专利名称：一种植入式医疗电子器件的闭环无线供能系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及电子信息技术与生物医学技术，尤其涉及一种植入式医疗电子器件的闭环无线供能系统，它是一种能够同时进行无线能量传输和对供电状态进行监测并反馈控制的闭环经皮无线供能系统。
背景技术：
随着微电子信息技术与生物医学技术的发展，各种植入式医疗电子器件在临床的体内诊疗领域得到了广泛的应用，在多种疾病的诊疗中发挥着越来越重要的作用。而植入医疗电子器件的公共技术问题之一就是如何有效地向植入电子器件提供足够的能量，维持其长期、稳定、可靠的运行，实现其预期的功能。目前临床应用的植入式医疗器件大都采用高效的原电池来供能。这类供能方式的缺点是在电池能量即将耗尽之前，必须通过手术重新植入新的电池，不仅手术费用昂贵， 增加了患者家庭的经济负担，而且给患者带来额外的痛苦和心理阴影。基于线圈间电磁耦合方式的经皮无线能量传输方式则提供一个更加安全有效的供能方案，为植入式器件的长期不间断工作和永久植入提供可能。国际上对植入式器件的无线能量传输研究较早，在该技术领域取得了比较大的进展。早在1963年，美国密苏里大学Schuder和Stephenson等人就开展了在射频频率下经皮无线能量传输技术最初的设计和实验。日本东北大学Matsuki等人从上世纪80年代起也开展了对这一技术的长期研究。当前日本的RF公司、美国的Smartpill公司以及以色列的Gaven Imaging公司都相推出了具有经皮无线能量传输功能的胶囊型内窥镜产品。国内在这一领域的研究尚处于起步阶段，只有少数研究机构对植入式医疗电子器件的经皮无线供能进行了研究。对该项技术的研究也大多以理论分析和模拟实验研究为主，研究工作主要集中在系统能量传输的最优化上，考虑效率和电感耦合的稳定性，对于能量传输频率的选取也没有统一的标准。中国专利“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)提供了一种低频(大约1 100kHz)的经皮能量传递方案从外部控制模块向可植入医疗装置供电。该方案中选取的频率太低，虽然外部控制模块获得较高的输入功率，也能避免由于植入装置的金属壳体的涡流电流及人体组织而产生的功率消耗，但系统的整体传输效率不高，从而对器件的植入深度存在一定要求。目前国内的研究水平距离临床的植入医疗应用仍有很多需要解决的难题。目前临床上使用的植入式医疗电子器件大都属于开环系统，即要么是单向地通过植入式系统作用于人体，要么是单向地从人体中提取生物信号去处理，而不能通过所遥测的结果进行反馈控制。中国专利“用于生物植入体的可控高效能无线供能装置”(申请号 200810036568. 3)提出了一种基于单片机控制频率的高效能无线供能装置，能够实现体外发射模块频率可调节，但只是对系统频率单向进行调节，不仅未能实现对体内线圈谐振频率的调节，也无法获取植入器件的供电状态。对于植入式医疗电子器件的无线供能系统，必须要能够从植入式器件中反馈出供电的状态，以便实现对外部能量发射模块的有效控制，使系统能够适用于各类植入式医疗电子器件。随着无线能量传输技术方案的不断完善，无线通信技术的不断革新，半导体器 件的迅猛发展，集成芯片功能的日益强大，医学植入封装材料的不断成熟，都为开发应用于植入式医疗电子器件的具有完整功能的经皮无线供能系统装置的发明提供了技术保证。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种植入式医疗电子器件的闭环无线供能系统，能够从体外向体内的植入式医疗电子器件供能，并能够监测医疗器件的供电状态，通过反馈作用于体外发射模块。