基于电容耦合和人体信道传输的植入式供电系统和方法与流程

1.本发明属于能量收集与传输技术领域的一种人体供电系统和方法，具体涉及一种基于电容耦合和人体信道传输的植入式供电系统和方法。


背景技术：

2.随着物联网(iot)和无线传感器网络(wsn)技术的发展，它们可以改变人类的医疗保健和医学。这种医疗物联网技术能够帮助人们个人管理自己的健康状况，减轻国家医疗系统和医院的负担。然而，为植入装置和系统提供长期稳定性能的动力是极具挑战性的。有线电源当然不实用，因为它限制了佩戴者的日常活动。微型电池仍然是植入设备的能源选择。已经提出了创新技术和纳米发电机来为这些设备供电，并已探索通过利用相应的设备产生能量，通过电磁学、摩擦学、热电效应以及光伏效应来获取/产生电能。所有这些技术都基于专门设计的设备，用于产生/收集/传输某些形式的能量，并取得了一定程度的成功。一些设备非常复杂且昂贵，还有一些设备必须放置在特定位置，如身体或衣服上，以获得严格的条件下的能量，更不用说所涉及的低效率，因此它们的广泛应用受到限制。
3.世界各国所用交流电的频率有两种50hz和60hz(称为“工频”)，相对而言，南北美洲大部分国家使用60hz；而其他地区主要是50hz但单相相电压(指一般电器和生活用电的相电压)则有110～277v等多种，交流电在示波器上能看到持续有规律的脉冲波形。电子设备工作过程中经常会引入各种干扰和噪声，其中最常见的就是工频干扰。工频干扰是由于交流电网工频电磁场分布、供电变压器接地方式、热地底技术的采用等原因而引入的工频信号产生的干扰。通常，人们都认为工频带来的是干扰，想尽办法消除工频带来的影响。
4.鲜少有人将工频视作一种能量的来源，收集\利用散射的工频。
5.大多数可穿戴设备和植入式设备的主要缺陷仍然在于电池的续航问题，其有限的电池容量会限制设备的长期使用。为了解决这个问题，有机构研制一款芯片，够通过人体与空气间存在的温差，将这些热能转化为电能，为智能设备供电。该芯片目前的供电效率还是太低了，这种利用体温与外加温度的差异的供电方式同样具有一定的局限性，人体体表的温度常常会发生变化，如此一来也很难保证设备的稳定供电，季节、环境等因素也将造成温差的剧烈变化。


