多频带无线电力系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及用于将电力无线中继至植入用户（104）体内装置的模块（110）。该模块可以包括适于由用户佩戴的结构（115）、配置为以第一频率接收第一无线电力传输的接收器（212）、配置为以不同于第一频率的第二频率发送第二无线电力传输的发射器（216）以及配置成将第一无线电力传输所产生的电能转换成用于产生第二无线电力传输的电能的频率变换器（218）。所述接收器、发射器和频率变换器中的每一个都设置在所述结构上或所述结构内。
【专利说明】多频带无线电力系统
[0001]相关申请的交叉引用
本申请要求2013年8月19日提交的美国临时专利申请N0.61/867406的申请日的权益，其公开内容通过引用并入本文。
【背景技术】
[0002]本发明涉及一种经皮电能传递(TET)系统，更具体地，涉及用于在TET系统内无线传递或中继电能的装置，以及操作该系统和/或装置的方法。
[0003]TET系统用于将电力提供给植入在人体内的装置(例如栗)。由人体外部的发射线圈产生的电磁场可以穿过体表(皮肤)屏障而将电力传输到植入身体内的磁性接收线圈。然后该接收线圈可以将接收到的电力传递到植入式栗或其它内部装置，并传递至植入身体内的一个或多个电池，以便给电池充电。
[0004]TET系统所面临的一个挑战是提供足够的电力给内部装置，以使内部装置能够连续运转。为了这个目的，该TET系统可包括植入式电池，以存储用于使内部装置运转的电能。然而，植入式电池所供应的电能是有限的，并且可能需要频繁地充电。作为替代方案或附加方案，TET系统也可包括外部TET电力单元，以供应内部装置的所有电能需求。但是，外部TET电力源单元的供给也还是有限的，并且也可能需要定期充电。此外，如淋浴或者游泳这样的活动也可能会妨碍外部TET电力单元的佩戴。
[0005]外部TET电力源单元以及植入式电池的频繁充电给携带内部装置的用户带来了不便。通常，外部TET电力单元必须插入充电站以进行充电。用户可能需要等待该单元充入足够的电后才能佩戴该单元。或者，用户可以用充满电的电池替换外部TET电力单元的电池。
[0006]因此需要改善目前的TET系统，以使得用户能够更方便地对外部TET电力单元和植入式电池进行充电。
【发明内容】
[0007]本发明的一个方面提供了用于向植入用户体内的装置无线中继电力的模块。该模块可以包括适于由用户佩戴的结构、配置为以第一频率接收第一无线电力传输的接收器、配置为以不同于第一频率的第二频率发送第二无线电力传输的发射器以及电耦合于发射器和接收器中的每一个并配置成将第一无线电力传输所产生的电能转换成用于产生第二无线电力传输的电能的频率变换器。所述接收器、发射器和频率变换器中的每一个都设置在所述结构上或所述结构内。在一些实施例中，第一频率和第二频率可以属于不同的频段。在其它实施例中，第一频率可以大于第二频率的两倍。在另一些实施例中，各频率可选择为用于不同的距离，且可选择为用于不同的媒介。
[0008]该模块还可以包括一个控制电路，其配置为测定所述接收器的无线电力传输效率以及基于所述测定而动态调整所述第一频率。所述控制电路可以基于在所述接收器测得的峰值信号来确定无线电力传输效率。作为附加方案或替代方案，该模块还可以包括电池以及控制电路，所述电池电耦合至所述接收器，所述控制电路用于确定是否将所述第一无线电力传输所产生的电能存储于所述电池和/或用于确定是否将所述第一无线电力传输所产生的电能中继至所述发射器。
[0009]在模块的结构可以包括外壳，接收器和发射器设置在外壳内。该模块适于由用户佩戴，使得所述接收器设置在所述外壳背离用户的一端，所述发射器设置在所述外壳面朝用户的一端。
