具有充电电流自适应调节功能的经皮无线充电系统和方法与流程

本发明涉及一种医疗器械相关技术领域，尤其，涉及一种具有充电电流自适应调节功能的经皮无线充电系统。

背景技术：

植入式医疗仪器种类很多，如植入式心脏起搏器、脑起搏器、神经刺激器、肌肉刺激器、心电记录器等，目前这些植入医疗仪器，均需要有电池或充电系统来实现仪器的正常工作。

在目前的经皮无线充电应用中，有源植入式装置常用金属钛作为外壳来封装内部电子线路、电池等。金属外壳、内部金属部件等在无线充电时由于涡流效应会导致植入装置存在发热问题，针对该问题，目前多数专利方案以及上市产品旨在监测植入装置温度来调节体外发射功率大小，这种方案由于热传导的原因，反应较慢，效率低，而且对体内外装置的相对位置和距离有严格要求。同时，根据植入装置的参数来调节体外发射参数的方法，面临系统响应延时长的问题。

技术实现要素：

为解决经皮无线充电系统控制策略复杂、调节响应速度慢和/或体内外装置严格的位置要求等问题，本发明提供一种具有充电电流自适应调节功能的经皮无线充电系统，包括置于人体之外的体外充电器和置于人体之内的体内植入装置，其特征在于，体外充电器包括充电发射线圈，体内植入装置包括无线充电接收线圈，整流滤波电路、检测控制单元、充电电流控制电阻和充电控制开关管；其中检测控制单元检测经过整流滤波电路的电压，进而控制充电电流控制电阻的阻值和充电控制开关管开关程度，来控制充电电流的大小。

进一步地，所述充电电流控制电阻是电阻网络，所述检测控制单元包括微控制器、电阻网络控制单元，微控制器的检测端用于检测整流后电压的幅值，并经过运算后向电阻网络控制单元发送命令，电阻网络控制单元根据所述命令在电阻网络中选择需要的电阻值。

进一步地，所述检测控制单元还包括充电管理芯片，充电管理芯片根据该电阻网络的电阻值控制充电控制开关管的开关程度，来控制充电电流的大小。

进一步地，所述整流滤波电路后方连接有滤波电容和稳压电路。

进一步地，充电发射线圈发射固定频率和功率的电磁场，体内根据充电接收线圈接收的能量大小，控制不同的充电电流。

进一步地，所述充电接收线圈为空心线圈或内含高磁导率磁芯的线圈或其表面涂覆有高磁导率磁性薄膜的线圈。

进一步地，所述充电接收线圈与谐振电容并联或者串联组成并联或串联谐振电路。

本发明还公开了一种具有充电电流自适应调节功能的经皮无线充电方法，其特征在于，包括以下步骤：

s1：体外充电器与体内植入装置建立通信；

s2：体外充电器充电发射线圈发射固定频率和功率的电磁场，体内植入装置根据充电接收线圈接收的能量大小，控制不同的充电电流；

s3：若体内植入装置充满电，则向体外充电器发送充满电信号，体内植入装置关闭，否则进行步骤s2；

s4：体外充电器关闭。

进一步地，在步骤s1之前，有s0步骤：体外充电器和体内植入装置均初始化。

进一步地，步骤s2进一步包括以下步骤：

s21：检测支持型号的植入装置，若检测到支持的型号，则进行步骤s22，否则失败次数加1，继续步骤s1，失败次数不大于5次；

s22：充电发射线圈发射能量，功率固定为p；

s23：采样滤波电压；

s24：根据采样滤波电压调整充电电流控制电阻的电阻值，来控制充电电流。

本发明的方案在保证植入装置温升在安全范围内的前提下，根据在不同对位位置和充电距离时能量接收线圈接收能量大小的不同，自适应调节充电电流，最大化利用接收到的能量给电池充电，且保证充电过程稳定，调节过程响应快。

附图说明

附图1是本发明方案原理图。

附图2是本发明的流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域人员更好的理解本发明，下面结合附图和实施方法对本发明作进一步的详细描述。

