對(duì)植入實(shí)驗(yàn)動(dòng)物或人體內(nèi)的生物電子裝置進(jìn)行無(wú)線充電的設(shè)備和方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種用于向植入病人或?qū)嶒?yàn)動(dòng)物體內(nèi)的生物電子裝置的遠(yuǎn)程可充電電路充電的設(shè)備，該設(shè)備包括：用于適于限定出容納病人或?qū)嶒?yàn)動(dòng)物的封閉環(huán)境的可組合容器(10)，所述容器(10)包括由非磁性材料制成的且彼此連接一限定出所述封閉環(huán)境的多個(gè)可組合壁，所述容器(10)包括軸線沿第一方向(Z)設(shè)置的至少一個(gè)第一線圈(20、21、22)和軸線沿與所述第一方向(Z)垂直的第二方向(Y)設(shè)置的至少一個(gè)第二線圈(30、31、32、33)。該設(shè)備還包括用于向所述可組合容器的線圈供電和驅(qū)動(dòng)所述可組合容器的線圈的系統(tǒng)(40)，所述系統(tǒng)包括：用于每一個(gè)線圈(20、21、22、30、31、32、33)的開(kāi)關(guān)電源驅(qū)動(dòng)器(61、62、63、64、65、66、67)，分別與每個(gè)所述開(kāi)關(guān)電源驅(qū)動(dòng)器(61、62、63、64、65、66、67)和所述供電和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(40)的可編程邏輯電路(80)相連的多個(gè)鎖相環(huán)電路(71、72、73、74、75、76、77)，所述可編程邏輯電路(80)用于執(zhí)行相位比較，所述可編程邏輯電路(80)依次與所述供電和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(40)的微處理器(50)，所述微處理器(50)用于向所述線圈(20、21、22、30、31、32、33提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)以在容器(10)的內(nèi)部產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】對(duì)植入實(shí)驗(yàn)動(dòng)物或人體內(nèi)的生物電子裝置進(jìn)行無(wú)線充電的設(shè)備和方法
[0001]本發(fā)明涉及一種對(duì)植入實(shí)驗(yàn)動(dòng)物或人體內(nèi)的諧振式生物電子裝置進(jìn)行無(wú)線充電的設(shè)備和方法。
[0002]已知的，在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物身上做科學(xué)試驗(yàn)是生物醫(yī)藥裝置(特別是生物電子裝置)臨床應(yīng)用的必要的步驟，并且在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物身上植入試驗(yàn)性的生物電子裝置的數(shù)量不斷增長(zhǎng)。
[0003]基于獲得和監(jiān)控人類(lèi)腦電信號(hào)的系統(tǒng)植入的試驗(yàn)性方案，即癲癇的治療，也是已知的。
[0004]這種化學(xué)電子裝置的充電可以通過(guò)使用合適的電纜或采用電磁感應(yīng)的無(wú)線模式完成。優(yōu)選后者，由于電纜的使用會(huì)成為實(shí)驗(yàn)動(dòng)物和病人的感染源，除非移除植入的裝置，否則不能消除該感染源，因此，這會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)性活動(dòng)或治療的中斷。消除電纜(為具有不可忽略的尺寸的外部體)也能在試驗(yàn)性活動(dòng)或治療過(guò)程中預(yù)防實(shí)驗(yàn)動(dòng)物和病人經(jīng)歷行為性問(wèn)題。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電，供電裝置(如電感耦合器)的線圈需要與植入的生物電子裝置的關(guān)聯(lián)供電電路的對(duì)應(yīng)線圈磁耦合。為了這個(gè)目的，兩個(gè)線圈必須對(duì)正，這需要在生物電子植入裝置的可充電電池的試驗(yàn)活動(dòng)和/或完全充電的整個(gè)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)動(dòng)物或病人保持靜止。由于病人的配合，在涉及人類(lèi)的情況時(shí)這種狀況是容易完成的，但是在涉及實(shí)驗(yàn)動(dòng)物情況時(shí)則必須借助于固定裝置或者甚至于麻醉，這將導(dǎo)致嚴(yán)重的道德和組織問(wèn)題。
[0006]在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的具體情況中，約束籠已被發(fā)展為在地板(實(shí)驗(yàn)動(dòng)物可在其上活動(dòng))下設(shè)置多個(gè)線圈。線圈能夠產(chǎn)生彼此平行且沿垂直軸線定向的多個(gè)磁場(chǎng)，以便容置在籠內(nèi)的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物可以在平行的磁場(chǎng)間自由活動(dòng)，并且植入的生物電子裝置的供電電路大體上總是和至少一個(gè)磁場(chǎng)耦合，因此籠中的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物在其位置上可以獨(dú)立地充電。