为实现本发明的目的，采用了如下技术方案一种植入式医疗电子器件的闭环无线供能系统，其特征在于设有体外能量发射模块、体外控制模块、体内能量接收模块和体内控制模块，其中体外能量发射模块包括外部DC电源、能量发射驱动电路及能量发射线圈，能量发射驱动电路设有高频振荡器及功率放大器；体外控制模块包括体外射频收发电路、体外微处理器及IXD显示模块；体内能量接收模块包括能量接收线圈、整流稳压电路、充电管理电路及锂电池；体内控制模块包括体内射频收发电路、体内微处理器及充电状态监测电路；体外能量发射驱动电路中的高频振荡器及功率放大器将外部DC电源转变为高频交变电能，由谐振的能量发射线圈通过电磁耦合方式传递给同一谐振频率上的体内能量接收线圈，经由整流稳压电路将交变电能转变为直流电能，经过充电管理电路给锂电池充电， 锂电池向植入式医疗电子器件提供电源；体外微处理器通过体外射频收发电路定时向体内射频收发电路发送监测指令输入给体内微处理器，体内微处理器通过充电状态监测电路对锂电池的充电状态进行监测，对监测到的包括充电电流、电压进行采样、比较、判断，同时采集其温度参数后经体内微处理器进行处理后，通过体内射频收发电路发送给体外射频收发电路，再上传到体外微处理器并同时在LCD上进行显示，体外微处理器根据收到的充电状态和温度信息对外部DC电源进行控制，若充电未达到饱和状态，则保持外部电源的正常工作，继续给体内电池充电；若充电已达到饱和状态，则关闭外部电源，停止充电，实现对植入式医疗器件供电状态进行监测并及时反馈控制的闭环无线供能系统。所说体外能量发射线圈采用串联谐振，体内能量接收线圈采用并联谐振，体外能量发射线圈采用多匝绝缘漆包铜线制作，体内能量接收线圈采用双层串联的PCB平面螺旋线圈，体外能量发射线圈设计时根据频率对线圈的电感值及等效绕阻进行计算限定， 并对其进行串联补偿，以获得最高的发射功率，高频振荡器为方波振荡器，工作频率选用 3. 28MHz,以减少体内能量接收线圈的体积，功率放大器采用E类功率放大器。所说体内整流稳压电路包括二极管桥式整流电路和LC滤波网络，稳压电路采用先开关稳压后线性稳压的两级稳压结构，第一级稳压输出至充电管理电路为锂电池充电， 第二级稳压输出经过一个反压电路后实现双电源供电。本系统中，除体内能量接收线圈植入于皮下，其他体外能量发射模块、体外控制模块、体内能量接收模块及体内控制模块中的电路则与植入式医疗电子器件封装在一起，植入于医疗部位，植入的电路和器件均使用具有生物相容性的有机材料进行封装。
本发明的优点及显著效果1)本发明采用经皮无线供能方式为植入式医疗电子器件供能，延长了医疗电子器件的使用寿命，减少了患者的心理和经济负担，改善了患者生活质量； 2)本发明综合了无线能量传输技术方案和无线通信技术方案，建立了用于植入式医疗电子器件的闭环经皮无线能量传输系统，可以根据体内控制电路对电池的充电状态信息进行监测，将信息通过无线通信的方式反馈给体外控制电路，来对外部DC电源进行控制，提高了无线供能系统的自适应性和稳定性，实现也更加灵活与方便；3)本发明利用双层串联PCB平面螺旋线圈作为接收线圈，不仅易于线圈的调谐和谐振频率的固定，而且综合利用了多种设计方法，提高了线圈的品质因素，减少接收模块的尺寸，有利于装置的植入应用；4)本系统的输出可以有多种电平电压，适用于各种双电源或单电源的低功耗植入医疗电子器件；5)本发明为植入式医疗电子器件的供能提供了一个广泛的应用方式，并可解决阻挠各种植入式医疗电子器件实用临床化的供能问题。
图1是本发明系统结构框图；图2是本发明系统电路原理框图；图3是本发明中体外能量发射模块结构框图；图4是本发明中体内能量接收模块结构框图。图5是本发明中体内控制模块结构框图；图6是本发明中体外控制模块结构框图；图7是本发明中体内接收线圈的结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图及实施例对本发明作详细说明，但本发明的保护范围应不限于下述的实施例。参看图1、2，本发明系统设有体外能量发射模块、体外控制模块、体内能量接收模块和体内控制模块，体外能量发射模块中的能量发射驱动电路2将外部DC电源1转变为高频交变电能，再经由谐振的能量发射线圈3形成有效的电磁场，通过电磁耦合方式最大效率地传递给调谐在同一频率上的能量接收线圈4，。