专利名称：用于植入式医疗设备的电磁感应供能装置的制作方法
技术领域：
本发明属于医疗仪器技术领域，特别涉及植入式医疗设备的经皮能量传 输供能装置。
技术背景植入式医疗设备种类繁多，应用范围也很广，常见的如人工耳蜗、心脏 起搏器、深部脑刺激器、人工括约肌、外周神经刺激器和肌肉刺激器等等。各类植入式医疗设备的使用寿命主要决定因素是电池的容量。传统的植 入式医疗设备都采用高能量密度的锂电池进行供能，为了延长植入式医疗设 备的使用寿命，不得不尽可能地降低植入设备电路功耗的同时增加电池容量， 这使得目前使用的植入式医疗设备的电池重量和体积过大，如心脏起搏器的 电池体积占到了整个植入部分的一半以上。但无论怎样提高电池的容量，植 入式医疗设备始终面临电能耗尽的问题，导致患者必须再次接受手术，更换 植入式医疗设备，给病患带来再次痛苦和经济负担。因此，对植入式医疗设 备的能量供应成为其发展的关键问题。目前植入式医疗设备供能方式的研究主要包括电磁感应供能，以及利 用体内其它能量的转换供能，如利用血液中氧和氢进行燃料电池反应、温差 供电、利用生物体自身的机械能，或直接从神经上提取电能等。目前被广泛 接受的供能方式主要是电磁感应供能或充电，也成为近年来研究的重点。植 入式医疗设备采用电磁感应耦合供能是通过体外初级线圈产生电磁场，利用 电磁场穿透人体皮肤，体内次级线圈接收后将电磁场转化为直流电，从而达 到向植入式医疗设备供电的目的。但是植入式医疗设备植入患者体内，这就要求植入式设备体积小、重量 轻。因此，体内感应线圈体积必须进行微型化设计且易于电路集成，而现有 技术中体内次级感应线圈通常采用螺线管线圈，很难实现进一步的微型化和 集成化。中国发明专利"可充电的脑深部刺激器"(申请号200410019937. X)给出 了一种无线充电供能方案，它采用传统变压器方式，发射线圈和接收线圈分 别绕制在U型磁芯上，U型磁芯要求磁芯具有较大的高度，在轻薄小巧的植入 式医疗设备中很难实用化。中国发明专利"用于植入的医疗装置的低频经皮 能量传递系统"(申请号200510079670. 8)提出了一种低频经皮能量传递系统， 发射线圈和接收线圈采用绞合线绕制，绞合线由独立的薄膜绝缘线组成，这 些薄膜绝缘线被编织在一起形成一个导体，从而实现线圈功率损失最小化， 并且体内接收线圈采用双线圈并联方式增大电路接收磁通量，接收线圈直径 达到2.4英寸，很难适用于小型化的植入式医疗设备。中国发明专利"用于 植入式医疗仪器的经皮无线充电装置"(申请号200610011809. X)给出了一种 经皮无线充电装置，该装置的发射线圈和接收线圈采用柱型磁芯绕制而成， 基本实现了接收线圈的小型化。但是采用绕制线圈的精度有限，并且无法实 现同植入式医疗设备的同电路版集成。发明内容针对现有技术的上述不足，本发明所要解决的技术问题是，提供一种能 够满足植入式医疗设备微型化和集成化要求的体积小、精度高、简单可靠， 并具有一定效率的经皮无线供能装置，实现从体外向植入体内的医疗设备进 行供能。本发明解决上述技术问题的技术方案是，设计一种用于植入式医疗设备的电磁感应供能装置，该装置包含位于体外的发射电路和植入人体内的接收 电路，利用电磁感应原理，发射电路和接收电路采用松弛耦合方式实现经皮 能量传递，体内接收电路包含，由印制板无芯平面螺旋电感线圈构成的接收 线圈，与所述接收线圈相连接的整流滤波电路及充电电路或负载；体外发射 电路包含，印制板无芯平面螺旋电感构成的发射线圈，与发射线圈输入端连 接的由电源电路、振荡电路、功率放大电路依次串联组成的发射驱动电路。体内接收电路通过电磁波松弛耦合到体外发射电路，由体内接收线圈接 收体外发射电路发射的电磁波，感应出同频率的电信号。接收线圈采用双面 或多层堆栈式印制板平面螺旋电感设计；接收线圈和发射线圈采用同轴方式 放置。