发射模块、dsp控制器、切换开关、e类放大器、直流电源、补偿电容、不控整流电路和微电极控制器；

所述直流电源连接e类放大器，所述e类放大器连接切换开关，所述切换开关连接镜片式pcb发射端2，所述镜片式pcb发射端2安装在体外发射端镍铁合金镜架1内，所述dsp控制器连接控制切换开关，所述dsp控制器连接蓝牙接收模块；

所述镜片式pcb发射端2与接收线圈4通过高频磁场耦合，所述接收线圈4连接蓝牙发射模块和电压传感器5，所述蓝牙发射模块连接补偿电容，所述补偿电容连接不控整流电路,所述不控整流电路连接微电极控制器，所述微电极控制器连接视神经假体，所述体外发射端镍铁合金镜架侧面连接镍铁合金镜脚。

所述镜片式pcb发射端包括阵列式发射线圈21和发射端贴片电容22，所述阵列式发射线圈21集成于镜片式pcb发射端一面，阵列式发射线圈21的输出端与发射端贴片电容22串联，所述发射端贴片电容与切换开关连接。

阵列式发射线圈包括n×m个发射线圈，所述n和m均大于等于2，所述发射线圈线圈尺寸相同，在空间上对称分布于镜片式pcb发射端面上，所述发射线圈为矩形或圆形线圈。

所述所述镜片式pcb发射端为双面板结构。

所述体外发射端镍铁合金镜架包括鼻托，铰链和镜片外壳，鼻托安装于镜片外壳内侧；铰链安装于镜片外壳两侧，用于连接镍铁合金镜脚与镜片外壳。

一种低电磁辐射的视觉假体无线充电控制方法，包括以下步骤：

步骤1：通过直流电源为e类放大器供电，e类放大器输出高频电压，对直流电源进行初始供电；

步骤2：通过dsp控制器向切换开关发送控制信号，控制镜片式pcb发射端中的发射线圈与e类放大器串联；

步骤2中所述的镜片式pcb发射端中同一时刻仅有单个发射线圈导通，待单个发射线圈导通3s后，关闭与发射线圈相连的开关，再由dsp通过切换开关控制下一个发射线圈与e类放大器连接，直至镜片式pcb发射端中每个发射线圈单元均导通过一次后停止。

步骤3：通过电压传感器检测接收线圈的开路电压有效值，蓝牙发送模块将开路电压有效值发送给蓝牙接收模块，通过蓝牙接收模块将开路电压有效值传递给dsp控制器；

步骤4：dsp控制器根据检测到的开路电压有效值的幅值，按电压幅值从大到小的顺序，对发射线圈进行排序；

步骤5：dsp控制器根据排序控制切换开关，通过coil1至coilk的排序表示发射线圈，k＝1时，仅导通编号coil1的发射线圈，通过电压传感器检测接收线圈中的感应电压；

步骤6：当接收线圈导通时，采集接收线圈的感应电压信息；通过蓝牙发送模块将感应电压信息传递给蓝牙接收模块，蓝牙接收模块再将感应电压信息传递给dsp控制器；

步骤7：通过dsp控制器判断感应电压是否大于等于充电所需电压，直至切断e类放大器的供电；

所述步骤7具体为：dsp控制器判断感应电压是否大于等于充电所需电压，当感应电压大于等于充电所需电压，进行无线充电；当感应电压小于充电所需电压,令k＝k+1，重复步骤5至步骤7，直至k＞n。

步骤8：令直流电源的供电电压udd满足：udd新＝udd+1v；重复步骤5至步骤8，直至感应电压大于等于充电所需电压，通过补偿电容和不控整流电路整流后，对微电极控制器供电，直至微电极控制器的soc为1，微电极控制器刺激视神经假体产生刺激信号。

当切换开关导通时，各个发射线圈与e类放大器的输出端并联，此时导通的发射线圈具有相同的输入电压。

当所述直流电源的soc为1时，切断e类放大器的供电。

具体实施例二：

本发明的目的是为了解决现有的应用于植入式视觉假体的无线供电系统中存在的电磁安全性差，传输效率低等问题，提出一种低电磁辐射的视觉假体无线充电装置及其充电控制方法。下面结合图1至图6说明本发明的具体实施方式。

本发明所述的应用于视觉假体的低电磁辐射无线充电系统的系统框图如附图1所示；在电路结构上，体外通过直流电源给e类放大器供电，之后e类放大器输出频率固定的mhz级别的高频电压；然后通过切换开关控制镜片式pcb发射端中各阵列式发射线圈的导通，e类放大器在导通的发射线圈中产生高频交变电流，进而在空间中激发高频磁场向植入式接收线圈供电；

接收线圈植入于人体内部，其形状为矩形或圆形线圈；发射线圈激发的高频磁场在植入式接收线圈感应出高频输出电压后，通过接收端补偿电容和不控整流电流后，向植入式微电极控制器供电，进而控制微刺激电极对视觉神经产生刺激信号；其中，接收端补偿电容的作用为补偿接收线圈的自感，消除系统中的无功功率，提高系统的功率因数；

植入式电压传感器安装于人体内部，其作用为检测接收线圈的输出电压，然后将检测到的输出电压信号通过体内蓝牙发送模块发送给体外的蓝牙接收模块，进而传递给体外dsp控制器；