[0007]同樣已知的，在與用于實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的籠具相關(guān)聯(lián)的供電系統(tǒng)中，籠具完全嵌入到能夠產(chǎn)生磁場(chǎng)的線圈內(nèi)，例如與其軸線平行。
[0008]這些方案在涉及四條足實(shí)驗(yàn)動(dòng)物(如老鼠)的情況時(shí)非常有效的，生物電子裝置可以植入到與地板大體平行的位置，即植入到腹部，但是它們已被證明完全不適合向植入到例如猴子的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物體內(nèi)的生物電子裝置供電，這種實(shí)驗(yàn)動(dòng)物在整個(gè)可活動(dòng)空間內(nèi)具有很強(qiáng)的活動(dòng)性和持續(xù)的移動(dòng)，并伴有快速的敏捷性，即攀爬到形成籠壁和籠頂?shù)母駯派稀?br> [0009]在向植入病人體內(nèi)的生物電子裝置遠(yuǎn)程供電時(shí)會(huì)發(fā)生相似且更為嚴(yán)重的問(wèn)題，該生物電子裝置如以本發(fā)明 申請(qǐng)人:的名義申請(qǐng)的專(zhuān)利W02012/143850A1中所公開(kāi)的裝置。實(shí)際上，病人不能被限制在籠具內(nèi)，并且在需要對(duì)植入的裝置的可充電電池充電時(shí)必須躺在床上或坐在椅子上，這通常是通過(guò)將包括線圈的供電裝置放置在與被植入病人體內(nèi)的生物電子裝置直接接觸的區(qū)域內(nèi)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)樾枰∪吮３只眷o止一段相對(duì)長(zhǎng)的時(shí)間，因此這對(duì)于病人是一種不好的體驗(yàn)。
[0010]因此，一種適于對(duì)生物電子裝置的電池進(jìn)行無(wú)線充電且無(wú)需限制裝有生物電子裝置的病人或?qū)嶒?yàn)動(dòng)物的行動(dòng)的充電設(shè)備是希望獲得的，這是本發(fā)明的一個(gè)目標(biāo)。該目標(biāo)通過(guò)附加的權(quán)利要求項(xiàng)所限定的充電設(shè)備和方法而達(dá)到。
[0011]構(gòu)成本發(fā)明的方案的理念是利用通常用于具有大能量需求的裝置(如發(fā)電機(jī)、機(jī)器人、真空吸塵器或筆記本電腦)的諧振式無(wú)線供電技術(shù)。根據(jù)無(wú)線供電模式，連接到電源的第一線圈作為傳輸元件被使用，而連接到待充電裝置的第二線圈作為接受元件被使用，其中兩個(gè)線圈具有相同的諧振頻率。通過(guò)采用這一理論，根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備包括依次包括一個(gè)或多個(gè)間室的可組合容器，每一個(gè)間室與軸線沿第一方向設(shè)置的至少一個(gè)第一線圈和軸線沿與第一方向相垂直的第二方向設(shè)置的至少一個(gè)第二線圈相關(guān)聯(lián)?？山M合容器也包括向線圈供電且驅(qū)動(dòng)線圈的系統(tǒng)，該線圈用于在可組合容器內(nèi)、在由線圈的軸線限定的平面內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。
[0012]由于這些特征，在容器內(nèi)能夠保持植入的生物電子裝置的供電電路與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)磁耦合，而無(wú)需強(qiáng)制病人或?qū)嶒?yàn)動(dòng)物靜止。
[0013]可組合容納可以構(gòu)造成用于實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的籠具或適于容納人類(lèi)的環(huán)境，例如與病房或房子的房間形成一體的環(huán)境。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，可組合容器可以包括軸線沿與第一和第二方向相垂直的第三方向設(shè)置且用于每個(gè)間室的至少一個(gè)第三線圈。這種設(shè)置允許在空間(即與由三個(gè)線圈的軸線所限定的所有平面相關(guān))內(nèi)而非平面上驅(qū)動(dòng)三個(gè)線圈以獲得磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)。
[0015]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施例，彼此同軸且在第一方向上相互間隔開(kāi)的一對(duì)相同的第一線圈與可組合容器的每個(gè)間室相關(guān)聯(lián)，并且通電以沿相同方向產(chǎn)生磁場(chǎng)，彼此同軸且在第二方向上相互間隔開(kāi)的一對(duì)相同的第二線圈通電以沿相同方向產(chǎn)生磁場(chǎng)。定制且設(shè)置成亥姆霍茲線圈的每對(duì)線圈允許在二者之間產(chǎn)生在其軸線方向上大體均勻的磁場(chǎng)。在用于實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的籠具的情況下，其尺寸滿足當(dāng)前領(lǐng)域中的標(biāo)準(zhǔn)，線圈定制且設(shè)置成盡可能地接近這個(gè)理想的條件。
[0016]這種設(shè)置特別適用于大型環(huán)境，因此本發(fā)明優(yōu)選適用于容納具有高移動(dòng)性的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物(如靈長(zhǎng)類(lèi))的籠具以及適于容納人類(lèi)的環(huán)境，如醫(yī)院或住宅的房間。實(shí)際上用于每一個(gè)方向的單獨(dú)線圈可以在那個(gè)方向上、在容器的相對(duì)端導(dǎo)致一個(gè)弱磁場(chǎng)，這不利于植入限制在容器內(nèi)的人類(lèi)或?qū)嶒?yàn)動(dòng)物體內(nèi)的生物電子裝置。采用優(yōu)選設(shè)置在可組合容器的相對(duì)面上的成對(duì)線圈允許從容器的側(cè)面到側(cè)面和/或地板到頂部保持磁場(chǎng)的值大體相同，因此，允許在容器內(nèi)的任何地方向生物電子裝置充電，即使病人或?qū)嶒?yàn)動(dòng)物在移動(dòng)。