整流稳压电路5将能量接收线圈4耦合到的交变电能再转变为直流电能，供给充电管理电路6给体内的微型可充电锂离子电池7 充电，锂离子电池7则为本系统的应用终端植入式医疗电子器件8提供电源。当体外能量发射模块开始工作即电源开关打开后，体外控制模块以固定的时间间隔，通过体外微处理器 13发送监测指令，该指令经过编码后，经由体外射频收发电路12与体内射频收发电路11的无线通信到达体内的微处理器10，体内微处理器10接收到该指令后，通过充电状态监测电路9对锂离子电池7的充电状态开始进行监测，监测到电池7的充电电流，电压进行采样、 比较、判断，同时采集其温度参数，这些监测信息经由体内微处理器10编码后，又通过体内射频收发电路11与体外射频收发电路12之间的无线通信到达体外微处理器13，解码后得到相应的充电状态信息，并在LCD模块14上显示出来。体外微处理器13同时根据电量信息和温度信息来控制外部DC电源1 若充电未达到饱和状态，则保持外部电源的正常工作， 继续给体内电池充电；若充电已达到饱和状态，则关闭外部电源，停止充电；若监测到体内电池的温度过高，则通过声音进行警报，并关闭外部电源，停止充电。通过反馈回来的充电状态信息来控制外部电源的开断，实现了一个对植入式医疗器件供电状态进行监测并能及时反馈控制的闭环无线供能系统，有效的提高了供能系统的自适应性和稳定性。 如图3所示，体外能量发射模块中的能量发射驱动电路2含有3. 28MHz方波振荡器15、E类功率放大器16，理论上，E类功率放大器具有100%的转换效率，能够最大程度的将直流电能转变为交变电能通过发射线圈发射出去，方波振荡器15则用作E类功放16的驱动信号。发射线圈3采用直径为Imm的绝缘漆包铜线来绕制，设计时需要根据频率对线圈的电感值及等效绕阻进行计算限定，并对其进行串联补偿，以获得最高的发射功率。综合考虑频率过高容易被生物体组织吸收和频率过低传输距离过短等原因，本系统的工作频率选用3. 28MHz，能够最大程度减少接收线圈的体积，同时还能够获得保证后级电路及植入式医疗电子器件正常工作的电流。如图4所示，体内能量接收模块包括了并联谐振的接收线圈4，为减少植入部分的尺寸，同时为增加线圈品质因素，以提高系统能量的传输效率，接收线圈4采用双层串联的 PCB平面螺旋线圈来设计。接收线圈4的结构示意图如图7，上层金属线圈与下层金属线圈通过PCB板的过孔金属走线进行串联连接，形成双层串联的层叠式线圈，在串联连接时应确保上层线圈与下层线圈的电流方向一致。接收线圈4上的交流电压经过二极管桥式整流电路17能够获得一个较高的直流的电平，但具有一定的纹波，需要进行滤除。而LC滤波电路18适用于本实例中后级电路的小电压大电流工作方式，从而获得一个较理想的直流电压。为获得高效率的稳压效率，先用一级高效的开关稳压电路19(采用MAX1776芯片)把电压降成5V，并提供给充电管理电路6 (采用BQ24070芯片)，为可充电锂离子电池7充电， 充电管理电路6输出的4. 2V电压则经过第二级线性稳压电路20(采用TPS7333芯片)将电压降为3. 3V，再经过一个反压电路21 (采用TPS60400芯片)则获得了 -3. 3V，从而获得士3. 3V的双向电源，为植入式医疗电子器件提供能量。如图5所示，当体内微处理器10接收到来自体外控制模块的监测指令时，充电状态监测电路9 (采用BQ26220芯片，其单线通信的输入输出端口为系统的设计提供了现有的协议基础。)开始对锂离子电池7的电量及温度等信息进行监测，并通过微处理器10处理后，由体内射频收发电路11发送给体外控制模块。如图6所示，体外控制模块在体外能量发射模块开始工作后，需要定时发送监测指令给体内控制模块，要求其将对体内可充电锂离子电池的充电状态信息进行监测并反馈回来。当体外射频收发电路12接收到了体内电池的充电状态信息，立即传送给体外微处理器13进行处理，并在IXD显示模块(采用12864IXD液晶模块)上显示出来。体外微处理器13发出开关控制信号22通过其一个控制端与外部DC电源1控制开关相连，根据接收到的电池充电状态信息来判断是否继续供电，若监测到体内电池电量已达饱和状态或电池温度超过正常范围则发送控制信息，关断外部DC电源，停止无线充电。为保证无线通信协议的一致性，上述充电状态信息的体内外无线通信电路均选用带有低功耗、具有51内核微处理器的2. 4G射频收发芯片CC2430。