接收线圈可与整流电路、滤波电路、充电电路或负载等的印制板一体 化集成设计。滤波电路输出稳定的直流供电电压，根据植入式医疗设备的种类不同， 可以直接作为植入式设备电源，也可以连接充电电路，为植入式设备的可充 电电池充电。体外发射线圈和体内接收线圈可以采用体外大线圈、体内小线 圈的设计方式，呈同轴方式放置，线圈采用松弛藕合方式，位置容差性好。采用印制板无芯平面螺旋电感线圈设计接收线圈，用来接收经皮传递的 电磁能量。该线圈采用印制板无芯设计，避免了机器或人工绕线精度低的缺 点，实现了经皮能量传递系统的印制板一体化集成，并且通过双面或多层堆 栈式PCB电感，还可以进一步减小系统体积；线圈采用松弛藕合方式，位置 容差性好。本发明的电磁感应供能装置能够穿过皮肤对植入人体的医疗设备 进行供电，避免了电池能量耗尽后的再次手术，延长了植入式医疗仪器的使 用寿命，减少了患者接受手术的危险，减轻了患者的痛苦和经济负担；
图1电磁感应供能装置结构示意2印制板无芯平面螺旋电感线圈示意图 图3电磁感应供能装置体内接收电路示意图 图4电磁感应供能装置体外发射电路示意图具体实施方式
为了实现本发明的目的，本发明采用了如下的技术方案，用于植入式医 疗设备的电磁感应供能装置，包含位于体外的发射电路和植入人体内的接收 电路，所述体内接收电路包含由印制板无芯平面螺旋电感线圈构成的接收 线圈和依次与所述接收线圈相连接的整流电路和滤波电路。滤波电路输出稳 定的直流供电电压，根据植入式医疗设备的种类不同，可以直接作为植入式 设备电源，也可以连接充电电路，为植入式设备的可充电电池充电。所述体 外发射电路包含由印制板无芯平面螺旋电感构成的发射线圈，以及与发射 线圈输入端连接的由电源电路、振荡电路、功率放大电路组成的发射驱动电 路。现在具体参考附图对本发明的实施做详细的说明。如图1所示，为本发明所述的用于植入式医疗设备的电磁感应供能装置 系统结构示意图，该装置包含位于体外的发射电路和植入人体内的接收电路， 体外发射电路位于边界3外部，边界3可以是人体皮肤组织，也可以是其它类型的生物材料或组织。体外发射电路包括发射线圈l和发射驱动电路2，由 发射驱动电路2驱动发射线圈1产生指定功率的电磁波输出。体内接收电路 位于边界3内部，与体外发射电路分离，通过电磁波松弛耦合到体外发射电 路，电磁波由图1中发射驱动电路2产生，箭头表示其传播方向。体内接收 电路通过接收线圈4接收电磁波，由整流滤波电路5产生稳定的直流供电电压，并且输出到植入充电电路或负载6为其提供电能。本发明通过电磁感应 的方式，实现体外发射电路和体内接收电路的松弛耦合。为了提高发射线圈 和接收线圈之间的耦合效率，同时满足植入式医疗设备对体内接收电路的微 型化、集成化，以减轻植入式医疗设备的体积和重量的要求，本发明采用印 制板无芯平面螺旋电感的发射线圈和接收线圈，体外发射线圈和体内接收线 圈可以采用体外大线圈、体内小线圈的设计方式，并且可采用同轴方式放置， 线圈采用松弛藕合方式，位置容差性好。所述发射线圈和接收线圈的形状、大小、线宽和布线间距可以根据植入 式医疗设备的具体要求，进行优化设计。如图2所示，给出了可以采用的两 种线圈设计，植入体内的接收线圈4可以采用多层堆栈式印制板平面螺旋电 感设计，在减小线圈直径的同时保持较高的磁通量接收能量，保证电磁耦合 效率。体外的发射线圈1可以采用尺寸较大的印制板平面螺旋电感设计，从 而能够在较大平面内产生较高磁通密度的电磁场，提供稳定的电磁能量输出。 当体内接收线圈4相对发射线圈1发生平行位移时，接收线圈4感应的磁场 不会有较大变化，它们之间的电磁耦合状况也不会有较大变化。因此，相比 已有技术中内外线圈对称、采用U型或柱型磁芯的设计，本发明提出的技术 方案，在减小体内接收电路体积的同时，保证了供能装置的线圈耦合的稳定 性，使经皮无线供能过程更为可靠。