[0010]本发明的另一个方面提供了一种用于传递电能至植入用户体内的装置的经皮电能传递系统，其包括如上所述的模块，并且还包括一个能够电磁地耦合至所述模块并且配置成无线地发送第一无线电力传输至所述模块的远程电力源，以及适于植入用户体内的植入式接收器，其能够电感耦合至所述模块且能够电耦合至植入式装置，并且配置为从所述模块接收所述第二无线电力传输。这样的系统还可以包括电耦合至所述模块的外部电池，所述外部电池用于存储从所述第一无线电力传输接收的电能，并提供所存储的电能至所述发射器以产生所述第二无线电力传输。这样的系统还可以包括电耦合至所述植入式接收器的植入式电池，所述植入式电池用于存储从所述第二无线电力传输接收的电能，并提供所存储的电能至所述植入式装置，以便为该装置进行供电。当所述模块由所述用户佩戴时，所述植入式电池可以存储电能，并且在所述外部充电模块没有被所述用户佩戴时可以对所述植入式医疗装置进行供电。当所述模块电磁耦合至所述远程电力源时，所述外部电池可以存储电能，并且在所述模块没有电磁耦合至所述远程电力源时，可以将所存储的电能提供给所述发射器。
[0011]本发明的再一个方面提供了用于无线中继电力的装置，具有适于以接收器电路的各自谐振频率接收无线电力的多个接收器电路，适于以选定的谐振频率发射无线电力的发射器电路，以及多个频率变换器。每个频率变换器可电耦合至相应的接收器电路的输出端和发射器电路的输入端，并且配置为在相应的接收器电路将接收到的无线电力的频率转换为所选定的频率。在一些实施例中，每个接收器电路可适于以不同的频率来接收无线电力。该装置可以包括在无线电能传输系统中，该系统可进一步包括多个远程发射器电路。每个远程发射器电路可适于产生并以所述装置的相应接收器电路的谐振频率来发射无线电力。
[0012]本发明的又一个方面提供了经皮电能传递系统，包括可电耦合至植入式医疗装置的植入式无线电力接收器、能产生足以使所述植入式医疗装置工作的电力远程电力源、配置成将电力从所述远程电力源在途中中继至所述植入式无线电力接收器的一个或多个无线电力中继装置。每个装置还可以包括适于以第一频率接收输入的无线电力传输的接收器、适于以第二频率发射输出的无线电力传输的发射器以及电耦合至所述发射器和所述接收器的频率变换器，其配置成将所述输入的无线电力传输所产生的电能转换成用于产生所述输出的无线传输的电能。多个装置彼此串行地电磁耦合，使得由上游装置所发射的无线电力为串行地电磁耦合的下游装置所接收到的无线电力。植入式无线电力接收器还可以适于接收由最下游的无线电力中继装置所产生的无线电力。
[0013]在该系统的一些实施例中，其中所述最下游的无线电力中继装置还包括电耦合至所述接收器的外部电池，所述外部电池可以用于:暂时存储电量(例如，当所述最下游的无线电力中继装置电磁耦合至相应的上游装置时)和使用所述存储电量以产生用于以所述第二频率驱动所述发射器的电力(例如，当所述最下游的无线电力中继装置没有电磁耦合至相应的上游装置时)。类似地，植入式电池可以电耦合至所述植入式无线电力接收器和所述植入式医疗装置，该植入式电池用于临时存储电量(例如，当所述最下游的无线电力中继装置可操作地耦合至所述植入式无线电力接收器时)和产生用于使所述植入式医疗装置工作的足够电力(例如，当所述最下游的无线电力中继装置没有可操作地耦合至所述植入式无线电力接收器，或者当所述最下游的无线电力中继装置自身没有产生使所述植入式医疗装置工作的足够电力时)。
[0014]本发明的另一个方面还提供了将电力无线中继至植入用户体内的装置的方法，包括:提供适于由用户佩戴的结构，由设置在所述结构上或其内部的接收器以第一频率接收第一无线电力传输，从设置在所述结构上或其内部的发射器以不同于第一频率的第二频率发送第二无线电力传输，由频率变换器将所述第一无线电力传输所产生的电能转换成用于产生所述第二无线电力传输的电能，所述频率变换器电耦合至所述接收器和所述发射器，并且设置在所述结构上或其内部。在该方法的一些实施例中，所述第一无线电力传输的传输距离大于所述第二无线电力传输的传输距离。此外，在该方法的一些实施例中，所述第一无线电力传输的传输媒介与所述第二无线电力传输的传输媒介不相同。
【附图说明】
[0015]图1是示出根据本发明一种实施方式的多频带TET系统的组件的方框原理图。
[0016]图2是进一步示出根据本发明一种实施方式的图1所示多频带TET系统的每个外部和植入式模块的组件的方框原理图。
[0017]图3是进一步示出根据本发明另一实施例的多频带TET中继系统的组件的方框原理图。
[0018]图4是进一步示出根据本发明再一实施例的多频带TET中继系统的组件的方框原理图。
【具体实施方式】
