一种具有环形天线的植入式医疗设备的制作方法

1.本技术涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种具有环形天线的植入式医疗设备。


背景技术：

2.植入式医疗系统通常包括植入式神经电刺激系统、植入式心脏电刺激系统(俗称心脏起搏器)、植入式药物输注系统(idds)等，其中植入式神经电刺激系统包括脑深部电刺激(dbs)、植入式脑皮层刺激(cns)、植入式脊髓电刺激(scs)、植入式骶神经电刺激(sns)、植入式迷走神经电刺激(vns)等。以植入式神经电刺激系统为例，主要包括植入体内的脉冲发生器(即植入式神经刺激器)、电极以及体外控制器。其中，脉冲发生器通过延伸导线与电极相连接，从而将脉冲发生器所产生的脉冲传输到电极，脉冲发生器产生的脉冲信号由电极传输至特定神经靶点进行电刺激，从而使人体机能恢复到正常运作的状态。体外控制器包括医生程控仪和患者程控仪。
3.其中，患者程控仪是患者根据自己的情况控制其开关或者调节体内脉冲发生器的输出参数的装置，患者通常仅能够在医生设置的调节范围内自行调节。医生程控仪是医生用来根据患者情况监控调节体内脉冲发生器的输出参数的装置，通常一个医生程控仪可用来控制多个脉冲发生器。患者程控仪和医生程控仪可通过无线通信模式、磁性线圈或其他通信方式与脉冲发生器进行通信。
4.现有技术中的植入式医疗设备中通过设置无线通信天线与体外控制装置进行无线通信,传统的植入式医疗设备与体外控制器的通信频率在402～405mhz之间，因此对于单极天线，通常需要较长的长度才能达到需要的通信距离和效果，而设置较长的单极天线对于植入式医疗设备内部极为有限的空间来说较为困难。并且植入式医疗设备的头部设置有用于连接电极的多个金属挡块，而该金属挡块会对天线通信造成干扰，影响无线通信质量。另外一种用于植入式医疗设备的螺旋天线需要进行高精度加工，其加工过程较为复杂，并且螺旋天线是独立设计或仅考虑了天线与金属外壳的影响，采用螺旋天线的植入式医疗设备在实际工作时，螺旋天线受电极等其他结构影响较大，同样会降低天线效率，进而影响无线通信质量。


