状变大，进而增加了有源医疗设备植入的难度。
[0041]而且，现有的非侵入式的电源补给设备在进行充电时，充满一次电的耗时较久，而 且位于体内的能量转换部件的电能转换效率也不高，而且在充电过程中由于充电时间过 长，超声波产生的内热往往会使充电部位的皮肤受损，出现红肿等现象。
[0042]另外，随着对1-3型压电复合材料的研究的不断深入，现有的1-3型压电复合材料 技术较为成熟，而且也逐渐地被应用到各种电子设备中。1-3型压电复合材料作为传感器敏 感元件的原理是其具有的压电效应，1-3型压电复合材料是由一维的压电陶瓷柱平行地排 列于=维连通的聚合物中，且复合材料的极化方向垂直于电极面而构成的两相压电复合材 料。在利用横向压电效应的1-3型压电复合材料中，每个压电陶瓷单元的极化方向与所施 加的电场方向平行，即沿着1-3型压电复合材料的厚度方向；而如果是利用纵向压电效应 的情况恰好相反。在高精度领域，不同形状和大小的1-3型压电复合材料，其性能也将有巨 大的差异，不同应用环境其所对1-3型压电复合材料性能的需求也不相同，需要根据具体 情况进行研究。
[0043]总之，基于现有技术中所存在的缺陷，本发明提出一种基于超声波的无线充电系 统，用W对植入体内的有源医疗器械设备中的电池/电源部件充电。
[0044]具体地，请参考图1，示出了本发明一种基于超声波的无线充电系统的原理示意 图，本发明提供的基于超声波的无线充电系统至少包括超声波发射装置10、供植入体内的 换能片20、适配电路模块30W及电池模块40，其中，所述超声波发射装置10用于作脉冲式 地输出一低强度的聚焦超声波，且所述聚焦超声波的占空比不大于10%;换能片20,用于接 收所述低强度的聚焦超声波并将其转换成具有电势差的压电信号，并予W输出；适配电路 模块30,连接于所述换能片20,用于接收所述压电信号并将其转换成适于充电的直流电信 号；电池模块40,连接所述适配电路模块30,用于接收所述直流电信号进行电池模块40充 电。
[0045]具体地，在上述基于超声波的无线充电系统中，所输出的超声波信号是呈脉冲式 地输出的，该是因为超声波信号在人体内进行传输时会产生一定的热效应，如果是输出的 超声波信号是连续形的，那么会在体内快速地形成积热，从而造成热损伤；与之相对地，该 脉冲式的超声波的占空比应当设置为10%w下，类似地，当占空比为10%W下时，超声波 信号进入体内时，仍然是机械效应占优，从而所引起的热效应低，保证了超声波W机械能的 方式在体内高效的传输并将振动能量高效的输送到接收端的换能片20上。从而保证了超 声波在体内传输过程中热损耗小，超声波在传输过程中不产生热损伤，不会对人体的皮肤 造成难W恢复的损伤，确保了充电时的安全性。另外，所述超声波信号为低强度的（应当理 解，超声波有低强度和高强度之分，此种分法是一种行业技术分类），该是因为高强度的超 声波会损伤体内组织。
[0046] 需要进一步说明的是，现有的非侵入式充电设备在进行充电时容易造成内热，从 而损伤皮肤组织。而造成体内热积累的原因主要有；第一，超声波的强度（国家有相关标 准，强度与产生热能成正比，强度高，容易造成热损伤；强度低，更为安全，本发明采用低强 度超声，也是基于此考虑）；第二，超声波持续时间，超声波福射时间越长，热能积累就越 多；第=，生物组织的超声吸收系数（该与频率相关，频率越高，吸收系数越大，越容易造成 热损伤）等。
[0047] 再具体地来说，所输出的超声波信号是W聚焦的方式予W输出的，该与设置于体 内的换能片20有关，一般地，供植入体内的换能片20的尺寸十分的小，为了使超声波信号 能够快速地被吸收，那么采用聚焦超声波是一种优选的方案。而且聚焦是通过发射端实现 的，比如可W采用机械式或相控式聚焦换能器作为超声波发射装置10,并通过所述机械式 或相控式聚焦换能器来实现超声波的聚焦。另外，聚焦的焦点大小和焦距为发射换能器决 定的，并可通过机械式或相控式聚焦换能器根据已知参数来进行设置获得。采用聚焦超声 波可W使所发射的聚焦超声波的焦点落在换能片20上，从而达到俱佳的转换率，若所述换 能片20不是落在聚焦超声波的焦点上，那么其声压将会非常低，产生电流也非常小，无法 达到充电的要求。
[0048] 通过上述基于超声波的无线充电系统，通过低强度的聚焦超声波来输出超声波信 号，并经过换能片20的接收后直接转换成压电信号，该里所得到的压电信号是具有一定压 差的交流电信号，然后利用适配电路模块30将该交流压电信号转换成直流电信号，最后用 来为电池模块40充电。整个充电过程快速、直接，而且用于植入体内的换能片20和适配模 块体积结构都较小，可W十分方便地连同有源医疗设备一起植入体内。
[0049] 进一步地，为了更好地实施本发明所提供的技术方案，所述换能片20可优选地采 用圆柱形结构的1-3型压电复合材料，且换能片20的直径为2-5个所接收超声波的波长长 度。