如图1所示，本发明实施例1的充电装置，包括充电发射线圈、充电接收线圈、整流电路、检测控制单元、充电电流控制电阻、充电控制开关管。其中，检测控制单元检测经过整流滤波单元的电压，进而控制充电电流控制电阻的阻值和充电控制开关管开关程度，来控制充电电流的大小。其中发射线圈位于体外，其他元件位于体内。充电接收线圈可采用空心线圈或内含高磁导率磁芯的线圈，或结合高磁导率磁性薄膜降低充电电磁场对体内电路的电磁干扰；充电接收线圈可并联或串联匹配谐振电容形成并联谐振或串联谐振回路提高耦合效率后，再进行整流滤波输出；整流滤波电路可采用全桥同步整流技术提高整流效率；稳压电路可选择ldo稳压、电荷泵倍压、或dc/dc稳压器。

其中，优选地，检测控制单元包括微控制器、电阻网络控制单元、充电管理芯片。

优选地，所述整流电路后方可连接滤波电路(例如滤波电容)和稳压电路。

其中，充电发射线圈用于发射电磁波、充电接受线圈用于感应所述电磁波生成电流。充电接受线圈后方依次连接整流电路、滤波电路、稳压电路，用于对电流进行整流、滤波和稳压。稳压电路输出的电压施加到充电电流控制电阻，并经过充电控制开关管与可充电电池及体内负载电路连接。

微控制器的检测端连接在滤波电路和稳压电路之间，用于检测滤波后电压的幅值。命令输出端连接电阻网络控制单元，用于向电阻网络控制单元发送命令。电阻网络控制单元根据所述命令在电阻网络中选择需要的电阻值。

充电管理芯片根据该电阻网络的电阻值控制充电控制开关管的开关程度，来控制充电电流的大小。进而实现控制滤波电压在固定电压值附近，以使接收的能量尽量用来给可充电电池充电。

其中，体外发射单元发射固定频率和功率的电磁场，体内根据充电接收线圈接收的能量大小，控制不同的充电电流。

由于植入装置金属介质的涡流损耗和温升与充电电磁场的强度的关系可由实验测出，据此，可给出植入装置在安全温升范围内的最大电磁场强度(即发射功率)。在此基础上，体外发射单元固定发射电磁场的频率和功率，体内根据充电接收线圈接收的能量大小，控制不同的充电电流。

应用于上述系统的，本发明还提供一种具有充电电流自适应调节功能的经皮无线充电的方法，具体包括以下步骤：

s0：体外充电器和体内植入装置均初始化，初始化过程主要是体外充电器开机上电，程序自检设备状态合格后发起通信请求，体内植入装置与体外充电器建立通信后，开启体内充电控制功能。

s1：体外充电器与体内植入装置建立通信，这里的通信是指无线通信，主要包括常规的近场nfc通信、射频通信和蓝牙通信。

s2：体外充电器充电发射线圈发射固定频率和功率的电磁场，体内植入装置根据充电接收线圈接收的能量大小，控制不同的充电电流。

上述s2步骤进一步包括以下步骤：

s21：检测支持型号的植入装置，若检测到支持的型号，则进行步骤s22，否则失败次数加1，继续步骤s1，失败次数不大于5次；

s22：充电发射线圈发射能量，功率固定为p；体外充电发射线圈固定发射功率不变，当体内充电接收线圈由于对位不同时，接收的能量会有差别，反映为体内整流后的滤波电压幅值大小不同，滤波电压幅值高时，说明接收的能量较多。

s23：微控制器采样滤波电压vo；计算出ɑ＝vo-vref，vref为所期望的滤波电压参考值，α为采样滤波电压vo和参考电压vref的偏差量，

s24：根据采样滤波电压vo调整电阻网络电阻值；δr＝f(ɑ)，f为工业界常用的pid控制算法，具体控制参数比例部分p、积分部分i、微分部分d根据实际系统的响应进行调整。

滤波电压幅值反馈给体内微控制器单元，与参考电压进行比较，经微控制器单元算法运算之后，输出命令给电阻网络控制单元，控制电阻网络(或用数字电位器代替)选择需要的电阻值。电阻值作为控制电路的感应(sense)电阻，控制电路采集感应(sense)电阻上的压降可判断充电回路的电流，若充电电流比设定的大，则降低开关管的导通程度来减小充电电流，直至电流达到设定值。充电管理芯片(为商用ic)根据该电阻值，通过控制充电控制开关管的开关程度，来控制充电电流的大小。

最终目的，控制滤波电压在固定电压值附近，以使接收的能量尽量用来给可充电电池充电。

s3：若体内植入装置充满电，则向体外充电器发送充满电信号，体内植入装置关闭，否则进行步骤s2；

s4：体外充电器关闭。当体外充电器接收到来自体内植入装置发送的充满电信号，则体外充电器关闭。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语仅仅是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。