技术实现要素：

5.本技术提供了一种具有环形天线的植入式医疗设备，以解决传统植入式医疗设备中的天线较长、天线效率低，进而影响植入式医疗设备的无线通信质量的问题。
6.本技术解决上述技术问题所采取的技术方案如下：
7.一种具有环形天线的植入式医疗设备，其特征在于，包括：
8.外壳，设置在所述外壳中的电路板，设置在所述外壳上的外壳头部，设置在所述外壳头部中的若干组电极组件；
9.环形天线，所述环形天线包括设置在所述外壳头部中的环形天线本体和设置在所述电路板上的阻抗匹配网络，所述环形天线本体通过铂钇金属丝与所述电路板的环形天线
接口连接。
10.进一步的，所述阻抗匹配网络包括第一并联电容、串联电感、第二并联电容和串联电阻；
11.所述第一并联电容的一端与设置在所述电路板上的芯片天线接口连接；
12.所述串联电感的一端与所述第一并联电容的另一端连接；
13.所述第二并联电容的一端与所述串联电感的另一端连接；
14.所述串联电阻的一端与所述第二并联电容的另一端连接，所述串联电阻的另一端与所述铂钇金属丝的馈电端连接。
15.进一步的，所述第一并联电容的电容值为2.2pf，所述串联电感的电感值为3.4nh，所述第二并联电容的电容值为2.4pf，所述串联电阻的阻值为0。
16.进一步的，所述环形天线本体为六边形环状。
17.进一步的，所述环形天线的中心频率为2.45hz，带宽大于或等于100mhz。
18.进一步的，所述环形天线本体通过陶瓷连接体固定设置在所述电路板上。
19.进一步的，所述电极组件包括电极、金属挡块、硅胶塞和环形卡扣；
20.所述金属挡块和所述环形卡扣分别通过金属连接线与所述电路板固定连接，所述电极通过所述金属挡块和所述环形卡扣与所述电路板连接，所述电极通过设置在所述金属挡块上的硅胶塞与所述金属挡块固定连接。
21.进一步的，所述外壳的材料为钛，所述外壳头部的材料为环氧乙烷，所述电极、所述金属挡块和所述环形卡扣的材料均为铜。
22.本技术提供的技术方案包括以下有益技术效果：
23.本技术提供的一种具有环形天线的植入式医疗设备，包括：外壳，设置在外壳中的电路板，设置在外壳上的外壳头部，设置在外壳头部中的若干组电极组件；环形天线，其包括设置在外壳头部中的环形天线本体和设置在电路板上的阻抗匹配网络，环形天线本体的馈电端通过铂钇金属丝与电路板的环形天线接口连接。该设备利用外壳头部的空间，将采用的环形天线本体与电极组件合理的设置在外壳头部中，使环形天线本体可以满足天线长度要求，结合阻抗匹配网络，该环形天线可以在较低的发射功率下和体外控制装置在2米范围内可靠通信，并且其能耗较低，从而有效的延长了植入式医疗设备的使用寿命，环形天线的合理设置使植入式医疗设备的体积较小，便于植入人体体内，减少了高频辐射对人体的危害。
附图说明
24.图1为本技术实施例提供的植入式医疗设备的结构示意图；
25.图2为本技术实施例提供的植入式医疗设备的环形天线外围示意图；
26.图3为本技术实施例提供的植入式医疗设备的环形天线本体与金属挡块、陶瓷连接体之间的位置关系示意图；
27.图4为本技术实施例提供的植入式医疗设备的环形天线的阻抗匹配网络结构示意图；
28.图5为本技术实施例提供的植入式医疗设备的环形天线电路的s
11
曲线；
29.图6为本技术实施例提供的植入式医疗设备的环形天线的效率曲线；
30.图7为本技术实施例提供的植入式医疗设备的环形天线中心频率的第一方向图；
31.图8为本技术实施例提供的植入式医疗设备的环形天线中心频率的第二方向图。
32.附图标记说明：1
‑
外壳，2
‑
外壳头部，3
‑
电极，4
‑
环形天线本体，5
‑
陶瓷连接体，6
‑
铂钇金属丝，7
‑
电路板，31
‑
金属挡块，32
‑
硅胶塞，33
‑
环形卡扣，41
‑
芯片天线接口，42
‑
第一并联电容，43
‑
串联电感，44
‑
第二并联电容，45
‑
串联电阻，46
‑
铂钇金属丝的馈电端。
具体实施方式
33.为便于对本技术的技术方案进行描述和理解，以下首先对本技术所涉及到的一些概念进行说明。
34.本技术实施例提出了一种具有环形天线的植入式医疗设备，该设备所采集的环形天线结构简单、加工方便且通信效率高，该环形天线的频段为2.45ghz的蓝牙频段。蓝牙频段具有功耗低、延时低、天线尺寸较小等优势。该环形天线的结构与尺寸参数是考虑了植入式医疗设备的外壳、电极、金属挡块、金属连接线以及环氧乙烷和介质基板等的材料参数，采用cst2021时域求解器电磁全波仿真进行计算与优化。提供的该环形天线的效率更高，所以发射功率较低，节约电池能量并降低辐射对人体的影响。为了进一步提高环形天线带宽，提高带宽余量，在电路板上进行环形天线的阻抗匹配设计，匹配电路元件没有电阻耗能元件，使从芯片出来的能量无损耗馈入环形天线。
35.以下结合附图及实施例对本技术的技术方案作进一步的说明。