如图3所示为本发明所述的电磁感应供能装置体内接收电路示意图，包 括接收线圈4、滤波电路7、整流电路8以及充电电路或负载6。接收线圈4 与体外发射线圈1经过边界3实现电磁耦合，感应出同频率的电信号，并输 出到整流电路7进行整流，再经滤波电路8进行滤波后得到稳定的直流电压 输出，并利用该直流电压输出驱动植入式医疗设备的充电电路或相应负载，从而实现经皮无线能量传递，对植入式医疗设备进行供能。考虑到体内部分 对微型化和集成化的要求，接收线圈可采用印制板螺旋线圈实现和整流电路、 滤波电路以及植入式医疗设备的充电电路或负载等的印制板一体化集成化， 从而减小了植入式医疗设备的体积和重量。如图4所示为电磁感应供能装置体外发射电路示意图。包括发射线圈1、 电源电路11、振荡电路10和功率放大电路9。电源电路11可以使用交流供 电电路，也可以使用电池供电电路构成。电源电路ll为体外发射电路提供电 能，电源电路产生稳定的直流电压信号输入振荡电路10，产生交变的电压信 号输出，该交变信号输入功率放大电路9放大处理后，通过发射线圈1输出 一定功率的交变磁场，保证体内接收线圈4接收到足够的磁通量。振荡电路 IO可以采用LC串联共振补偿网络构成，也可以采用其他共振方式构成，功率 放大电路9采用E类放大器，或者其他高效的功率放大器。所述功率放大电 路的输出端和发射线圈连接。本发明所述的电磁感应供能装置能够穿过皮肤对植入人体的医疗设备进 行供电，避免了电池能量耗尽后的再次手术，延长了植入式医疗仪器的使用 寿命，减少了患者接受手术的危险，减轻了患者的痛苦和经济负担；采用印 制板无芯平面螺旋电感线圈，避免了机器或人工绕线精度不够的缺点，实现 了经皮能量传递系统的印制板一体化集成，并且通过双面或多层堆栈式PCB 电感提高经皮能量传递效率，同时保证系统体积的小型化，有效减小植入式 医疗仪器的尺寸和重量，从而减轻植入式医疗设备作为人体内的异物对患者 身体的不良影响，改善患者的生活质量。
权利要求
1、用于植入式医疗设备的电磁感应供能装置，包含位于体外的发射电路和植入体内的接收电路，其特征在于，所述体内接收电路由印制板无芯平面螺旋电感线圈构成的接收线圈和依次与所述接收线圈相连接的整流电路和滤波电路构成；所述体外发射电路由印制板无芯平面螺旋电感线圈构成的发射线圈，以及与发射线圈依次串联的功率放大电路、振荡电路和电源电路；体内接收电路通过电磁波松弛耦合到体外发射电路，由体内接收线圈接收体外发射电路发射的电磁波，感应出同频率的电信号。
2、 根据权利要求l所述的电磁感应供能装置，其特征在于，所述体外发 射线圈和体内接收线圈采用体外大线圈、体内小线圈，并且同轴方式放置。
3、 根据权利要求1或2所述的电磁感应供能装置，其特征在于，接收线圈采用双面或多层堆栈式印制板平面螺旋电感设计。
4、 根据权利要求1或2所述的电磁感应供能装置，其特征在于，接收线 圈与整流电路、滤波电路、充电电路或负载的印制板一体化集成。
全文摘要
本发明请求保护一种用于植入式医疗设备的电磁感应供能装置，该电磁感应供能装置包含位于体外的发射电路和植入人体内的接收电路，体内接收电路包含由印制板无芯平面螺旋电感线圈构成的接收线圈和依次与所述接收线圈相连接的整流电路和滤波电路；体外发射电路包含印制板无芯平面螺旋电感构成的发射线圈，以及与发射线圈输入端连接的由电源电路、振荡电路、功率放大电路组成的发射驱动电路。本发明利用电磁感应原理从外部控制模块经皮能量传递，实现向植入式医疗装置供能。本发明适用于植入式医疗设备。
文档编号A61N1/372GK101234230SQ20071009322
公开日2008年8月6日 申请日期2007年12月27日 优先权日2007年12月27日
发明者何庆华, 冯正权, 豫 卓, 吴宝明, 闫庆广, 华 黄 申请人:中国人民解放军第三军医大学野战外科研究所