体外dsp控制器通过对比感应电压与预设充电所需电压的大小，由dsp控制器来控制切换开关的通断；配合本发明所述的充电控制方法，能有效地检测与接收线圈耦合程度最高的发射线圈位置，从而通过dsp控制器精准地导通对应位置的发射线圈，避免了无效漏磁场的产生，达到降低系统对人体和植入电子设备产生的电磁辐射、提高系统效率的目的；

本发明所述的一种低电磁辐射的视觉假体无线充电装置如附图2和附图3所示，其外形为眼镜结构，它由三部分构成，第一部分为体外发射端镍铁合金镜架，第二部分为镜片式pcb发射端,第三部分为镍铁合金镜脚；其功能为在空间中产生高频交变磁场，向电能接收端装置传输能量；

所述的体外发射端镜架由鼻托，铰链和镜片外壳共三部分组成，所有材料均采用镍铁合金；其中镜片外壳采用镜片形状，其尺寸略大于镜片式pcb发射端，可以将镜片式pcb发射端内嵌于镜片外壳之中；所述鼻托安装于两个镜片外壳的内侧，起连接两个镜片外壳，固定外形的作用；铰链安装于镜片外壳两侧，用于连接镍铁合金镜脚与镜片外壳；所述的体外发射端镍铁合金镜架一方面起支撑作用，另一方面起引导发射线圈产生的磁力线走向的作用，并对发射线圈产生的主磁场进行塑形，从而增强发射线圈和植入式接收线圈之间的互感和耦合系数，并屏蔽发射线圈产生的漏磁场；采用镍铁合金的目的一方面是因为该材料具有较高的磁导率，能有效塑形磁场，另一方面是因为该材料在高频磁场中的损耗较小，能有效提高无线供电系统的传输效率；

本发明所述的镜片式pcb发射端如附图4和附图5所示,采用印制电路板工艺，为双面板结构，由阵列式发射线圈和发射端贴片电容两部分组成，并内嵌于体外发射端镍铁合金镜架之中；所述发射线圈通过印制电路板工艺集成于镜片式pcb发射端一面，其输出端与发射端贴片电容串联后再与外部的切换开关连接；所述发射端贴片电容的个数与阵列式发射线圈的个数相同，焊接于镜片式pcb发射端的另一面，每个发射端贴片电容与单个发射线圈在电路上串联，其作用为补偿发射线圈的自感，消除系统中的无功功率；

进一步地，每个镜片式pcb上均集成有n×m个发射线圈，其中n，m均大于等于2；各发射线圈尺寸完全相同，在空间上对称分布于镜片式pcb上；所述发射线圈为矩形或圆形线圈；发射线圈的匝数为np，由系统所需的输出电压和传输功率决定；

进一步地，本发明所述的镜片式pcb发射端在电路上与外部的切换开关和e类放大器相连接；由外部切换开关来控制镜片式pcb发射端中各阵列式发射线圈的导通；

本发明还提供了一种低电磁辐射的视觉假体无线充电装置的充电控制方法，本发明所述的低电磁辐射的视觉假体无线充电装置的充电控制方法分为以下6个基本步骤：

步骤1：初始化系统，令k＝1，体外直流电源为e类放大器供电，e类放大器输出高频电压；体外直流电源的初始供电电压udd为5v；

步骤2：dsp控制器向切换开关发送控制信号，使得镜片式pcb发射端中的发射线圈依次与e类功率放大器串联，激发高频磁场向植入式接收线圈供电；

步骤3：在单个发射线圈单元导通的过程中，通过植入式电压传感器检测此时接收线圈的开路电压有效值，分别记为u1..ui..un，其中i＝1,2…n；通过体内蓝牙发送模块将u1..ui..un发送给体外的蓝牙接收模块，传递给dsp控制器；

步骤4：dsp控制器根据检测到的感应电压u1..ui..un的幅值，按感应电压幅值从大到小的顺序，对发射线圈进行排序，记为coil1..coilj..coiln，j＝1,2…n，其中coil1表示感应电压最大时对应的发射线圈，coiln表示感应电压最小时对应的发射线圈；·

步骤5：dsp控制器控制切换开关导通编号为coil1..coilk的发射线圈(k＝1时，仅导通编号coil1的发射线圈)，之后通过植入式电压传感器检测接收线圈中的感应电压uout；

步骤6：检测射线圈coil1..coilk同时导通时接收线圈的感应电压信息，记为uout；通过蓝牙发送模块将电压信息uout传递给体外的蓝牙接收模块，之后将感应电压信息传递给dsp控制器；

步骤7：dsp判断感应电压uout是否大于等于充电所需电压uneed，若uout≥uneed，保持此时的状态进行无线充电，直至电池soc为1时，切断e类放大器的供电；若uout<uneed,令k＝k+1，重复步骤5至步骤7，直至k＞n；

步骤8：令体外直流电源的供电电压udd满足：udd＝udd+1v；重复步骤5至步骤8，直至uout≥uneed，此时保持该状态进行无线充电，直至电池soc为1；

进一步地，步骤2中所述的镜片式pcb发射端中同一时刻仅有单个发射线圈导通；待单个发射线圈导通3s后，关闭与该线圈相连的开关，再由dsp通过切换开关控制下一个发射线圈与e类放大器连接，直至镜片式pcb发射端中每个发射线圈单元均导通过一次后停止；

进一步的，步骤6中当切换开关导通时，各发射线圈coil1..coilk与e类放大器的输出端并联，此时导通的发射线圈具有相同的输入电压；

以上所述仅是一种低电磁辐射的视觉假体无线充电系统及其控制方法的优选实施方式，一种低电磁辐射的视觉假体无线充电系统及其控制方法的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。