專利名稱：基于非相干光的反饋式ami能量注入裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及基于非相干光的反饋式AMI能量注入裝置，屬于光電技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來,有源醫(yī)學(xué)植入物(AMI, Active Medical Implant s)的出現(xiàn),使醫(yī)學(xué)檢測與治療手段滲入到人體內(nèi)部，可直接在體內(nèi)相關(guān)部位實(shí)現(xiàn)生理信息檢測、生物刺激、藥物釋放、器官功能恢復(fù)等，從而極大地提高了獲取信息的準(zhǔn)確性及治療的針對性。AMI在人體生理、病理過程的檢測與影響方面具有廣泛的應(yīng)用空間，將在未來醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。AMI需在電能的驅(qū)動下才能實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，其對電能具有強(qiáng)烈的依賴性。目前已有的AMI主要采用鋰電池供電。盡管鋰電池具有較高的功率密度及較好的放電特性，但仍難以完全滿足AMI的電能需求。因此，從體外對AMI進(jìn)行二次能量注入成為解決AMI電量供給問題的重要途徑。目前，已開展的AMI能量注入研究可分為壓電法，溫差法，射頻注入法、光學(xué)法等。其中，壓電法主要基于壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)換。目前，基于壓電法產(chǎn)生的能量相對較低。同時(shí)，基于體內(nèi)機(jī)械能直接轉(zhuǎn)換為電能的研究處于探索階段；溫差法主要利用人體內(nèi)部的溫度差異產(chǎn)生電能。通過該方法得到的電能同樣十分有限；射頻注入法主要通過不同方式將電磁能注入到體內(nèi)，經(jīng)由相應(yīng)的耦合裝置接收后為AMI電池充電。基于該方法可獲得較高的輸出功率，但其裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性難以保證。此外，傳遞力矩所需的強(qiáng)電磁場將對AMI電路及人體生理活動造成干擾；光學(xué)注入法主要通過體外的激光光源照射人體皮膚，由植入式光電換裝置產(chǎn)生電能。光學(xué)注入法具備電磁能量法所具有的高能量傳遞效率優(yōu)勢，同時(shí)避免了能量注入過程中的電磁干擾問題。因此，光學(xué)注入法被認(rèn)為是一種具有潛力的AMI能量注入方式。目前，光學(xué)注入 法所存在的主要問題包括為了獲得所需的入射深度及功率密度，已有的光學(xué)注入法的光源主要采用激光光源(相干光源)，而長時(shí)間激光照射有可能對人體造成潛在的不利影響。另一方面，激光光源的成本相對較高，體積相對較大。已有光學(xué)注入法需通過人工方式對激光的輸出功率、照射時(shí)間等進(jìn)行控制，無法得到體內(nèi)光電轉(zhuǎn)換狀態(tài)的反饋，從而難以完全保障AMI能量注入的安全性。由于需根據(jù)AMI植入者的實(shí)際情況對激光的波長、功率及照射時(shí)間進(jìn)行嚴(yán)格地控制，已有的光學(xué)注入法需在醫(yī)院內(nèi)由專業(yè)醫(yī)務(wù)人員采用專用激光光源完成，從而降低了能量注入的便利性，不利于AMI的廣泛應(yīng)用。國際衛(wèi)生組織(WHO，World HealthOrganization)的報(bào)告顯示人體對于日光福射的限制與光波長及照射時(shí)間相關(guān)。依據(jù)國際非電離福射保護(hù)委員會(ICNIRP, International Commission on Non-1onizingRadiation Protection)的規(guī)定在10s_8. 33h時(shí)間范圍內(nèi)，人體對可見光及近紅外譜段(400nm-1400nm)的輻射強(qiáng)度限制為2. 