[0017]有利地，根據(jù)本發(fā)明的可組合容器包括用于每個(gè)間室且與一對(duì)第一線圈和一對(duì)第二線圈相似的一對(duì)第三線圈，一對(duì)第三線圈彼此相同并且同軸且在容器的與第一和第二方向垂直的第三方向上彼此間隔開(kāi)，并且接通一對(duì)第三線圈以在相同的方向上產(chǎn)生磁場(chǎng)。這樣設(shè)置允許驅(qū)動(dòng)三對(duì)線圈以在空間(即與由三個(gè)線圈的軸線所限定的所有平面相關(guān))內(nèi)獲得磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)。
[0018]優(yōu)選地，每對(duì)的線圈設(shè)置在可組合容器的外部的相對(duì)面上，或者與構(gòu)成其結(jié)構(gòu)的面板的內(nèi)部形成一體。這有利于允許最大化內(nèi)部活動(dòng)空間且避免病人或?qū)嶒?yàn)動(dòng)物意外接地觸電流流通過(guò)的線圈。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，適于檢測(cè)病人或?qū)嶒?yàn)動(dòng)物的存在的至少一個(gè)傳感器優(yōu)選地安裝在容器的每個(gè)間室內(nèi)，因此能夠僅觸發(fā)與被占據(jù)的間室相關(guān)聯(lián)的線圈并且通過(guò)避免向線圈供電消耗而優(yōu)化其運(yùn)行和能耗。
[0020]提交的權(quán)利要求項(xiàng)為本說(shuō)明書(shū)的一部分，且作為參考在此插入。
[0021]對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員，本發(fā)明的進(jìn)一步特征以及優(yōu)點(diǎn)通過(guò)下述實(shí)施例的詳細(xì)且無(wú)限制性的描述以及結(jié)合附圖將變得更清楚，其中:
[0022]圖la是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的安裝在適于容納人的房間內(nèi)的可組合容器的透視圖；
[0023]圖lb是根據(jù)本發(fā)明可替換實(shí)施例的構(gòu)造成用于實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的籠具的可組合容器的透視圖；
[0024]圖2是用于向與圖lb中可組合容器相關(guān)聯(lián)的線圈供電并驅(qū)動(dòng)該線圈的系統(tǒng)的框圖。
[0025]根據(jù)本發(fā)明的充電設(shè)備包括以數(shù)字10標(biāo)識(shí)可組合容器，該可組合容器10設(shè)有軸線互相垂直的至少兩個(gè)線圈20、30和用于向線圈供電和驅(qū)動(dòng)線圈的系統(tǒng)，該系統(tǒng)將在下文詳細(xì)描述。
[0026]如圖la中示意性地示出，可組合容器能夠用于向植入在人類(lèi)體內(nèi)的無(wú)線可充電式生物電子電路充電的生活環(huán)境并安裝于房間R內(nèi)，例如醫(yī)院或居家房間，或者構(gòu)造為如圖lb中示意性地示出的用于向植入在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物體內(nèi)的無(wú)線可充電式生物電子電路充電的籠具。
[0027]兩種可組合容器包括形成封閉環(huán)境的多個(gè)可組合的壁。圖la的房間和圖lb的籠具之間僅有的不同涉及它們的尺寸，可能還涉及它們的形狀。另外，在安裝在房間內(nèi)的情況下，特別是在房屋內(nèi)，可組合容器10可以適當(dāng)?shù)鼐邆涿缹W(xué)要素，例如控制面板可以設(shè)計(jì)成與房間完全成為一體，以便對(duì)于病人是不可見(jiàn)的。
[0028]為了理解本發(fā)明的設(shè)備的操作，無(wú)論可組合容器10是與房間R成一體還是作為用于實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的籠具，基本上是不相關(guān)的。為了這個(gè)原因，本申請(qǐng)將以專(zhuān)用標(biāo)號(hào)對(duì)用于對(duì)植入實(shí)驗(yàn)動(dòng)物體內(nèi)的生物電子電路充電的籠具進(jìn)行示例說(shuō)明，因此對(duì)籠具的描述是清楚且有效的。同樣，在可組合容器安裝在病人的房間內(nèi)時(shí)，標(biāo)號(hào)已作必要的修改。
[0029]如圖lb所示，根據(jù)本發(fā)明的可組合容器或籠具10包括由非磁性材料制成的多個(gè)模塊式嵌板。籠具10設(shè)有至少一個(gè)門(mén)11且限定出適于容納實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的至少一個(gè)內(nèi)部間室12。出于衛(wèi)生和成本的原因，非磁性材料優(yōu)選為塑料材料，例如PA6。
[0030]在示出的實(shí)施例中，特別地，籠具10包括兩個(gè)相互連通的間室12、13，并且在第一方向z(即從籠具10的基底到其頂?shù)姆较?上一個(gè)間室位于另一個(gè)間室的頂部上。