技术实现要素：

6.针对现有技术不足，本发明提出了一种基于便携式电子设备-人手电容耦合和人体信道电能传输的植入式供电系统和方法，搭建一个用于电容耦合的电路，耦合用电设备的工频能量，并以人体作为导电通道，将耦合的能量为无线传输模块供电，进一步将能量传输至植入式装置，为植入式装置的供电提供新的渠道。
7.本发明系统实现具体如下：
8.一、一种基于电容耦合和人体信道传输的植入式供电系统：
9.系统包括buck电路、发射端和接收端，buck电路连接于发射端，发射端和接收端感
应靠近布置；
10.发射端主要由发射器芯片m1、电容c3和发射耦合电感线圈l2组成，电容c3和发射耦合电感线圈l2并联后，再连接到发射器芯片m1的两端；buck电路并联在发射端的发射器芯片m1的两端；
11.接收端主要由接收器芯片m2、接收耦合电感线圈l3、电容c4和储能电容器c5组成，接收耦合电感线圈l3和电容c4并联后，再连接到接收器芯片m2的两端，储能电容器c5也连接在接收器芯片m2的两端。
12.所述的接收端植入人体内，所述的发射端佩戴在人体上并接地。
13.所述的发射耦合电感线圈l2和接收耦合电感线圈l3靠近布置形成电磁感应。
14.所述的buck电路包括了整流桥d1、电容c1、电容c2、二极管d2、二极管d3、电感l1和晶闸管q1；整流桥d1的输出正极和输出负极之间串联有电容c1，整流桥d1的输出正极和晶闸管q1的阳极连接，同时整流桥d1的输出正极也经二极管d2和晶闸管q1的门极连接，晶闸管q1的阴极和电感l1的一端连接，电容c2和二极管d3并联后串联在整流桥d1的输出负极和电感l1的另一端之间。
15.所述的整流桥的输入正极通过ag电极连接到佩戴者的手腕上，输入负极经过电线或人体连接到鞋的底部而接地。
16.上述系统不需要外接电源。
17.二、植入式供电系统的植入式供电方法：
18.当人手握正在充电的手机，pad或者电脑时，人体会耦合出交流电，交流电的频率为50hz，交流电的大小与用电设备的类型有关。
19.当人们在使用充电的用电设备时，人体和地之间存在着电势差，在人体和大地之间接入负载之后，就可以形成一个完整的回路，可以为负载供能。
20.植入体内的电子器件有一个由电感线圈构成的接收器，它与发射器的电感线圈靠近对齐，并将发射器和接收器调谐到谐振耦合状态，以实现能量的有效传输。
21.工作时，整流桥将从皮肤表面的工频环境接收到的人体和地之间的电势差的正弦波信号转变正向交流电，再通过buck电路变为直流电储存到buck电路内部的电容里；然后当buck电路内部的电容的电压积累到预设电压阈值时，启动发射器芯片m1，并由发射耦合电感线圈l2产生谐振信号，将能量传输至接收端，通过接收器芯片m2和储能电容器c5给植入式电子器件充电。
22.本发明具有以下有益效果：
23.用电设备工作过程中有工频能量散发到空气中，收集这些耗散的能量可以实现能量的再次运用，经人体皮肤表面可以进行简便地能量的信道传输。本发明基于电容耦合，将用电设备充电中产生的工频能量耦合到人体皮肤表面，再通过人体信道进行能量传输。收集到的能量大小和用电设备有很大的关系，本系统可以通过一定时间段的收集，来给储能器件充电，为后端设备提供电力。
24.而且本发明的植入式供电系统耗能少，本系统还可以通过给无线传输模块供电，为心脏起搏器等植入式供电系统供能，减少电池反复使用给人体所带来的危害。
附图说明
25.图1是本发明实施例中用于人体耦合电源的无线电力传输的电路框图。
26.图2是实施例中电容耦合原理的等效电路图。
27.图3是实施例中不同型号手机耦合的电压图。
28.图4是实施例中不同型号平板耦合的电压图。
29.图5是实施例中耦合手机的能量给不同电容充电的充电图。
30.图6是实施例中发射端和接收端的fft图。
31.图7是实施例中用于人体耦合电源的无线电力传输的电容(100μf)充电图。
具体实施方式
32.下面结合附图和具体实施对本发明作进一步说明。
33.如图1所示，系统包括buck电路、发射端和接收端，从而构建形成无线电力传输系统；buck电路连接于发射端，发射端和接收端感应靠近布置；
34.发射端主要由发射器芯片m1、电容c3和发射耦合电感线圈l2组成，电容c3和发射耦合电感线圈l2并联后组成lc谐振电路模块，再连接到发射器芯片m1的两端；buck电路并联在发射端的发射器芯片m1的两端；
35.接收端主要由接收器芯片m2、接收耦合电感线圈l3、电容c4和储能电容器c5组成，接收耦合电感线圈l3和电容c4并联后组成lc谐振电路模块，再连接到接收器芯片m2的两端，储能电容器c5也连接在接收器芯片m2的两端。