[0化0] 详细地，见图2,示出了一种采用1-3型压电复合材料制得的为圆柱形结构的换能 片20结构示意图，如图所示，1-3型压电复合材料换能片20,由压电陶瓷方柱22、聚合物23 及上下电极（21a、2化）组成，其中，压电陶瓷方柱22排列在聚合物23中，压电陶瓷方柱22 的高度和方形边长之比大于3,且压电陶瓷方柱22 (即陶瓷组分）占总整个换能片20体积 的40%-80%之间，之所W该样设置的原因在于，如果采用高度和方形边长之比大于3的结 构，可使压电陶瓷方柱构成的换能片20激发单纯的厚度振动，抑制了横向振动，能够高效 的吸收超声纵波，将超声波的机械能转换为电能；如果是方柱尺寸高度和方形边长之比小 于3,此换能片20在接收超声纵波的时，除了激发厚度振动外，还会激发较强横向振动，损 失了一部分能量，大大降低了超声波转换成电能的效率。应当说明的是，1-3型压电复合材 料是指具有上述结构的一类压电材料，其中，压电陶瓷方柱22可W选用各种具体的压电材 料，例如PZT-5压电材料。
[0化1] 更加详细地来说，优选地将压电陶瓷方柱22(陶瓷组分）设置为占总体积的 40% -80%之间，该是基于W下考虑，若陶瓷组分占总体积的80%W上，方柱之间的间隔会 很小，在制作的时候不易加工；若陶瓷组分占总体积的40%W下，由于1-3型压电复合材料 换能片20中的压电陶瓷方柱是将超声波转换成电能的功能部分，压电陶瓷方柱占的体积 过小，会降低换能片20对超声波的吸收和转化。
[0化2] 另外，在对于1-3型压电复合材料换能片20的压电陶瓷材料（即压电陶瓷方柱 22)选择上，经过实验分析，1-3型压电复合材料换能片20上的输出功率可W用W下公式 (1)来进行计算。
[005引
【主权项】
1. 一种基于超声波的无线充电系统，其特征在于，至少包括： 供置于体外的超声波发射装置，用于作脉冲式地输出低强度的聚焦超声波，且所述聚 焦超声波的占空比不大于10% ; 供植入体内的圆柱形换能片，用于接收所述聚焦超声波并将其转换成具有电势差的压 电信号，并予以输出； 供植入体内的并连接于所述换能片的适配电路模块，用于接收所述压电信号并将其转 换成适于充电的直流电信号，并予以输出； 供植入体内的并连接于所述适配电路模块的电池模块，用于接收所述直流电信号以进 行电池模块充电。
2. 根据权利要求1所述的基于超声波的无线充电系统，其特征在于，所述圆柱形换能 片为1-3型压电复合材料。
3. 根据权利要求2所述的基于超声波的无线充电系统，其特征在于，为1-3型压电复合 材料换的所述圆柱形换能片由压电陶瓷方柱、聚合物及上下电极组成，所述压电陶瓷方柱 和聚合物设置于所述上下电极之间，所述压电陶瓷方柱排列在聚合物中，且所述压电陶瓷 方柱占整个所述圆柱形换能片体积的40% -80%，所述压电陶瓷方柱的高度与方形边长之 比至少大于3。
4. 根据权利要求2所述的基于超声波的无线充电系统，其特征在于，所述压电陶瓷方 柱为PZT-5或PMN-PT压电材料制成。
5. 根据权利要求2所述的基于超声波的无线充电系统，其特征在于，所述适配电路模 块和电池模块为纯电阻特性，且所述超声波发射装置发射超声波的频率介于所述圆柱形换 能片的正谐振频率和反谐振频率之间。
6. 根据权利要求5所述的基于超声波的无线充电系统，其特征在于，所述适配电路模 块和电池模块的阻抗等于所述圆柱形换能片在正谐振点上的阻抗，且所述超声波发射装置 发射超声波的频率为所述圆柱形换能片的正谐振频率。
7. 根据权利要求1所述的基于超声波的无线充电系统，其特征在于，所述圆柱形换能 片的直径为2-5个所述聚焦超声波的波长。
8. 根据权利要求1所述的基于超声波的无线充电系统，其特征在于，所述超声波发射 装置为机械式聚焦换能器或相控式聚焦换能器。
9. 根据权利要求1所述的基于超声波的无线充电系统，其特征在于，所述适配电路模 块为AC/DC标准电路。
10. 根据权利要求1所述的基于超声波的无线充电系统，其特征在于，所述电池模块为 适于充电的锂电池。
【专利摘要】本发明提供一种基于超声波的无线充电系统，至少包括外部超声波发射装置、植入体内的超声波接收换能片、适配电路模块及可充电电池模块，其中超声波发射装置发射脉冲式聚焦超声波，并通过换能片将超声波转换成电能，之后再通过适配电路模块将电能进行整流后充到可充电电池中。本发明采用超声波作为能量的载体，能够以无创的方式穿透人体，对体内的植入式医疗器械进行充电，避免了电池电能消耗后通过再次手术更换电池或系统的过程，减轻了患者的再次手术的风险和痛苦，减轻了患者的经济负担；而且本发明的充电效率更高。
【IPC分类】H02J17-00
【公开号】CN104767291
【申请号】CN201510166355
【发明人】杨增涛, 王 华
【申请人】重庆医科大学
【公开日】2015年7月8日
【申请日】2015年4月8日