[0031]根據(jù)本發(fā)明的籠具10構(gòu)造為允許對(duì)植入到容置在其內(nèi)的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物體內(nèi)的諧振式通用生物電子裝置進(jìn)行無(wú)線供電，例如，該諧振式通用生物電子裝置為用于獲取和監(jiān)測(cè)腦部的生物電子信號(hào)以及顱內(nèi)刺激的可植入式裝置，并且可能配有可充電電池。
[0032]最后，在每一個(gè)間室內(nèi)，籠具10包括至少一個(gè)第一線圈20和至少一個(gè)第二線圈30，該第一線圈20的軸線沿第一方向Z設(shè)置，該第二線圈30的軸線沿籠具10的第二方向Y設(shè)置并且垂直于第一方向Z,例如橫向Y。
[0033]線圈20、30設(shè)置成不易與限制在籠具內(nèi)的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物相接觸，為了這個(gè)目的，它們可以安裝在其外部或者安裝在形成于籠壁上的各自凹槽內(nèi)。線圈20、30的電氣終端以相似的方式設(shè)置，在裝配時(shí)易于從容器10的外部相接觸，因此，使它們能夠容易連接且避免了實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的干涉。
[0034]籠具10還包括用于在第一方向Z和第二方向Y產(chǎn)生磁場(chǎng)的線圈20、30供電并驅(qū)動(dòng)該線圈20、30的系統(tǒng)，并且該系統(tǒng)提供適于在籠具10內(nèi)、在由線圈的軸線限定出的平面上形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的控制信號(hào)。
[0035]根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，可組合容器10包括彼此同軸且在第一方向Z上相互間隔開(kāi)的一對(duì)相同的第一線圈?？山M合容器10還包括彼此同軸且在第二方向Y上相互間隔開(kāi)的一對(duì)相同的第二線圈。每對(duì)線圈的設(shè)置產(chǎn)生了沿相同方向的磁場(chǎng)。
[0036]在圖lb和圖2所不的充電設(shè)備的實(shí)施例中，對(duì)于每一個(gè)間室12、13,籠具10包括在籠具10的第一方向Z上彼此同軸且在同樣的方向上相互間隔開(kāi)的一對(duì)相同的第一線圈。對(duì)于每一個(gè)間室12、13,籠具10還包括在籠具10的第二方向Y上彼此同軸且在同樣的方向上相互間隔開(kāi)的一對(duì)相同的第二線圈。
[0037]每一對(duì)的線圈這樣構(gòu)造和設(shè)置以便組成在其軸線方向上能夠產(chǎn)生大體均勻的磁場(chǎng)的亥姆霍茲線圈(Helmholtz coils),該磁場(chǎng)與圈數(shù)和流通過(guò)其的電流成正比。
[0038]與籠具10的每個(gè)間室12、13相關(guān)聯(lián)的線圈，在第一方向2上分別以標(biāo)號(hào)20、21、22標(biāo)識(shí)，而在第二方向Y上則以標(biāo)號(hào)30、31和32、33標(biāo)識(shí).在圖lb所示的透視圖中，僅能顯示線圈20,31和33。
[0039]可以理解的是，兩個(gè)間室12、13的排列方式(在第一方向Z上，一個(gè)位于另一個(gè)之上)允許使用三個(gè)線圈替代四個(gè)線圈以在這個(gè)方向上產(chǎn)生磁場(chǎng)，因?yàn)橹虚g線圈21不是與線圈20形成一對(duì)，就是與線圈22形成一對(duì)。
[0040]線圈20、21、22和30、31、32、33與諧振電路相關(guān)聯(lián)，該諧振電路具有的諧振頻率與向植入實(shí)驗(yàn)動(dòng)物體內(nèi)的生物電子裝置供電的諧振電路的線圈的諧振頻率相同。因此，實(shí)現(xiàn)了其操作，而且如果具有可充電電池，則能夠?qū)ζ淇沙潆婋姵爻潆姟?br> [0041]供電和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，以標(biāo)號(hào)40指代，包括與線圈并聯(lián)且具有可調(diào)節(jié)輸出電壓的至少一個(gè)AC/DC電源。
[0042]在圖2所示的實(shí)施例中，特別是，供電和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)40包括與具有在第一方向Z上定向的軸線的第一線圈20、21、22耦合的第一電源41和與具有在第二方向Y上定向的軸線的第二線圈30、31、32、33耦合的第二電源42。
[0043]供電和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)40還包括設(shè)有合適的管理軟件和線圈的反饋控制的微處理器50。
[0044]供電和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)40包括用于每一個(gè)線圈(由各個(gè)AC/DC電源供電)的“開(kāi)關(guān)電源驅(qū)動(dòng)器”。在圖2所示的實(shí)施例中，開(kāi)關(guān)電源驅(qū)動(dòng)器分別由標(biāo)號(hào)61到67標(biāo)識(shí)并且用于以預(yù)定的頻率產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
[0045]驅(qū)動(dòng)信號(hào)優(yōu)選為電壓信號(hào)(如矩形波信號(hào))并且具有與諧振電路的諧振頻率對(duì)應(yīng)的頻率值。這些驅(qū)動(dòng)信號(hào)優(yōu)選具有低于或等于60V的電壓值。