[0019]图1和图2示意性地示出了多频带经皮电能传递(TET)系统100，其用于将电力供应至身体内部腔体(即用户104的皮肤下方)中植入的治疗性电气装置102。该植入式电气装置102可以包括栗，例如作为心室辅助设备(“VAD”)而栗送血液的栗。该植入式电气装置102可以包括例如用于控制栗的控制电路。
[0020]如图1所示，该多频带TET系统100包括具有初级电力源线圈电路114的外部模块110，关联电路(更详细地显示于图2)和用于从电磁耦合至外部模块110的远程电力源112无线地接收电能的天线111。外部模块组件均设置在可安装到用户104身上(例如可由用户佩戴)的结构上或其内部。例如，该结构可以包括外壳115，其足够小以便由用户携带。视情况需要，外壳115可配备有将其固定到用户身体上的装置，例如，适于将外壳固定到用户佩戴的皮带上的皮带环，或将其固定于用户身体的束带。或者，外壳115可通过例如绑带、衣物或粘合剂等外部装置而固定到用户身体。
[0021]植入用户104皮下的内部模块120具有次级电力源线圈电路124、设置在一个或多个外壳125内的关联电路和用于向植入式电气装置102供电的输出电缆。电力通过电磁感应耦合(即通过与初级线圈114和次级线圈124重叠的磁场的相互作用)而从初级线圈114传递到次级线圈124。穿过每个线圈的电压可以是大的，例如，100伏至400的峰间电压并不少见。为了减少由于集肤效应(skin effect)的损耗，初级线圈114可以使用利兹线(Litz wire)来制造，其中，所述初级线圈114是由扭曲或编织在一起的相对较细的绝缘线构成。
[0022]为了便于外部模块和植入式模块之间的电力传输，外部模块110的天线111可设置在外部模块的朝向“外部”侧(即，远离用户104)，而初级线圈114可设置在朝向“内部”侧(即，面朝用户104)。
[0023]外部模块110还电连接到外部可充电电池130或电荷存储器。电池130可包括在该结构内部或在结构上，或者也可以与该结构保持分离。该外部电池可用作远程电力源112的备用电力源，例如，当提供给外部模块110的电力供应一旦中断或者植入式装置102的电力需求发生变化的时候，该电池130可以将电力提供给模块的初级线圈114以形成无线电力传输。当备用的外部电池130被充分充电时，用户可以自由地尚开远程电力源112的范围。
[0024]该植入式模块120还连接到可充电电池128或电荷存储器，以便向植入式电气装置102进行供电。正如外部电池130—样，且如以下更详细描述的那样，当从远程电力源112到外部模块110的电力传输一旦中断、或外部模块110与植入式模块120之间的电力传输一旦中断、或者电力需求发生变化的时候，植入式电池128可以充当备用电力源。当植入式电池128用作备用电力源时，外部TET模块110可在用户洗澡或执行其他活动时断开。
[0025]在图1的例子中，用于无线电力传输的最佳频率在第一阶段(S卩，从远程电力源112到外部模块110)和第二阶段(S卩，从外部模块110到植入式模块120)之间可以有所不同。造成这样的不同最佳频率的一个原因可能在于每个阶段的无线电力传输的距离不同。例如，电力从远程电力源112传递到外部模块110可能需要经过若干米(例如，约I米至约10米之间)，而电力在外部模块110与植入式模块120之间传递的距离可能只有若干毫米(例如，约5毫米至约200毫米之间)。造成这样的不同最佳频率的另一个原因可能在于每个阶段的无线电力传输介质的差异。例如，从远程电力源112至外部模块110的电力传递可以经由建筑物的房间或其它结构(例如，通过木材、混凝土、石膏板、岩石、空气等，或上述的任意组合)，而电力在外部模块110与植入式模块120之间可能仅通过空气和/或患者的皮肤进行传递。总而言之，距离或介质的变化都可能会影响电力无线传输的最佳频率。
[0026]为了适应这些变化，天线111可在选定的第一频率fI接收无线电能，而多频带TET系统100的初级和次级线圈可在选定的第二频率f2分别传递和接收无线电能。在某些情况下，第一频率和第二频率可以分别属于单独的频带。出于本发明的公开目的，术语“频带”可以是指预定的频率范围，例如由美国无线电中继联盟(ARRL)或者电气与电子工程师学会(IEEE)中所规定的。“单独的”频带可以是指非重叠的两个预定的频率范围。在一些实施例中，其中一个单独频带中的最低频率可以比另一个频带的最高频率的两倍还要大。
