專利名稱：用于植入式醫(yī)療儀器的經(jīng)皮閉環(huán)控制充電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于植入式醫(yī)療儀器的經(jīng)皮閉環(huán)控制充電裝置，屬于植入式醫(yī)療儀器 技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
植入式醫(yī)療儀器種類很多，應(yīng)用范圍也很廣，如心臟起搏器、腦起搏器、肌肉刺激 器、人工耳蝸等。各類植入式醫(yī)療儀器普遍價(jià)格高昂，但壽命大多較短。限制植入式醫(yī)療儀 器壽命的主要因素是電池的容量，現(xiàn)有的植入式醫(yī)療儀器產(chǎn)品多采用高能量密度的鋰原電 池進(jìn)行供電。一般植入式醫(yī)療儀器只有3到5年左右的壽命。一旦電池能量耗盡，患者便 不得不重新接受手術(shù)，更換植入式醫(yī)療儀器，不僅為患者造成身體上的創(chuàng)傷，昂貴的價(jià)格也 為患者帶來巨大的經(jīng)濟(jì)壓力。對(duì)于植入式醫(yī)療儀器，能量供應(yīng)已經(jīng)成為限制其發(fā)展的一個(gè) 瓶頸問題。為延長植入式醫(yī)療儀器的使用壽命，可充電的鋰電池開始作為鋰原電池的替代品 應(yīng)用于植入醫(yī)療領(lǐng)域。相對(duì)于鋰原電池，鋰充電電池以更小的體積、更輕的重量為植入式醫(yī) 療儀器提供更長時(shí)間的電能支持。植入式醫(yī)療儀器植入患者體內(nèi)，與體外充電裝置間有皮 膚等組織隔離，需要經(jīng)皮無線充電方式，一般基于電磁耦合原理，利用電磁場(chǎng)穿透人體皮膚 向植入式醫(yī)療儀器傳遞電能。植入式醫(yī)療儀器一般使用生物相容性的金屬鈦密封，一方面形成了較強(qiáng)的電磁屏 蔽，另一方面使得在體外很難對(duì)植入體內(nèi)的鈦外殼內(nèi)部的線圈和電路準(zhǔn)確定位。中國發(fā)明 專利“可充電的腦深部刺激器”(申請(qǐng)?zhí)?00410019937. X)給出的無線充電方案基于傳統(tǒng)的 變壓器方式，發(fā)射線圈和接收線圈分別繞制于相同尺寸的“U”型磁芯上，要求將兩個(gè)線圈的 磁芯對(duì)正位置實(shí)現(xiàn)電磁耦合，但是，接收線圈被封裝在植入式醫(yī)療儀器內(nèi)部，其準(zhǔn)確定位非 常困難，發(fā)射線圈和接收線圈的磁芯很容易產(chǎn)生偏差，從而導(dǎo)致能量傳輸效率的大大降低， 充電的穩(wěn)定性無法得到保證；另外，U型結(jié)構(gòu)磁芯要求磁芯具有較大的高度，很難實(shí)際應(yīng)用 于追求輕薄、小型化的植入式醫(yī)療儀器。美國發(fā)明專利申請(qǐng)“植入式醫(yī)療儀器能量傳輸和遙 測(cè)驅(qū)動(dòng)電路切換設(shè)計(jì)”(公開號(hào)US20050075693A1)給出一種植入式醫(yī)療儀器能量傳輸系統(tǒng) 的設(shè)計(jì)，但和安全性密切相關(guān)的發(fā)熱問題并沒有從設(shè)計(jì)的角度根本解決，而是通過使用特 殊材料來降低發(fā)熱，增加了相應(yīng)機(jī)械設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和成本。PCT發(fā)明專利申請(qǐng)“閉環(huán)長距離 充電”(公開號(hào)W02009/055579A1)給出了一種閉環(huán)設(shè)計(jì)方法，旨在解決充電對(duì)病人日?；?動(dòng)的中斷，但為了實(shí)現(xiàn)上述目的，該專利使用了多個(gè)體外能量發(fā)射線圈，通過閉環(huán)控制選擇 與體內(nèi)能量接收線圈最接近的體外線圈組(可以為多個(gè))與體內(nèi)進(jìn)行能量傳遞。該方法有 兩個(gè)最大的問題一是發(fā)熱問題，可以通過風(fēng)扇等或者內(nèi)部采用特殊材料來保證發(fā)熱在規(guī) 定范圍內(nèi)。第二是調(diào)節(jié)響應(yīng)速度問題，因?yàn)樾枰煌＿M(jìn)行閉環(huán)控制選擇合適的體外能量發(fā) 射線圈，這個(gè)過程耗時(shí)會(huì)比較長，可能會(huì)帶來體內(nèi)發(fā)熱的問題，而且隨著病人動(dòng)作，這一過 程還需要重復(fù)進(jìn)行。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種能夠滿足植入式醫(yī)療儀器如腦深 部刺激器要求的安全可靠的經(jīng)皮無線閉環(huán)控制充電裝置，體外采用扁平狀磁芯線圈，體內(nèi) 采用空心線圈，實(shí)現(xiàn)從體外向植入體內(nèi)的醫(yī)療儀器進(jìn)行充電，通過閉環(huán)控制能夠有效的控 制體內(nèi)接收能量的大小，防止體內(nèi)醫(yī)療儀器溫度過高對(duì)人體的影響，同時(shí)體外充電器通過 電路設(shè)計(jì)即可保證不存在發(fā)熱超過人體體溫的問題。