[0046]對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的是，為了確定諧振電路的諧振頻率，與線圈并聯(lián)的寄生電容必須被考慮在內(nèi)，線圈的特征為它們所謂的“自諧振頻率”，換言之，通過(guò)每個(gè)線圈及各個(gè)并聯(lián)的寄生電容的感應(yīng)系數(shù)確定頻率，上述的線圈作為電容而不是電感器。為了有理由確定線圈在所需的頻率上作為電感器工作并且寄生電容大體不起作用，線圈的尺寸優(yōu)選為使其具有至少大于諧振電路所需的諧振頻率十倍的自諧振頻率。在每個(gè)線圈的端部以串連方式連接有兩個(gè)電容器，并與線圈形成適于在驅(qū)動(dòng)頻率上最大化優(yōu)質(zhì)率的平衡諧振串聯(lián)電路。在圖示的實(shí)施例中，電容器分別由標(biāo)號(hào)611、612、621、622、631、632、641、642、651、652、661、662、671、672標(biāo)識(shí)，因此，籠具10包括并聯(lián)操作的七個(gè)諧振電路。
[0047]對(duì)于每一個(gè)諧振電路，電容器的電容值和各個(gè)線圈的感應(yīng)系數(shù)值被確定以便所獲得的諧振頻率和由與其連接的電源驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的諧振頻率相同。
[0048]鎖相環(huán)電路或者PLL與每個(gè)電源驅(qū)動(dòng)器相連接，PPL電路全部連接至用于比較信號(hào)相位的可編程邏輯電路80，該可編程邏輯電路連接至微處理器50。在示出的實(shí)施例中，PLL電路以標(biāo)號(hào)71到77標(biāo)識(shí)。
[0049]在供電和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)40運(yùn)行期間，每個(gè)電源驅(qū)動(dòng)器61至67產(chǎn)生引起電流流通過(guò)與其相連的諧振電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。電源被控制以在每對(duì)線圈中的線圈內(nèi)產(chǎn)生方向相同的磁場(chǎng)。
[0050]電源驅(qū)動(dòng)器61至67的控制信號(hào)基于參考信號(hào)彼此同步，該參考信號(hào)優(yōu)選為由連接至籠具10的諧振電路(例如線圈21的諧振電源)的一個(gè)電源驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的導(dǎo)頻信號(hào)。起始自該導(dǎo)頻信號(hào)的相位，出現(xiàn)在籠具10上的所有其他諧振電路經(jīng)相關(guān)的PLL電路71至77在同一方向上同步。
[0051]特別是，PLL電路71至77允許檢測(cè)在實(shí)際流通過(guò)線圈的電流和他們的頻率之間的值，并且為了補(bǔ)償共同電流相移的實(shí)際值較之對(duì)應(yīng)的標(biāo)稱(chēng)值之間的差值，通過(guò)用于比較信號(hào)相位且連接至微處理器50的可編程邏輯電路80調(diào)節(jié)電源驅(qū)動(dòng)器的控制信號(hào)。電流的頻率被調(diào)整到所需的頻率，特別是，該頻率允許將可能的最大功率傳輸至線圈，這能夠通過(guò)例如“最大功率點(diǎn)跟蹤”式算法確定，該算法為本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的。
[0052]實(shí)際上，主要由于在容器10內(nèi)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物或病人的移動(dòng)、與病人一起出現(xiàn)在容器10內(nèi)的其他人員以及設(shè)備1的工作溫度、電子部件的制造公差和外部(例如電磁干擾)或其他類(lèi)似的變化，相移的實(shí)際值之間的差值隨之波動(dòng)，這可以改變諧振頻率。因此，調(diào)整諧振頻率對(duì)于達(dá)到可能的最大功率傳輸和優(yōu)化設(shè)備的運(yùn)行是重要的。
[0053]參考信號(hào)由適于執(zhí)行介于經(jīng)控制總線的控制信號(hào)之間的相位比較的可編程邏輯電路80分配。
[0054]一旦在第一方向上諧振電路的線圈同步已被完成，相對(duì)于同步性的參考信號(hào)，可編程邏輯電路80產(chǎn)生延遲相移的第二同步信號(hào)，例如延遲90°。通過(guò)這個(gè)相移驅(qū)動(dòng)信號(hào)，具有沿垂直方向(例如第二方向Y)設(shè)置的軸線的線圈被驅(qū)動(dòng)。
[0055]因此，軸線沿第二方向Y設(shè)置的線圈彼此同步，但由相對(duì)于沿第一方向Z設(shè)置的線圈的延遲相移信號(hào)驅(qū)動(dòng)。
[0056]可以理解的是，通過(guò)基于延遲相移信號(hào)的驅(qū)動(dòng)模式和在彼此垂直平面上線圈的空間排列的優(yōu)點(diǎn)，存在于籠具內(nèi)的磁場(chǎng)在YZ面內(nèi)矢量旋轉(zhuǎn)。這允許植入實(shí)驗(yàn)動(dòng)物體內(nèi)的生物電子裝置的諧振電路的線圈被耦合至存在于籠具內(nèi)的磁場(chǎng)，而無(wú)需考慮其相對(duì)于YZ平面的位置，因此，允許生物電子裝置的運(yùn)行和/或其電池充電，而無(wú)需考慮位于籠具10內(nèi)的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的位置。換言之，在生物電子裝置的運(yùn)行和/或其電池充電過(guò)程中，容納在籠具10內(nèi)的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物在籠具10的任何區(qū)域和從一個(gè)地板到另一地板可自由移動(dòng)，有助于科學(xué)和試驗(yàn)活動(dòng)的執(zhí)行。