[0027]在对无线电力中继的强度进行优化时可能需要考虑几个因素，包括中继的电力的强度以及该用户的安全。例如，在图1的TET系统的例子中的无线电力传输的第一阶段可以经过相当长的距离(例如大约数米)。这样，在第一阶段的频率fi可以选择为确保电力不会受到传输距离的不利影响。在进一步的例子中，无线电力传输的最后阶段穿过用户的皮肤和组织。这样，最后阶段的频率f2可选择为确保安全穿透用户的皮肤表面，同时避免对用户健康(内脏)造成风险，以及避免例如因初级和次级线圈没有适当地校准而产生的过热或辐射。频率fjPf2可以落在无线电频率(RF)频谱内，并且可以根据影响电力传输的特定因素(例如，距离、发送和接收元件的相对取向)而在千赫(kHz)的量级与兆赫(MHz)的量级之间的范围内取值。例如，在第一阶段的频率fI可以是大约10千赫至大约3000兆赫之间，而在第二阶段的频率f2可以是大约10千赫至约500千赫之间。
[0028]图2是用于说明图1所示的多频带TET系统100中的电气组件的原理框图。如图所示，系统100的远程电力源112包括电力源202和电耦合至电力源202和远程天线113的无线电力发射器204。该发射器204和天线113形成谐振电路，该谐振电路具有耦合至所述天线的电感元件和串联电阻的一个或多个电容元件。利用从电力源202接收到的电力，无线电力发射器204驱动远程天线113，它包括，以由发射器/天线的调谐电容/电感特性所决定的谐振频率匕进行谐振，使得无线电力以第一频率fl从远程天线113发送到外部模块110的天线
Illo
[0029]外部模块110包括电耦合至天线111的无线电力接收器212，从而形成一个谐振电路(类似于远程电力源112的谐振电路)，其适于将远程电力源112发送的无线电能通过电磁耦合的方式产生电力。由无线电力接收器212产生的电力工作在谐振频率。在一些实施例中，第一频率可以进行动态调整，以优化无线电力传输的效率。效率可能受到几方面因素影响，诸如天线111与远程天线113之间的相对距离和相对方位，以及天线111与远程天线113之间的介质或媒介。对无线电能传输的效率的确定可基于在接收器212所测得的峰值信号，并且可以进一步基于在接收器212上的负载的已知特性。这样的测量值和已知信息可以在外部模块110与远程电力源112之间例如通过RF遥测信号进行中继。
[0030]外部模块的关联电路进一步包括微控制器214，功率放大器/驱动器216，以及频率变换器218。以频率从无线发射器201接收的电力由频率变换器218进行处理，并通过由微控制器214控制的TET驱动器216提供给植入式模块120。该频率变换器可利用频率倍增器、倍频器或混频器来提高或降低在外部模块110产生的电力的频率，使频率从f ^变成f2。频率&和&可以属于不同的频段。
[0031]微控制器214也可以配置成确定和控制在初级线圈114上产生无线电力的电力源。初级线圈114可以由远程电力源112或外部电池130进行供电，或者由两者进行供电。例如，当外部模块110可通信地耦合至远程电力源112，微控制器214可确定使用从远程电力源112接收到的电力。另外，任何没有用于驱动初级线圈114的额外的电力可以存储在外部电池130内。当远程电力源112未连接到外部模块110或者在电力需求高峰时段，微控制器214可确定使用存储在外部电池130的电量来驱动初级线圈114。微控制器214可以操作一个或多个开关来从选定的电力源引导电流的路径。微控制器214还可以控制无线电力从远程电力源到初级线圈114和/或外部电池130的路径，从而使电池130的充电与初级线圈114的驱动相协调。例如，共同拥有的美国专利8608635(其公开内容在此全部并入本文)描述了一种TET系统的工作方法，其中从外部模块流动到植入式模块的电力根据植入式装置的瞬时电力需求进行精确地计量，使得在植入式装置正常工作期间，不会从植入式电池抽取电量。
[0032]初级线圈114的传输频率可以预设为或者(在一些实施例中)动态地设置为所需的传输频率(图1和图2例子中的频率f2)，以优化到植入式模块120的次级线圈的电力传输。微控制器214可以能够控制频率变换器218，以便将无线电力接收器212所接收的电能的频率动态调整至所需的传输频率f2。在对所需频率f2进行动态设置和更新的这些实施例中，初级线圈与次级线圈之间的功率优化，正如远程电力源与外部模块之间的功率优化一样，可以基于测得的峰值信号值和下游模块(在本实施例当中为植入式模块120)的已知负载特性，并且可以通过RF遥测与上游连通，使上游模块的控制器(在本实施例当中为外部模块110的微控制器214 )控制无线电力传输频率。