0 X 103CAW/m2 (CA為與波長\相關(guān)的系數(shù))。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決AMI能量注入的問題，提供了一種基于非相干光的反饋式AMI能量注入裝置。本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明的基于非相干光的反饋式AMI能量注入裝置，包括非相干光源、濾光片、可變光闌、會聚透鏡、光電轉(zhuǎn)換器、溫度傳感器、測控模塊。連接關(guān)系為非相干光源依次通過濾光片、可變光闌、會聚透鏡后，經(jīng)由皮膚層傳給光電轉(zhuǎn)換模塊。在這個(gè)裝置中濾光片用于濾除不適合在人體內(nèi)傳輸?shù)墓庾V，例如紫外光(長時(shí)間照射對人體有害)?？勺児怅@在測控模塊的控制下，用于對入射的非相干光的能量及持續(xù)照射時(shí)間進(jìn)行實(shí)時(shí)控制；會聚透鏡對非相干入射光進(jìn)行會聚，以提高其在人體內(nèi)的入射深度及功率密度；測控模塊與光電轉(zhuǎn)換器和可變光闌相連，用于溫度反饋并實(shí)時(shí)控制光闌以便對入射光能量進(jìn)行控制。其中，濾光片、可變光闌、會聚透鏡之間連接的距離可根據(jù)實(shí)際需求來調(diào)節(jié)，其中濾光片與會聚透鏡距離在2cm內(nèi)為優(yōu)先選擇。溫度傳感器位于可變光闌外圍遮蓋物的下方，以防止非相干光源直接照射，它與會聚透鏡不接觸，以保證準(zhǔn)確感知皮膚溫度。工作過程如下第一步非相干光源輸出非相干光；或直接米用日光福射作為非相干光(此時(shí)無需LED光源)。非相干光入射至下方的濾光片。濾光片濾除不適合在人體內(nèi)傳輸?shù)墓庾V。濾光后的非相干光入射至下方的可變光闌。第二步在測控模塊的控制下，可變光闌對入射的非相干光能量及持續(xù)照射時(shí)間進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。通過可變光闌的非相干光入射至下方的會聚透鏡。第三步會聚透鏡對入射的非相干光進(jìn)行會聚。會聚后的非相干光入射至人體表皮和真皮以及皮下組織，到達(dá)光電轉(zhuǎn)換模塊。第四步溫度傳感器實(shí)時(shí)測量AMI上方皮膚表面的溫度變化。同時(shí)，測控模塊實(shí)時(shí)采集溫度傳感器的測量結(jié)果，依據(jù)人體皮膚溫度變化與體內(nèi)光熱效應(yīng)之間的量化關(guān)系，實(shí)時(shí)控制光闌的大小。當(dāng)體內(nèi)AMI電池容量達(dá)到飽和時(shí)，在滿足國際衛(wèi)生組織(WHO)和國際非電離輻射保護(hù)委員會(ICNIRP)規(guī)定的安全范圍內(nèi)，當(dāng)人體局部組織溫度上升至閾值，則關(guān)閉可變光闌，AMI能量的注入過程結(jié)束。有益效果1、本發(fā)明的基于非相干光的反饋式AMI能量注入裝置，采用通過穿戴式LED光源、日光等照明光源實(shí)現(xiàn)人體內(nèi)的AMI能量注入，使AMI植入者可在一種自然的狀態(tài)下獨(dú)立完成能量注入，可極大地提高AMI能量注入的便利性。同時(shí)，避免了射頻注入法的電磁干擾問題和激光照射對人體的潛在影響，提高了 AMI能量注入的安全性。2、本發(fā)明的基于非相干光的反饋式AMI能量注入裝置，提出通過在皮膚表面設(shè)置平凸透鏡實(shí)現(xiàn)照明光在人體內(nèi)的會聚(聚光)，在保證安全的前提下，提高其在人體組織內(nèi)的功率密度，進(jìn)而在較高入射深度內(nèi)獲得所需的能量傳輸效率。同時(shí)，由于實(shí)現(xiàn)了入射光會聚，還可相對降低光電轉(zhuǎn)換器件(光電池等)的光敏接收面積，有利于實(shí)現(xiàn)AMI的微小型化。