[0057]當(dāng)植入實(shí)驗(yàn)動(dòng)物體內(nèi)的生物電子裝置的諧振電路位于垂直于YZ平面的平面內(nèi)，磁耦合最大化，因此，允許最大化能量轉(zhuǎn)移。然而，當(dāng)向生物電子裝置供電的諧振電路與YZ平面平行時(shí)，磁耦合較差且能量轉(zhuǎn)移較少，或者既沒(méi)有磁耦合也沒(méi)有能量轉(zhuǎn)移。
[0058]可以理解的是，這種驅(qū)動(dòng)方式不限于本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，該優(yōu)選實(shí)施方式包括分別用于每個(gè)籠具10的間室的、在第一和第二方向Y、Z上平行且同軸的線圈。但是，當(dāng)可組合容器僅包括具有軸線彼此垂直的第一和第二線圈時(shí)，也同樣適用。不同點(diǎn)僅在于在任何方向上的單獨(dú)線圈的存在不能導(dǎo)致沿第一和第二方向具有相同方向的磁場(chǎng)的產(chǎn)生。
[0059]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，為了在空間而不是平面內(nèi)獲得磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)矢量，間室10的每個(gè)間室可能相關(guān)聯(lián)，至少三分之一的線圈設(shè)置在籠具10的第三方向上，例如垂直于橫向和垂直方向Y和Z的縱向X,例如一對(duì)彼此相同的第三線圈(未不出)在籠具10的第三方向X上同軸且彼此間隔地設(shè)置。
[0060]由于設(shè)置在彼此垂直的平面上的三個(gè)線圈或三對(duì)線圈，磁場(chǎng)矢量具有空間定向。通過(guò)適當(dāng)?shù)馗淖內(nèi)齻€(gè)線圈或三對(duì)線圈的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，例如改變90°，空間內(nèi)的磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)矢量被獲得以植入的生物電子裝置充電，而無(wú)需考慮實(shí)驗(yàn)動(dòng)物相對(duì)于YZ平面以及相對(duì)于XY和XZ平面的位置。
[0061]供電和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)40的每個(gè)諧振電路進(jìn)一步包括具有變壓器的一對(duì)電流傳感器，該電流傳感器沿將電源驅(qū)動(dòng)器連接至設(shè)置在線圈端部的電容器的纜線設(shè)置且適于測(cè)量供給電容器和線圈的電流。在圖2所示的實(shí)施例中，具有變壓器的電流傳感器分別以標(biāo)號(hào)613、614、623、624、633、634、643、644、653、654、663、664、673、674 標(biāo)識(shí)。由電流傳感器檢測(cè)的電流值被傳送至供電和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)40的與微處理器50相連的模塊(block) 90。模塊90執(zhí)行電流值之間的差值以便檢查任何對(duì)地電路泄漏。在漏電情況下，即由于不良絕緣性或操作人員的意外接觸，微處理器50中斷電源驅(qū)動(dòng)器與漏電相關(guān)的運(yùn)行。
[0062]從制造的角度，與每個(gè)線圈相關(guān)的電容器優(yōu)選容納在容器內(nèi)，該容器被容納在框架內(nèi)且該框架容納線圈。除了電容器外，同樣的容器還容納開(kāi)度傳感器(opening sensor),例如微動(dòng)開(kāi)關(guān)，和線圈的辨識(shí)系統(tǒng)，例如電阻器，它們將其狀態(tài)和數(shù)值通過(guò)數(shù)據(jù)總線報(bào)告給供電和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)40的微處理器。如果電容器的容器意外地被打開(kāi)，則開(kāi)度傳感器中斷各個(gè)線圈的電源驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)行。線圈的辨識(shí)系統(tǒng)用于確定在電源驅(qū)動(dòng)器和各個(gè)線圈的連接布線過(guò)程中是否工作正常。
[0063]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，供電和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)40進(jìn)一步包括適于檢測(cè)人類(lèi)或?qū)嶒?yàn)動(dòng)物在容器10內(nèi)存在的至少一個(gè)傳感器。參考如圖1b所示的實(shí)施例，例如，容器包括用于每一個(gè)間室12、13的一個(gè)檢測(cè)傳感器(如紅外型傳感器)。對(duì)應(yīng)地，在圖2的框圖中，兩個(gè)紅外型傳感器120、130被示意性地示出并分別嵌入到每個(gè)間室12、13中。
[0064]在籠具10的構(gòu)造中，一般地講，在具有相互連通的間室的可組合容器的構(gòu)造中，每個(gè)間室設(shè)置至少一個(gè)檢測(cè)傳感器以允許僅在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物實(shí)際存在的間室內(nèi)產(chǎn)生磁場(chǎng)，這從能量消耗的角度講提供了籠具10運(yùn)行的最優(yōu)化可能性。