[0033]植入式模块120包括TET接收器222和电耦合至该接收器的微控制器224JET接收器222与次级线圈124—起形成一个设定为发射频率f2的调谐的谐振电路。与初级线圈114类似，次级线圈124可以使用利兹线制成。TET接收器222还包括整流电路(未示出)，诸如有源开关或二极管电桥，用于将次级线圈的交流(“AC1’)电压转成直流(“DC1’)电压。从TET接收器222输出的直流电能提供给微控制器224、植入式电池128和植入式电气装置102。植入式电气装置102可以包括一个或多个的各种设备，诸如VAD血栗。植入式电气装置102的电力需求为使得植入式电池128只能在有限的时间(例如几个小时，一天，等等)内给该装置供电。在这种情况下，植入式电池128不作为植入式装置的主电源，而只是作为备用电源，用于在传送到植入式模块120的电力中断的情况下，在相对短的时间段内提供电力。例如，在用户为了洗澡而取下外部模块110的时候，植入式模块120可以依靠电池进行供电。
[0034]在上述各实施例中，在植入式模块的次级线圈124接收的无线电力可以立即用于给植入式装置供电，或者临时存储在植入式电池128内以供将来使用，或者两种情况兼具。因此，部分或全部的电力可以传送到植入式装置102，而剩余的电力可以传送到植入式电池128。植入式微控制器224可以配置为确定是否使用或存储接收到的无线电力。例如，该控制器可以在用户104佩戴外部模块110时确定存储接收到的电力，并且在外部模块110从用户104身上取下时使用所存储的电量向植入式医疗装置102供电。可以基于次级线圈上是否存在电流来确定外部模块110是否正由用户104佩戴或者已从用户104身上取下。
[0035]在其它实施例中，对于无线电力的存储和/或使用的控制可以由植入式装置的电力需求的变化来决定。例如，如果植入式装置需要额外增加的电力时，控制器(无论是外部控制器214或植入式控制器224)可确定使用存储的电量(外部电池或植入式电池)来提供额外的电力。这些控制方法详细描述于共同拥有的美国专利8608635。进一步举例来说，如果温度传感器指示植入式或外部电子元器件工作效率低下(超载、过热、没有校准)，则控制器可确定至少暂时停止无线电力传输并继续使用植入式电池128的电能来使植入式医疗装置102工作。进行这样的确定可以不考虑TET系统的组件之间的电耦合、通信耦合或电感耦合。
[0036]外部模块110可包括未在图2中示出的额外组件，包括但不限于热传感器、过电压保护(OVP)电路，和射频遥测系统。这些组件和它们的工作原理在共同拥有的美国专利8608635中有更详细的描述。
[0037]在图1和图2中示出的多频带TET系统仅包括两个阶段:从远程电力源112到外部模块110的第一阶段；以及从外部模块110到植入式模块120的第二阶段。其它的多频带TET系统可以包括用于无线电力传递/中继的附加阶段。附加的阶段可以配置为彼此串联或并联，或者可以包括串行/并行连接的任意组合。
[0038]如图3所示的多频带TET系统300的实施例示出了串行连接的系统，其包括作为无线中继器的数个无线充电中继站31(h-310n，用于将来自于远程电力源305的电力无线地中继至外部模块330。中继站310ι-310η沿上游至下游的顺序彼此串行地连接。这样，第一中继站31(h将电力无线地传送给其后的下游站3102，并依此传送至最远的下游站310n。每个中继站3101-310?包括用于中继无线电力的接收器天线32(h-320n和发射器天线SSS1-SSSn，以及用于将接收到的电力的频率转换为新的频率以用于传输的后续阶段的频率变换器315ρ315n。每个中继阶段的频率可以是固定的或基于系统与环境的已知特性(例如，每个中继站之间的大致距离和/或媒介)而预先设置。或者，每个中继站可包括各自的控制电路(未示出)，以基于某些因素(例如每个相应的发射器/接收器对组之间的距离、介质和/或相对方位)动态地控制各中继阶段的频率和/或频带。是否由控制电路指示一个给定站的频率变换器SiS1HSn以改变一个给定阶段的频率，以及该阶段改变成什么频率，也可能取决于这些因素。在这样的例子中，一个下游中继站可以发送代表接收到的电力的遥测信号，而上游中继站可以接收这些信号并调整传输参数，以使得由下游中继站接收的电力最大化。