36.具体实施中，接收端植入人体内，发射端佩戴在人体上并接地。接收端的储能电容器c5可连接到人体内的所需供电设备上，例如人工心脏等。
37.发射耦合电感线圈l2和接收耦合电感线圈l3靠近布置形成电磁感应。
38.buck电路包括了整流桥d1、电容c1、电容c2、二极管d2、二极管d3、电感l1和晶闸管q1；整流桥d1的输出正极和输出负极之间串联有电容c1，整流桥d1的输出正极和晶闸管q1的阳极连接，同时整流桥d1的输出正极也经二极管d2和晶闸管q1的门极连接，晶闸管q1的阴极和电感l1的一端连接，电容c2和二极管d3并联后串联在整流桥d1的输出负极和电感l1的另一端之间。
39.整流桥的输入正极通过ag电极连接到佩戴者的手腕上，输入负极经过电线或人体连接到鞋的底部而接地。
40.如图1所示，人体耦合电源的无线电力传输的电路框图。人们使用两插的用电设备时，工频信号就会耦合到人体上。
41.此时，人体皮肤表面和地之间存在一定的电势差，这部分能量可以用于无线电力传输。皮肤表面的交流电经过整流桥d1给输入电容c1充电，让输入电容c1处的电压达到稳压二极管d2的反向导通电压时，稳压二极管d2导通，电流流过稳压二极管d2，使得晶闸管q1导通，输入电容c1储存的能量流向后端给电容c2和发射器芯片m1充电；
42.发射器芯片m1设置预设电压阈值为3.6v，当电容c2的电压达到3.6v时，发射器芯片m1开始通过lc谐振电路将电容c2存储的能量转换为谐振信号发送到发射耦合电感线圈l2和电容c3组成的发射端lc谐振电路上，经发射端lc谐振电路和接收端lc谐振电路之间的耦合关系，进而将能量传输到接收端的储能设备，即储能电容器c5。接收端的电容c5中存储的
能量用于为心脏起搏器或植入物无线传感器芯片等植入设备提供电力。
43.由此，本发明方案是巧妙利用了工频的能量，一定程度上是实现了将工频的利用最大化。
44.通常在电源和电线之间存在寄生(或杂散)电容，并且50hz交流电将通过杂散电容耦合到电信号，如果护套不正确，则导致包含50hz寄生信号的噪声信号。除了电线之外，如果笔记本电脑和手机等终端设备未正确接地，则还有寄生电容。当导体(如铝(al)板)放置在插入两脚插座的用电设备上或附近时，将有非常大的交流电压耦合到导体板上。无论将导体放置在何处，只要它位于用电设备的区域内，交流电压波都具有相似的振幅。
45.本发明搭建的整个装置可以被视为由绝缘体覆盖的导电板；当将导电板放在其上时，它们会形成等效电容器。将电子设备充电时所产生的工频与植入式装置相结合，通过耦合电子设备充电时的工频能量，经人体信道为植入式供电系统供能，为植入式供电系统的能量供给提供新的方案。
46.人们可以按需使用并以更安全的方法为植入式供电系统供能。例如，将收集到能量为无线发射模块供电，传输能量至体内的无线接收模块，无线接收模块可以为心脏起搏器、脊椎刺激器、人工耳蜗等供能。
47.同时，本发明电容耦合式的供能方式避免了电池的使用，减少了电池老化再次手术的风险，保证良好的能量传输效率的同时，让植入式供能的渠道遍及人们的生活。
48.本发明系统内部的电容耦合原理等效如图2所示。其中，cs表示用电设备和人体之间的寄生电容，其值取决于分离距离和接触面积。rs和r
l1
是用电设备的内部等效电阻，r1是线阻，r
l2
是负载电阻。其构成单电极电容耦合电路，用于无线电力传输，输出电压可以通过分压原理进行简要估计。vout＝vo*(rl2/(rl2+zs))，其中zs＝1/wcp是耦合电容器的阻抗。vout通常非常小，因为寄生电容相对较小，如果zs接近r
l2
值，则变大。
49.用电设备通常是指手机、笔记本电脑等，能提供工频的设备。
50.如图3所示，不同型号手机耦合的电压图。不同型号手机内部的杂散电容不同，耦合出来的电压大小也有差异。除了手机型号不同可能影响耦合的电压幅值，还和人与手机的接触面积有关。平板电脑也能耦合出与手机相同趋势的电压，如图4所示。电压的频率都是50hz，且都是在充电过程中耦合出来的。
51.为了表征基于电容耦合原理的电输出性能，人拿充电的iphone手机来耦合电压输出，经过人体信道至整流桥的输入端，另一端接地(脚底)，给不同的电容充电。充电曲线如图5所示。
52.从快速傅里叶变换(fft)光谱可以清楚地看出，发射端和接收端(无线传输模块的两端)都具有设计为1.8mhz的固定谐振频率，如图6所示。
53.实施例中通过在接收端并联一个电容c5，来表征系统给植入式供电系统的供电能力，电容c5的充电曲线如图7所示。