3、本發(fā)明的基于非相干光的反饋式AMI能量注入裝置，當(dāng)體內(nèi)光電池容量達(dá)到飽和時(shí)，入射照明光將通過光熱效應(yīng)被光電轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)換為熱量，將使人體局部組織溫度上升，進(jìn)而對人身安全構(gòu)成影響。針對這一問題，本項(xiàng)目提出了一種基于溫度反饋的體內(nèi)入射光能量控制方法。該方法在體外透鏡上方設(shè)置自動光闌。以皮膚溫度變化為反饋，依據(jù)所獲得的人體皮膚溫度變化與體內(nèi)光熱效應(yīng)之間的量化關(guān)系，實(shí)時(shí)控制透鏡上方的光闌變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對入射照明光能量的控制，進(jìn)一步提高了 AMI能量注入的安全性。4、本發(fā)明的基于非相干光的反饋式AMI能量注入裝置，AMI能量供給時(shí)間僅與電池壽命相關(guān)，可使AMI的連續(xù)工作時(shí)間遠(yuǎn)大于植入者的壽命。同時(shí)，本裝置可直接利用穿戴式LED光源、自然界的日光輻射等照明光源為人體內(nèi)的AMI提供電能，符合未來綠色能源的發(fā)展趨勢。是一種長期且綠色環(huán)保的方式。


圖1為基于非相干光的反饋式AMI能量注入裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。其中1-非相干光源,2-濾光片,3-可變光闌,4-會聚透鏡,5-人體的表皮和真皮，6-皮下組織，7-光電轉(zhuǎn)換器，8-溫度傳感器，9-測控模塊。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
進(jìn)行說明實(shí)施例1本發(fā)明的基于非相干光的反饋式AMI能量注入裝置，包括LED光源1、濾光片2、可變光闌3、會聚透鏡4、光電轉(zhuǎn)換器7、溫度傳感器8、測控模塊9，如圖1所示。連接關(guān)系為LED光源依次通過濾光片2、可變光闌3、會聚透鏡4后，經(jīng)由皮膚層傳給光電轉(zhuǎn)換器7。光電轉(zhuǎn)換器7對接受光 線響應(yīng)并轉(zhuǎn)換為電能，供給AMI工作。在這個(gè)裝置中濾光片2用于濾除不適合在人體內(nèi)傳輸?shù)墓庾V，例如紫外光(長時(shí)間照射對人體有害)?？勺児怅@3在測控模塊9的控制下，用于對入射的非相干光I的能量及持續(xù)照射時(shí)間進(jìn)行實(shí)時(shí)控制；會聚透鏡4對非相干入射光進(jìn)行會聚，以提高其在人體內(nèi)的入射深度及功率密度；測控模塊9與溫度傳感器8和可變光闌3相連，用于溫度反饋并實(shí)時(shí)控制可變光闌3以便對入射光能量進(jìn)行控制。其中，濾光片2、可變光闌3、會聚透鏡4之間連接的距離為2cm。溫度傳感器8位于可變光闌3外圍遮蓋物的下方，以防止非相干光源I直接照射，它與會聚透鏡4不接觸，以保證準(zhǔn)確感知皮膚溫度。工作過程如下第一步LED光源輸出非相干光；或直接米用日光福射作為非相干光(此時(shí)無需LED光源)。LED光源的非相干光入射至下方的濾光片。濾光片2濾除不適合在人體內(nèi)傳輸?shù)墓庾V。濾光后的非相干光入射至下方的可變光闌3。第二步在測控模塊9的控制下，可變光闌3對入射的非相干光能量及持續(xù)照射時(shí)間進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。通過可變光闌3的非相干光入射至下方的會聚透鏡4。第三步會聚透鏡4對入射的非相干光進(jìn)行會聚。會聚后的非相干光入射至人體表皮和真皮5以及皮下組織6，到達(dá)光電轉(zhuǎn)換模塊7。第四步溫度傳感器8實(shí)時(shí)測量AMI上方皮膚表面的溫度變化。同時(shí)，測控模塊9實(shí)時(shí)采集溫度傳感器對人體皮膚溫度變化的測量結(jié)果，依據(jù)測量結(jié)果來控制可變光闌3的大小。