基于超声波的无线充电方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及医疗器械领域，主要是指利用超声波来实现对于植入人体内的有源医 疗设备进行充电，更加具体地来说，特别是涉及一种基于超声波的无线充电方法。
【背景技术】
[0002] 有源植入式医疗设备是指通过外壳或内科手段，部分或全部植入人体，或通过医 疗手段介入自然腔口且拟留在体内的植入式医疗器械，依靠电能或其他能源来帮助患者实 现或恢复系统或器官的功能，现有的有源植入设备主要包括植入式心脏起搏器、植入式人 工耳蜗、植入式神经刺激器、植入式机电心脏循环系统等。这类植入式医疗器械价格普遍比 较昂贵，但寿命大多较短，造成这类器械寿命较短的主要原因是其携带电池的容量问题。
[0003] 为延长植入式器械的使用寿命，现有的方式主要是一方面尽可能低的降低植入式 器械的能耗，另一方面是更换能量密度更大和容量更大的电池，这增加了植入式系统的体 积和重量，如现有的典型的传统的植入体内的心脏起搏器的电池重量和体积就占了整个系 统的一半以上，即使采用了最新的锂电池，其寿命一般也只能维持5-8年，电池储能一旦耗 尽，需要再次手术更换电池，甚至更换整个系统，增加病人的痛苦，同时也增加了病人的经 济压力。由此可见，有源植入式医疗器械的电能问题已经成为制约其发展的一个瓶颈。
[0004] 有源植入式医疗器械的无线充电技术，可将电能以无线的方式由体外输送到体 内，完成对电池的充电，是解决以上问题的一个有效途径。该技术不会损伤皮肤，可避免手 术感染，减小病人的痛苦，大大降低病人的治疗成本，在医疗行业有着广阔地应用前景。现 有的正在研宄中的无线能量传输方式主要有电磁感应，此方式存在着方向性不好、体内穿 透性差、接收线圈体积偏大及电磁辐射等缺点，制约着此技术的发展。
[0005] 鉴于现有植入式有源医疗设备在植入体内一定年限后会出现电源耗尽的情况，由 此，需要再进行电源的更换或者补给。现有技术中一般采取两种做法，第一通过手术的方式 来进行电源的更换，此方法给受治者带来了巨大的生理疼痛，而且手术费用也比较昂贵；第 二就是通过外部设备对体内的设备进行电源补给，其中又包含侵入式和非侵入式，侵入式 也即是会侵入体内，与通过手术的方式类似，不过创伤相对手术的方式来的更小，而非侵入 式就是通过类似电磁感应或者其他类似能量传输的方式来进行电源的补给。不过，现有的 电磁感应无线能量传输方式存在着方向性不好、体内穿透性差、接收线圈体积偏大及电磁 辐射等缺点，制约着此技术的发展。
[0006] 另外，现有技术中还有通过超声波等非侵入式来对有源医疗设备进行电源补给的 设备，不过在使用过程中发现现有的这些涉及非侵入式的电源补给设备还是存在一些缺 陷：
[0007] 首先，位于体内的用于接收外部能量输出信号的接受设备较为复杂，存在除了有 源医疗设备意外的其他耗能设备，从而增加了对于体内供能设备的消耗，这样导致使用者 进行功能设备电源补给的时间频率变大，过度频繁地进行功能设备的充电也会降低有源医 疗设备本身的性能，无形之中让使用者的出现意外的风险几率增加。
[0008] 其次，由于在体内还增设有除了有源医疗设备、电源功能的其他与电源直接补给 无关的部件，使得植入设备的体积或者形状变大，进而增加了有源医疗设备植入的难度。
[0009] 另外，现有的非侵入式的电源补给设备在进行充电时，充满一次电的耗时较久，而 且位于体内的能量转换部件的电能转换效率也不高，而且在充电过程中由于充电时间过 长，超声波产生的内热往往会使充电部位的皮肤受损，出现红肿等现象。
[0010] 总之，基于现有技术中所存在的缺陷，本发明提出一种基于超声波的无线充电方 法，用以对植入体内的有源医疗器械设备中的电池/电源部件充电。
【发明内容】
[0011] 鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于超声波的无线充 电方法，用于解决现有技术中通过手术的方式对植入人体内的有源医疗设备进行充电所带 的皮肤损伤、手术感染以及身体疼痛的问题，以提供一种更安全、有效、更长久、无污染的供 电技术。
[0012] 为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供以下技术方案：
[0013] 一种基于超声波的无线充电方法，至少包括以下步骤：1)输出一脉冲式的聚焦超 声波；2)将所述聚焦超声波作用于一为1-3型压电复合材料的圆柱形换能片上，并由所述 圆柱形换能片将所述聚焦超声波转换成具有电势差的压电信号后予以输出；3)将所述压 电信号转换成适于充电的直流电信号，并予以输出；4)接收所述直流电信号并将其接入电 池模块以进行充电。
[0014] 作为上述基于超声波的无线充电系统的优选方案，由机械式聚焦换能器或相控式 聚焦换能器输出所述聚焦超声波。
[0015] 作为上述基于超声波的无线充电系统的优选方案，所述聚焦超声波的占空比小于 等于10%。