36.参见图1，为本技术实施例提供的植入式医疗设备的结构示意图。如图1中所示，该植入式医疗设备包括外壳1，外壳1的内腔体中设置有电路板7，设置在外壳1的上部的外壳头部2，一部分设置在外壳头部2中的若干电极3，其中，外壳1的材料采用金属钛，外壳头部2的材料采用环氧乙烷，环氧乙烷的介电常数为3.3，损耗角正切为0.002，电极3的材料采用金属铜。
37.参见图2，为本技术实施例提供的植入式医疗设备的环形天线外围示意图。如图2中所示，外壳头部2中设置有三组电极组件，电极组件包括电极3，用于设置电极3的金属挡块31和环形卡扣33，金属挡块31和环形卡扣33分别通过金属连接线与电路板7固定连接，金属挡块31设置在电极3的尾部，环形卡扣33设置在电极3的中间位置，电极3的头部穿出外壳头部2与植入电极相连接，并在金属挡块31上设置有硅胶塞32，使用硅胶塞32将电极3与金属挡块31进行固定连接，其中，三个电极3相互平行设置且相邻的两个电极3之间的距离相等，即三个金属挡块31相互平行且相邻的两个之间的距离相等，三个环形卡扣33相互平行且相邻的两个之间的距离相等，金属挡块31与环形卡扣33的材料均为金属铜，硅胶塞32的介电常数为4.0，损耗角正切为0.002。
38.在电极组件的左侧为环形天线的环形天线本体4，具体的，参见图3，为本技术实施例提供的植入式医疗设备的环形天线本体与金属挡块、陶瓷连接体之间的位置关系示意图。如图3中所示，环形天线本体4的形状为六边形环状，将其设置为六边形环状是在考虑了外壳1、金属连接线、金属挡块31、铂钇金属丝6、电极3、陶瓷连接体5、电路基板和环氧乙烷等所有结构以及材料参数的情况下，利用cst 2021时域求解器电磁全波仿真与优化所得到的结果。环形天线本体4的右侧先与一根铂钇金属丝6的一端通过套筒连接，经过一次弯折避开电极3及金属挡块31，再与外壳头部2边界相平行尽可能扩大环形天线本体4的周长，最
后沿着外壳壁平行与左侧的铂钇金属丝6的一端通过套管相连。两根铂钇金属丝6分别穿过陶瓷连接体5的两个孔，使两根铂钇金属丝6固定在电路板7上，两根铂钇金属丝6的另一端与电路板7上的电路板天线接口相连接。其中，陶瓷连接体5的介电常数为10，损耗角正切为0.001，铂钇金属丝6为理想电导体，电路板7的介电常数为4.3，损耗角正切为0.02。该环形天线本体4在外壳头部2的固定封装范围内合理的利用了空间，使其具有足够的长度，从而避免了因为天线长度不足而必须扩大外壳头部2的尺寸的问题，即保证了植入式医疗设备具有较小的体积。
39.为了进一步增大带宽，提高设计余量，在电路板7末端设计了由集总元件组成的环形天线的阻抗匹配网络。参见图4，为本技术实施例提供的植入式医疗设备的环形天线的阻抗匹配网络结构示意图，如图4中所示，信号从芯片天线接口41发出后，先经过一个电容值为2.2pf的第一并联电容42，再经过一个电感值为3.4nh的串联电感，之后经过一个电容值为2.4pf的第二并联电容，最后经过一个阻值为0的串联电阻，即实际应用中不串联电阻后馈入与环线天线本体4连接的铂钇金属丝的馈电端46。该环形天线的中心频率为2.45hz，带宽至少为100mhz，其中，贴片电感与贴片电容可以选用0603型号，可根据实际应用情况进行调整。该阻抗匹配网络中无电阻元件，使能量无损馈入到环形天线本体4中。
40.以下为对环形天线的性能的测试结果。
41.参见图5，为本技术实施例提供的植入式医疗设备的环形天线电路的s
11
曲线。环形天线以电路板7上的芯片射频端口为参考面，其散射参数s
11
如图5中所示，
‑
6db带宽为2395mhz
‑
2495mhz，完全覆盖蓝牙通信频段2400mhz
‑
2480mhz。
42.参见图6，为本技术实施例提供的植入式医疗设备的环形天线的效率曲线。在蓝牙频段带宽范围内，该环形天线的辐射效率大于85％，其效率高。
43.参见图7和图8，分别为本技术实施例提供的植入式医疗设备的环形天线中心频率的第一方向图和第二方向图。从图7和图8中可知，该环形天线在2.45ghz中心频率的天线增益为3.87db，在θ＝90
°
时，3db波束宽度为110
°
，在θ＝0
°
时为全向天线。在时，3db波束宽度为120
°
，在时，3db波束宽度为116
°
，所以该环形天线的主要能量向天线头部辐射。
44.本技术实施例提供的具有环形天线的植入式医疗设备，若仅是环形天线本体4接2.45ghz的发射端，其效率较低，设计时考虑了植入式医疗设备的所有结构及其材料参数，除了环形天线本体4以外，在金属连接线、金属挡块31上均有电流分布。该环形天线本体4的六边形环状设计满足了蓝牙频段天线的长度要求，并且设置在金属挡块31的侧面，合理的利用了头部外壳2中的空间，结合阻抗匹配网络使环形天线能够在较低的发射功率下，比如功率小于25uw，就可以和体外控制装置在2米范围内可靠通信，能耗较低，从而有效的延长了植入式医疗设备的使用寿命，并且使植入式医疗设备具有较小的体积，便于植入人体体内，减少了高频辐射对人体的危害。