[0039]串行式多频带TET300的工作开始于外部远程电力源305产生电力并将该电力以第一频率f I无线地发送到第一无线充电中继站310ι。第一无线充电中继站310ι接收到电力，然后将其转换为第二频率f2，然后以第二频率5向第二无线充电中继站3102发送经转换的电力。正如第一站一样，所述第二站以及每个后续站在依次接收到电力后，将其转换至不同的频率，然后将其发送到下一个下游站，直到(以频率f^)被外部模块330接收并通过初级和次级线圈335/336(以频率fn)中继到植入式模块340。通过使用串行式连接的站，从而增加了电力可以无线传送的总距离。
[0040]在图1和图2的示例性实施例中，第二频率f2可以与第一频率^不同。同样地，每个电力传输阶段可以设置为不同的频率。或者在一些情况下，部分或全部电力传输阶段的频率可以是相同的，其中每个中继站增加了TET系统的无线电力传输的总距离。
[0041]如图4所示的多频带TET系统的实施例示出了并行连接的系统，其包括了多个无线充电中继站41(h-410n。与图3的实施例一样，每个站41(h—n包括了接收器天线42(h-420n、发射器天线ASS1ISSn、频率变换器MS1HSn和控制电路(未示出)当中的每一个，它们与结合图3所描述的类似部件具有类似的功能。
[0042]并行式多频带TET400的工作开始于外部电力源405产生电力并将该电力以第一频率fi无线地发送到每个无线充电中继站410i_410n。每个无线充电中继站410i_410n接收到以频率发送的电力，然后将其转换为第二频率f2，然后以第二频率5发送到外部模块430，该外部模块430然后通过初级和次级线圈435/436以第三频率f 3中继到植入式模块440。正如图3的实施例一样，第一频率与第二频率可以是相同的或者不同的。在外部模块的每个接收器的电力可在外部接收器进行组合，以提供更多的电力至植入式模块。通过使用并行式连接的充电站，从而可以在不增加任何中继站的电力处理量的情况下增加发送至外部模块的电量。
[0043]在无线电力的并行中继的另一个例子中，外部模块可以包括与每个中继站耦合的单独的频率变换器。在这样的例子中，外部模块可以能够以多个频率接收无线电力，例如当各中继站设置为不同的谐振频率时。例如，每个中继站可与外部模块相距不同的距离，或由不同的媒介所分离，或两者皆有之。在这样的情况下，外部模块的每个接收器将被电耦合至相应的频率转换器的输入端，并且在组合所有接收到的电力之前，每个频率变换器将各自接收到的无线电力的频率改变至共同的频率。为了组合每一接收器所接收到的无线电力，外部模块可以配置为将所有接收到的电力转换至共同的交流频率，或者把所有接收到的电力转换为直流电，并使用所转换的直流电来驱动外部模块的初级线圈。
[0044]在无线电力并行中继的其它实施例中，每个中继站可从单独的电力源接收电力。从而在充电过程中使用更小的电力源时，使充电得到改善。
[0045]在无线电力并行中继的另一个实施例中，一个或多个外部电力源可配置为以不同的谐振频率(例如，以至少两个不同的频率)产生电力。然后该电力可以被中继至具有调谐到各自不同频率的接收器的不同的并行中继站。根据同样的思路，所述外部模块也可以配备多个接收器，以便从每个不同的并行中继站接收中继的电力。在这种情况下，外部模块可以包括多个频率转换器，每一个频率转换器耦合至相应的接收器，正如上面所述。
[0046]作为并行中继的又一个实施例，不是在外部模块中包含多个接收器，而是植入式模块本身可配备多个接收器。在这样的例子中，植入式模块可进一步配备有电路，以便在用户体内组合从多个源接收的电力。在这些实施例中，将电力转换成一个共同的交流频率就没有必要了，因为在植入式接收器产生的所有电力将被整流为直流电压，以存储在植入式电池内和/或使该植入式医疗装置运转工作。