[0016] 作为上述基于超声波的无线充电方法及其优选方案的进一步优化，在步骤2)中， 所述圆柱形换能片的负载为纯阻特性，且所接收的所述聚焦超声波的频率介于所述圆柱形 换能片的正谐振频率和反谐振频率之间。
[0017] 作为上述基于超声波的无线充电方法及其优选方案的进一步优化，所述圆柱形换 能片的负载阻抗等于所述圆柱形换能片的阻抗，且所述聚焦超声波的频率等于所述圆柱形 换能片的正谐振频率。
[0018] 作为上述基于超声波的无线充电方法及其优选方案的进一步优化，为1-3型压电 复合材料的所述圆柱形换能片由压电陶瓷方柱、聚合物及上下电极组成，所述压电陶瓷方 柱和聚合物设置于所述上下电极之间，所述压电陶瓷方柱排列在聚合物中，且所述压电陶 瓷方柱占整个所述圆柱形换能片体积的40% -80%，所述压电陶瓷方柱的高度与方形边长 之比至少大于3。
[0019] 作为上述基于超声波的无线充电方法及其优选方案的进一步优化，所述圆柱形换 能片的直径为2-5个所述聚焦超声波的波长。
[0020] 综上来看，本发明至少具有以下有益效果：（1)本发明采用超声波作为能量的载 体，能够以无创的方式穿透人体，对体内的植入式医疗器械进行充电，避免了电池电能消耗 后通过再次手术更换电池或系统的过程，减轻了患者的再次手术的风险和痛苦，而且减轻 了患者的经济负担。（2)本发明采用脉冲式低强度聚焦超声传输能量，保证了超声波在传输 过程中的安全性、有效性和递送位置准确性。（3)本发明采用1-3型压电复合材料作为接收 换能片，保证了对输送到体内的超声波进行高效的吸收；(4)本发明还对超声波在进行传 输和转换过程的效率进行了进一步地优化，使得充电的时间更短、更高效，而且对于人体的 副作用更低。
【附图说明】
[0021] 图1显示为本发明一种基于超声波的无线充电系统的原理示意图。
[0022] 图2显示为一种圆柱形结构的1-3型压电复合材料来实现的换能片示意图。
[0023] 图3显示为谐振频率为0. 8MHz时1-3型压电复合材料换能片和PZT-5压电材料 换能片的阻抗对比曲线。
[0024] 图4显示为换能片上接不同纯阻负载时的输出电压与驱动频率曲线。
[0025] 图5显示为在换能片的阻抗和换能片负载阻抗的相同的情况下的功率输出效果 图
[0026] 图6显示为本发明中一种基于超声波的无线充电方法的实现流程图。
[0027] 附图标号说明
[0028] 10 超声波发射装置
[0029] 20 换能片
[0030] 21a，21b 电极
[0031] 22 压电陶瓷方柱
[0032] 23 聚合物
[0033] 30 适配电路模块
[0034] 40 电池模块
【具体实施方式】
[0035] 以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书 所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实 施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离 本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施 例中的特征可以相互组合。
[0036] 需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构 想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸 绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也 可能更为复杂。
[0037] 为了使本领域技术人员能够更好地理解本发明中的技术方案，这里对下面将要涉 及的技术予以解释说明。
[0038] 1-3型压电复合材料：是由一维的压电陶瓷柱平行地排列于三维连通的聚合物中 而构成的具有压电效应的两相压电复合材料。简单地来说，1-3型压电复合材料是一种压电 复合材料。
[0039] 鉴于现有植入式有源医疗设备在植入体内一定年限后会出现电源耗尽的情况，由 此，需要再进行电源的更换或者补给。现有技术中一般采取两种做法，第一通过手术的方式 来进行电源的更换，此方法给受治者带来了巨大的生理疼痛，而且手术费用也比较昂贵；第 二就是通过外部设备对体内的设备进行电源补给，其中又包含侵入式和非侵入式，侵入式 也即是会侵入体内，与通过手术的方式类似，不过创伤相对手术的方式来的更小，而非侵入 式就是通过类似电磁感应或者其他类似能量传输的方式来进行电源的补给。
[0040] 虽然，现有技术中也有涉及通过非侵入式来对有源医疗设备进行电源补给的设 备，不过在使用过程中发现现有的涉及非侵入式的电源补给设备还是存在一些缺陷：
[0041] 首先，位于体内的用于接收外部能量输出信号的接受设备较为复杂，存在除了有 源医疗设备意外的其他耗能设备，从而增加了对于体内供能设备的消耗，这样导致使用者 进行功能设备电源补给的时间频率变大，过度频繁地进行功能设备的充电也会