[0065]在此所描述和舉例說(shuō)明的本申請(qǐng)的實(shí)施例僅是多個(gè)變化的可允許的示例。例如，容器10的運(yùn)行可以通過(guò)設(shè)在微處理器50模塊內(nèi)的合適的以太網(wǎng)端口來(lái)遠(yuǎn)程控制。另外，供電和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)40可以容納在連接到線圈的特殊容器內(nèi)，該特殊容器可安裝在用于容納容器10的房間的壁上或直接安裝在容器上，因此，有助于其置換和安裝。
【權(quán)利要求】
1.一種用于向植入病人或?qū)嶒?yàn)動(dòng)物體內(nèi)的生物電子裝置的遠(yuǎn)程可充電電路充電的設(shè)備，所述充電設(shè)備包括: a)可組合容器(10)，所述容器限定出適于容納病人或?qū)嶒?yàn)動(dòng)物的封閉環(huán)境，所述容器(10)包括由非磁性材料制成且彼此連接以限定出所述封閉環(huán)境的多個(gè)可組合的壁，所述容器(10)包括軸線沿第一方向(Z)設(shè)置的至少一個(gè)第一線圈(20、21、22)和軸線沿與所述第一方向(Z)垂直的第二方向(Y)設(shè)置的至少一個(gè)第二線圈(30、31、32、33)，所述第一和第二線圈安裝在所述壁上或所述壁內(nèi)，其中: 限制在所述容器(10)內(nèi)的所述病人或?qū)嶒?yàn)動(dòng)物不能與所述第一和第二線圈接觸， 所述第一和第二線圈具有在安裝時(shí)僅可從所述容器(10)的外部與之相接觸的電氣終端， 當(dāng)接通交流電，所述第一和第二線圈沿所述第一方向(Z)和第二方向(Y)向所述封閉環(huán)境的內(nèi)部發(fā)射電磁場(chǎng)； b)用于向所述可組合容器的線圈供電和驅(qū)動(dòng)所述可組合容器的線圈的系統(tǒng)(40)，所述供電和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括: 用于每一個(gè)線圈的開(kāi)關(guān)電源驅(qū)動(dòng)器(61、62、63、64、65、66、67), 多個(gè)鎖相環(huán)電路(71、72、73、74、75、76、77)，所述多個(gè)鎖相環(huán)電路分別與每個(gè)所述開(kāi)關(guān)電源驅(qū)動(dòng)器出1、62、63、64、65、66、67)和所述供電和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(40)的可編程邏輯電路(80)相連，所述可編程邏輯電路(80)用于執(zhí)行相位比較，所述可編程邏輯電路(80)依次與所述供電和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(40)的微處理器(50)相連，所述微處理器(50)用于向所述線圈提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)以在容器(10)的內(nèi)部產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。
2.如權(quán)利要求1所述的充電設(shè)備，其中，至少一個(gè)電容器(611、612、621、622、631、632、641、642、651、652、661、662、671、672)連接至每個(gè)所述線圈(20、21、22、30、31、32、33)的所述終端，并與之形成連接至各個(gè)開(kāi)關(guān)電源驅(qū)動(dòng)器出1、62、63、64、65、66、67)的諧振電路，其中，所述電容器(611、612、621、622、631、632、641、642、651、652、661、662、671、672)的電容值和每個(gè)諧振電路的所述線圈(20、21、22、30、31、32、33)的感應(yīng)系數(shù)值被確定為使所述諧振電路在與各個(gè)電源驅(qū)動(dòng)器出1、62、63、64、65、66、67)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率對(duì)應(yīng)的頻率上諧振。
3.如權(quán)利要求1或2所述的充電設(shè)備，包括彼此同軸布置且在所述容器(10)的所述第一方向(Z)上相互間隔開(kāi)的一對(duì)相同的第一線圈(20、21、22)，以及彼此同軸布置且在與所述第一方向(Z)垂直的所述容器(10)的所述第二方向(Y)上相互間隔開(kāi)的一對(duì)相同的第二線圈(30、31、32、33)，其中，每對(duì)所述線圈用于形成亥姆霍茲線圈，并且所述線圈的所述供電和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(40)用于向每對(duì)所述線圈供電，以產(chǎn)生具有相同方向的磁場(chǎng)以及在所述容器(10)內(nèi)且在由所述第一和第二方向(Z、Y)確定的平面內(nèi)提供適于產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的控制信號(hào)。
4.如權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的充電設(shè)備，進(jìn)一步包括軸線沿所述容器(10)的與所述第一和第二方向(Ζ、Υ)相垂直的第三方向(X)設(shè)置的至少一個(gè)第三線圈。
5.如權(quán)利要求4所述的充電設(shè)備，包括彼此同軸布置且在所述第三方向(X)上相互間隔開(kāi)的一對(duì)相同的第三線圈，其中每對(duì)所述線圈用于形成亥姆霍茲線圈，并且所述線圈的所述供電和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(40)用于向每對(duì)所述線圈供電，以產(chǎn)生具有相同方向的磁場(chǎng)以及在所述間室(10)內(nèi)且在空間內(nèi)提供適于產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的控制信號(hào)。