[0047]在一些实施例中，并行和串行系统可彼此组合使用。中继站依靠本领域所公知的智能开关和/或调节技术，以便有效地从电力源传送电力到外部模块，即使外部模块在不同的位置之间不停地移动，例如，用户在佩戴外部模块的同时从一个房间或建筑物的一端走到另一端。这种技术将包括在站与站之间传递信号的频率变化，或者接收中继信号并有效地将其发送到外部模块的站的变化。总之，上述技术将允许用户在无需拆卸该单元或保持静止的情况下对外部模块进行充电或再充电。简单地说，本发明并不限于各中继站的布置或排列的方式，或者不由任何给定的站的接收和/或发送的特定频率(或频带)所限定。
[0048]尽管以上公开内容描述了具有分立模块的TET系统，每个模块在一个整体结构(即，外壳)之内包含所有关联电路，但应当认识到，本发明同样适用于任何无线电力中继设备，即使没有这样的整体结构。例如，图1和图2的外部模块可适于包括容纳于或安装至不同结构的初级线圈、电力接收器电路、频率变换器、外部电池等(例如，初级线圈佩戴于患者的胸部，外部电池固定于患者的腰带，等等)。植入式模块的情况也是一样。例如，次级线圈、植入式微控制器、整流器和植入式电池当中的每一个可以封装在一起或以任何需要的组合方式单独地封装。
[0049]此外，虽然上述公开内容总体上描述了用于具有植入式VAD的用户的TET系统，但应当认识到，本发明同样适用于具有无线电力输送的非经皮阶段和经皮阶段当中每一个的任何系统。这样，本发明同样适用于驱动任何植入式装置，并且还适用于驱动植入任何人类患者或其他动物体内的装置。
[0050]更进一步，虽然上述公开内容主要涉及经皮无线电力传输系统方面的改进，但应当认识到，本发明在其它无线电力传输系统上也具有广泛的应用和优点。例如，本发明的应用对于具有显著的不同长度的无线电力传送的多个阶段的任何系统都是有利的(例如，若干米相较于若干厘米，若干英里相较于若干码，等等)。
[0051]虽然本发明在此通过参考特定实施例进行描述，但是应该理解的是，这些实施方案仅仅是说明本发明的原理及其应用。因此，应该理解的是，可以对这些说明性实施例作出各种修改，并且在不脱离由所附权利要求所限定的本发明的精神实质和范围的情况下可以设计出其它的布置。
【主权项】
1.用于向植入用户体内的装置无线中继电力的模块，包括: 适于由用户佩戴的结构； 接收器，配置为以第一频率接收第一无线电力传输； 发射器，配置为以第二频率发送第二无线电力传输，所述第二频率与所述第一频率不同；和 频率变换器，其电耦合于所述发射器和接收器中的每一个，并配置成将所述第一无线电力传输所产生的电能转换成用于产生所述第二无线电力传输的电能， 其中所述接收器、发射器和频率变换器中的每一个都设置在所述结构上或所述结构内。2.如权利要求1所述的模块，其中，所述第一频率和第二频率中的每一个属于不同的频带。3.如权利要求1所述的模块，其中所述第一频率选择为以第一距离进行无线电力传输，所述第二频率选择为以第二距离进行无线电力传输，所述第二距离比所述第一距离要短。4.如权利要求1所述的模块，其中所述第一频率选择为通过第一介质进行无线电力传输，所述第二频率选择为通过第二介质进行无线电力传输，所述第二介质不同于所述第一介质。5.如权利要求1所述的模块，还包括控制电路，其配置为测定所述接收器的无线电力传输效率以及基于所述测定而动态调整所述第一频率。6.如权利要求5所述的模块，其中所述控制电路配置为基于在所述接收器测得的峰值信号来确定无线电力传输效率。7.如权利要求1所述的模块，其中所述第一频率大于所述第二频率的两倍。8.如权利要求1所述的模块，还包括电池以及控制电路，所述电池电耦合至所述接收器，所述控制电路用于确定是否将所述第一无线电力传输所产生的电能存储于所述电池和/或用于确定是否将所述第一无线电力传输所产生的电能中继至所述发射器。9.如权利要求1所述的模块，其中所述结构包括外壳，并且所述接收器和发射器设置在所述外壳内。10.如权利要求1所述的模块，其中所述模块适于由用户佩戴，使得所述接收器设置在所述外壳背离该用户的一端，所述发射器设置在所述外壳面朝该用户的一端。11.用于传递电能至植入用户体内的装置的经皮电能传递系统，包括: 如权利要求1所述的模块； 远程电力源，能够电磁地耦合至所述模块并且配置成无线地发送所述第一无线电力传输至所述模块； 植入式接收器，适于植入用户体内，能够电感耦合至所述模块且能够电耦合至所述植入式装置，并且配置为从所述模块接收所述第二无线电力传输。