當(dāng)體內(nèi)AMI電池容量達(dá)到飽和時(shí)，在滿足國際衛(wèi)生組織(WHO)和國際非電離輻射保護(hù)委員會(ICNIRP)規(guī)定的安全范圍內(nèi)，當(dāng)人體局部組織溫度上升至閾值，則關(guān)閉可變光闌，AMI能量的注入過程結(jié)束。在整個(gè)過程中，所用典型LED光源模型的功率為5mW，經(jīng)由前端透鏡系統(tǒng)后，入射到皮膚表面的光斑半徑1cm，設(shè)定照射時(shí)間為30min。在這個(gè)條件下，經(jīng)由表皮層，真皮層和脂肪層的吸收后，到達(dá)肌肉組織層的功率0.89mW。綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.基于非相干光的反饋式AMI能量注入裝置，其特征在于包括非相干光源(I)、濾光片(2)、可變光闌(3)、會聚透鏡(4)、光電轉(zhuǎn)換器(7)、溫度傳感器(8)、測控模塊(9);非相干光源(I)依次通過濾光片(2)、可變光闌(3)、會聚透鏡(4)后，經(jīng)由皮膚層傳給光電轉(zhuǎn)換模塊；測控模塊(9)與光電轉(zhuǎn)換器(7)和可變光闌(3)相連；濾光片(2)、可變光闌(3)、會聚透鏡(4)之間連接的距離可根據(jù)實(shí)際需求來調(diào)節(jié)；溫度傳感器(8)位于可變光闌(3)外圍遮蓋物的下方，以防止非相干光源⑴直接照射，它與會聚透鏡⑷不接觸，以保證準(zhǔn)確感知皮膚溫度。
2.如權(quán)利要求1所述的基于非相干光的反饋式AMI能量注入裝置，其特征在于所述濾光片(2)、與會聚透鏡(4)之間連接的距離不大于2cm。
3.如權(quán)利要求1所述的基于非相干光的反饋式AMI能量注入裝置，其特征在于工作過程如下第一步非相干光源(I)輸出非相干光；或直接米用日光福射作為非相干光；非相干光入射至下方的濾光片(2);濾光片(2)濾除不適合在人體內(nèi)傳輸?shù)墓庾V；濾光后的非相干光入射至下方的可變光闌⑶；第二步在測控模塊(9)的控制下，可變光闌(3)對入射的非相干光能量及持續(xù)照射時(shí)間進(jìn)行實(shí)時(shí)控制；通過可變光闌(3)的非相干光入射至下方的會聚透鏡(4)；第三步會聚透鏡(4)對入射的非相干光進(jìn)行會聚；會聚后的非相干光入射至人體表皮和真皮以及皮下組織，到達(dá)光電轉(zhuǎn)換模塊；第四步溫度傳感器⑶實(shí)時(shí)測量AMI上方皮膚表面的溫度變化；同時(shí)，測控模塊(9)實(shí)時(shí)采集溫度傳感器(8)的測量結(jié)果，依據(jù)人體皮膚溫度變化與體內(nèi)光熱效應(yīng)之間的量化關(guān)系，實(shí)時(shí)控制光闌的大??；當(dāng)體內(nèi)AMI電池容量達(dá)到飽和時(shí)，人體局部組織溫度上升至閾值，則關(guān)閉可變光闌(3)，AMI能量的注入過程結(jié)束。
全文摘要
本發(fā)明涉及基于非相干光的反饋式AMI能量注入裝置，屬于光電技術(shù)領(lǐng)域。包括非相干光源、濾光片、可變光闌、會聚透鏡、光電轉(zhuǎn)換器、溫度傳感器、測控模塊；非相干光源依次通過濾光片、可變光闌、會聚透鏡后，經(jīng)由皮膚層傳給光電轉(zhuǎn)換模塊；測控模塊與光電轉(zhuǎn)換器和可變光闌相連；濾光片、可變光闌、會聚透鏡之間連接的距離可根據(jù)實(shí)際需求來調(diào)節(jié)；溫度傳感器位于可變光闌外圍遮蓋物的下方，以防止非相干光源直接照射，它與會聚透鏡不接觸，以保證準(zhǔn)確感知皮膚溫度。本發(fā)明采用通過穿戴式LED光源、日光等照明光源實(shí)現(xiàn)人體內(nèi)的AMI能量注入，使AMI植入者可在一種自然的狀態(tài)下獨(dú)立完成能量注入，可極大地提高AMI能量注入的便利性。也提高了AMI能量注入的安全性。
文檔編號A61N5/06GK103028196SQ201210567940
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月24日
發(fā)明者宋勇, 郝群, 胡藍(lán)心, 曹杰, 張開宇, 張凱 申請人:北京理工大學(xué)