6.如權(quán)利要求2-5中任一項(xiàng)所述的充電設(shè)備，其中，所述供電和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(40)的每個(gè)諧振電路進(jìn)一步包括具有變壓器的一對(duì)電流傳感器出13、614、623、624、633、634、643、644、653、654、663、664、673、674)，所述電流傳感器沿將各個(gè)所述電源驅(qū)動(dòng)器出1、62、63、64、65、66,67)連接至設(shè)置在線圈端部的電容器(611、612、621、622、631、632、641、642、651、652、661、662、671、672)的纜線設(shè)置，且適于測(cè)量供給電容器和線圈的電流，所述供電和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(40)還包括與微處理器50相連且用于執(zhí)行電流值之間的差值以檢查任何的對(duì)地電路泄漏的模塊(90)。
7.如權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的充電設(shè)備，其中，所述供電和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(40)進(jìn)一步包括適于檢測(cè)人或?qū)嶒?yàn)動(dòng)物在所述容器(10)的每個(gè)間室(11、12)內(nèi)存在的至少一個(gè)傳感器(120、130)。
8.如權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的充電設(shè)備，其中，所述可組合容器(10)被構(gòu)造成生活環(huán)境。
9.如權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的充電設(shè)備，其中，所述可組合容器(10)被構(gòu)造成用于實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的籠具。
10.一種適于限定出封閉環(huán)境的可組合容器(10)，在所述封閉環(huán)境中植入到限制在所述封閉環(huán)境中的病人或?qū)嶒?yàn)動(dòng)物體內(nèi)的遠(yuǎn)程可充電生物電子裝置被充電，所述容器(10)包括由非磁性材料制成多個(gè)可組合的壁，其中，當(dāng)安裝所述間室時(shí)，至少兩個(gè)所述壁設(shè)置在彼此成直角的位置上，其中，所述兩個(gè)壁中的每一個(gè)設(shè)有電氣線圈，所述電氣線圈安裝在所述壁內(nèi)或壁上，其中: 限制在所述容器(10)內(nèi)的所述病人或?qū)嶒?yàn)動(dòng)物不能與所述電氣線圈接觸， 所述電氣線圈具有在安裝時(shí)僅可從容器(10)的外部與之相接觸的電氣終端， 當(dāng)接通交流電，所述電氣線圈在與所述壁大體垂直的方向上向所述封閉環(huán)境的內(nèi)部發(fā)射電磁場(chǎng)。
11.如權(quán)利要求10所述的可組合容器(10)，其中，在裝配時(shí)所述線圈安裝在所述壁上以位于所述容器外部。
12.如權(quán)利要求10或11所述的可組合容器，包括在所述容器裝配時(shí)設(shè)置在與所述兩個(gè)壁相垂直的位置的第三壁，所述第三壁具有至少一個(gè)電氣線圈，其中: 限制在所述容器(10)內(nèi)的所述病人或?qū)嶒?yàn)動(dòng)物不能與所述電氣線圈接觸， 所述電氣線圈具有在安裝時(shí)僅可從容器(10)的外部與之相接觸的電氣終端， 當(dāng)接通交流電時(shí)所述電氣線圈在與所述第三壁大體垂直的方向上向所述封閉環(huán)境的內(nèi)部發(fā)射電磁場(chǎng)。
13.—種對(duì)植入實(shí)驗(yàn)動(dòng)物或人體內(nèi)的諧振式生物電子裝置無(wú)線充電的方法，所述方法包括如下步驟: i)提供并安裝根據(jù)權(quán)利要求1-9任一項(xiàng)所述的設(shè)備； ?)將實(shí)驗(yàn)動(dòng)物或病人限制在所述設(shè)備的所述可組合容器(10)內(nèi)； iii)產(chǎn)生控制信號(hào)，以向所述容器(10)的所述線圈(20、21、22、30、31、32、33)提供適于在所述容器(10)內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的各個(gè)具有標(biāo)準(zhǔn)參考振幅和相移的交流電； iv)產(chǎn)生實(shí)際流通過(guò)所述線圈(20、21、22、30、31、32、33)的電流的檢測(cè)信號(hào)；V)通過(guò)所述檢測(cè)信號(hào)，評(píng)估實(shí)際流通過(guò)所述線圈的電流的共同的相移和頻率的實(shí)際 值；Vi)調(diào)整所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以補(bǔ)償所述實(shí)際相移與對(duì)應(yīng)的標(biāo)稱(chēng)值之間的差值；Vii)調(diào)整所述電流的頻率到所需的頻率以最大化傳輸?shù)骄€圈的能量。
【文檔編號(hào)】A61B5/00GK104427864SQ201380032377
【公開(kāi)日】2015年3月18日 申請(qǐng)日期:2013年6月18日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月18日
【發(fā)明者】潘塔萊奧·羅馬內(nèi)利, 安東尼諾·帕里斯, 斯特凡諾·馬爾凱蒂 申請(qǐng)人:Ab醫(yī)療股份公司