12.如权利要求11所述的系统，还包括: 电耦合至所述模块的外部电池，所述外部电池用于存储从所述第一无线电力传输接收的电能，并提供所存储的电能至所述发射器以产生所述第二无线电力传输;和 电耦合至所述植入式接收器的植入式电池，所述植入式电池用于存储从所述第二无线电力传输接收的电能，并提供所存储的电能至所述植入式装置，以便为该装置进行供电。13.如权利要求12所述的系统，其中，当所述模块由所述用户佩戴时，所述植入式电池存储电能，并且在所述外部充电模块没有被所述用户佩戴时对所述植入式医疗装置进行供电。14.如权利要求12所述的系统，其中当所述模块电磁耦合至所述远程电力源时，所述外部电池存储电能，并且在所述模块没有电磁耦合至所述远程电力源时，将所存储的电能提供给所述发射器。15.用于无线中继电力的装置，包括: 多个接收器电路，适于以所述接收器电路的各自的谐振频率接收无线电力； 发射器电路，适于以选定的谐振频率发射无线电力;和 多个频率变换器，每个频率变换器电耦合至相应的接收器电路的输出端和所述发射器电路的输入端，并且配置为在相应的接收器电路将接收到的无线电力的频率转换为所选定的频率。16.如权利要求14所述的装置，其中，每个接收器电路适于以不同的频率来接收无线电力。17.无线电能传输系统，包括: 如权利要求14所述的装置;和 多个远程发射器电路，每个远程发射器电路适于产生并以所述装置的相应接收器电路的谐振频率来发射无线电力。18.经皮电能传递系统，包括: 可电耦合至植入式医疗装置的植入式无线电力接收器； 远程电力源，其产生足以使所述植入式医疗装置工作的电力;和一个或多个无线电力中继装置，配置成将电力从所述远程电力源中继至所述植入式无线电力接收器，每个装置包括: 接收器，其适于以第一频率接收输入的无线电力传输； 发射器，其适于以第二频率发射输出的无线电力传输;和 频率变换器，其电耦合至所述发射器和所述接收器，并配置成将所述输入的无线电力传输所产生的电能转换成用于产生所述输出的无线传输的电能。19.如权利要求18所述的系统，其中，多个装置彼此串行地电磁耦合，使得由上游设装置所发射的无线电力为串行地电磁耦合的下游装置所接收到的无线电力，和 其中，所述植入式无线电力接收器适于接收由最下游的无线电力中继装置所产生的无线电力。20.如权利要求19所述的系统，其中所述最下游的无线电力中继装置还包括电耦合至所述接收器的外部电池，所述外部电池用于: 当所述最下游的无线电力中继装置电磁耦合至相应的上游装置时，临时存储电量;和当所述最下游的无线电力中继装置没有电磁耦合至相应的上游装置时，使用所述存储电量以产生用于以所述第二频率驱动所述发射器的电力。21.如权利要求19所述的系统，还包括电耦合至所述植入式无线电力接收器和所述植入式医疗装置的植入式电池，所述植入式电池用于: 当所述最下游的无线电力中继装置可操作地耦合至所述植入式无线电力接收器时，临时存储电量;和 当所述最下游的无线电力中继装置没有可操作地耦合至所述植入式无线电力接收器，或者当所述最下游的无线电力中继装置自身没有产生使所述植入式医疗装置工作的足够电力时，产生用于使所述植入式医疗装置工作的足够电力。22.将电力无线中继至植入用户体内的装置的方法，包括: 提供适于由用户佩戴的结构； 由设置在所述结构上或其内部的接收器以第一频率接收第一无线电力传输； 从设置在所述结构上或其内部的发射器以第二频率发送第二无线电力传输，所述第二频率与第一频率不相同；和 由频率变换器将所述第一无线电力传输所产生的电能转换成用于产生所述第二无线电力传输的电能，所述频率变换器电耦合至所述接收器和所述发射器，并且设置在所述结构上或其内部。23.如权利要求22所述的方法，其中所述第一无线电力传输的传输距离大于所述第二无线电力传输的传输距离。24.如权利要求22所述的模块，其中所述第一无线电力传输的传输媒介与所述第二无线电力传输的传输媒介不相同。
【文档编号】A61N1/378GK105873624SQ201480057271
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2014年8月18日
【发明人】J·鲁德泽, J·A·拉罗斯
【申请人】哈特威尔公司