为获得高传输效率 ，将能量接收线圈4植入于皮下，无线供能系统的体内其他器件电路则与植入式医疗电子器8件封装在一起，植入于医疗部位。而且植入的电路和器件都使用具有生物相容性的有机材料进行封装。
权利要求
1.一种植入式医疗电子器件的闭环无线供能系统，其特征在于设有体外能量发射模块、体外控制模块、体内能量接收模块和体内控制模块，其中体外能量发射模块包括外部DC电源、能量发射驱动电路及能量发射线圈，能量发射驱动电路设有高频振荡器及功率放大器；体外控制模块包括体外射频收发电路、体外微处理器及IXD显示模块； 体内能量接收模块包括能量接收线圈、整流稳压电路、充电管理电路及锂电池； 体内控制模块包括体内射频收发电路、体内微处理器及充电状态监测电路； 体外能量发射驱动电路中的高频振荡器及功率放大器将外部DC电源转变为高频交变电能，由谐振的能量发射线圈通过电磁耦合方式传递给同一谐振频率上的体内能量接收线圈，经由整流稳压电路将交变电能转变为直流电能，经过充电管理电路给锂电池充电，锂电池向植入式医疗电子器件提供电源；体外微处理器通过体外射频收发电路定时向体内射频收发电路发送监测指令输入给体内微处理器，体内微处理器通过充电状态监测电路对锂电池的充电状态进行监测，对监测到的包括充电电流、电压进行采样、比较、判断，同时采集其温度参数后经体内微处理器进行处理后，通过体内射频收发电路发送给体外射频收发电路，再上传到体外微处理器并同时在LCD上进行显示，体外微处理器根据收到的充电状态和温度信息对外部DC电源进行控制，若充电未达到饱和状态，则保持外部电源的正常工作，继续给体内电池充电；若充电已达到饱和状态，则关闭外部电源，停止充电，实现对植入式医疗器件供电状态进行监测并及时反馈控制的闭环无线供能系统。
2.根据权利要求1所述的植入式医疗电子器件的闭环无线供能系统，其特征在于体外能量发射线圈采用串联谐振，体内能量接收线圈采用并联谐振，体外能量发射线圈采用多匝绝缘漆包铜线制作，体内能量接收线圈采用双层串联的PCB平面螺旋线圈，体外能量发射线圈设计时根据频率对线圈的电感值及等效绕阻进行计算限定，并对其进行串联补偿，以获得最高的发射功率，高频振荡器为方波振荡器，工作频率采用3. 28MHz,以减少体内能量接收线圈的体积，功率放大器采用E类功率放大器。
3.根据权利要求1所述的植入式医疗电子器件的闭环无线供能系统，其特征在于 体内整流稳压电路包括二极管桥式整流电路和LC滤波网络，稳压电路采用先开关稳压后线性稳压的两级稳压结构，第一级稳压输出至充电管理电路为锂电池充电，第二级稳压输出经过一个反压电路后实现双电源供电。
4.根据权利要求1或2或3所述的植入式医疗电子器件的闭环无线供能系统，其特征在于系统中，除体内能量接收线圈植入于皮下，其他体外能量发射模块、体外控制模块、体内能量接收模块及体内控制模块中的电路则与植入式医疗电子器件封装在一起，植入于医疗部位，植入的电路和器件均使用具有生物相容性的有机材料进行封装。
全文摘要
本发明公开了一种植入式医疗电子器件的闭环无线供能系统，体外能量发射驱动电路将外部DC电源转换为高频交变电能，再经由发射线圈通过电磁耦合方式传递给调谐在同一频率上的体内接收线圈。整流稳压电路将接收线圈上得到的交流电能转变为直流电能，供给充电管理电路，向体内可充电锂离子电池充电。体内充电状态监测电路对锂离子电池的充电状态进行定时监测，由体内微处理器处理后，通过射频收发电路反馈给体外微处理器并在LCD模块上显示，同时体外微处理器根据充电状态对外部DC电源进行控制，实现了对植入式医疗器件供电状态进行监测并能及时反馈控制的闭环无线供能系统。
文档编号H02J7/02GK102157989SQ201110074910
公开日2011年8月17日 申请日期2011年3月28日 优先权日2011年3月28日
发明者吕晓迎, 王志功, 龚鑫 申请人:东南大学