另外，能夠通過充電效率計(jì)算來實(shí)現(xiàn) 體內(nèi)外線圈對(duì)位提示，提高充電效率，提高可靠性和安全性。閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)不同充電階段體 外向體內(nèi)初始發(fā)射能量不同，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步通過閉環(huán)反饋對(duì)發(fā)射能量進(jìn)行微調(diào)，實(shí)現(xiàn) 快速調(diào)節(jié)，避免體內(nèi)發(fā)熱超過規(guī)定范圍。在充電啟動(dòng)開始階段，即初始對(duì)位期間，上述充電 和與體內(nèi)通信頻次可以增加。本申請(qǐng)可以將充電器能量發(fā)射線圈固定在體內(nèi)植入醫(yī)療儀器 附近，病人可以活動(dòng)。此外，本發(fā)明能在充電開始階段，對(duì)體外通信線圈耦合到的信號(hào)進(jìn)行 采樣(此時(shí)通信電路不用做通信功能)，快速反映體內(nèi)充電狀態(tài)，提高初始充電對(duì)位速度， 避免初始對(duì)位速度慢帶來的體內(nèi)發(fā)熱問題，提高可靠性和安全性。為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案用于植入式醫(yī)療儀器的經(jīng) 皮閉環(huán)控制的充電裝置，其特征在于，包括體外充電器和體內(nèi)植入式醫(yī)療儀器，其中體外充電器，包括充電部分和天線部分，其中天線部分，有一個(gè)外殼，在該外殼內(nèi)置有體外通信線圈、體外能量發(fā)射線圈和一 個(gè)體外能量發(fā)射線圈溫度傳感器，其中體外能量發(fā)射線圈，是一種扁平狀磁芯線圈，由一個(gè)發(fā)射線圈和同軸安置的磁芯 組成，體外能量發(fā)射線圈溫度傳感器，測(cè)量該體外能量發(fā)射線圈的溫度；體外通信線圈，是一種扁平狀磁芯線圈，由一個(gè)通信線圈和同軸安置的磁芯組成， 該磁芯與體外能量發(fā)射線圈所用磁芯為同一類型的磁芯；充電部分，包括供電電路、驅(qū)動(dòng)放大電路、功率放大/接收電路、用電阻構(gòu)成的電 流采樣電路、電源變換電路、通信/充電切換開關(guān)、電壓采樣電路、充電保護(hù)開關(guān)，以及第一 微處理器，其中供電電路，設(shè)有依次串接的保險(xiǎn)絲和二極管，還有一個(gè)體外電池充電供電器，體 外的可充電電池依次經(jīng)所述保險(xiǎn)絲、二極管和所述電壓采樣電路向所述第一微處理器供 電，同時(shí)所述電壓采樣電路第一輸出端和充電保護(hù)開關(guān)的電壓檢測(cè)端相連，所述電壓采樣 電路的第二輸出端和所述第一微處理器的電壓采樣輸入端相連，外部的交流電源通過所述 體外電池充電供電器接到所述電壓采樣電路輸入端，同時(shí)，所述體外電池充電供電器經(jīng)過 所述保險(xiǎn)絲向所述外部的可充電電池充電，驅(qū)動(dòng)放大電路，由一個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片組成，該驅(qū)動(dòng)芯片的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)輸入端與所述 第一微處理器的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)輸出端相連，功率放大/接收電路，由四個(gè)功率場(chǎng)效應(yīng)管以全橋拓?fù)浞绞较啻佣桑摴β?放大/接收電路的發(fā)射信號(hào)輸入端與驅(qū)動(dòng)放大電路的輸出端相連，電源變換電路，采用Buck或Boost或S印ic電路中的任何一種，該電源變換電路 的輸入端與所述電流采樣電路的輸出端相連，分別向所述第一微處理器輸出電壓信號(hào)，向 驅(qū)動(dòng)芯片和功率放大/接收電路供電，
充電保護(hù)開關(guān)，是一個(gè)CMOS電子開關(guān)，該充電保護(hù)開關(guān)控制端與所述第一微處理 器輸入端相連，充電保護(hù)開關(guān)輸入端與電壓采樣電路輸出端相連，充電保護(hù)開關(guān)輸出端與 電流采樣電路輸入端相連，通信/充電切換切換開關(guān)，共有兩個(gè)，其中第一通信/充電切換開關(guān)，是一個(gè)CMOS電子開關(guān)，輸入端與所述功率放大/接收 電路的輸出端相連，該第一通信/充電切換開關(guān)的輸出端則與第一微處理器的PPM通信解 碼單元的輸入端相連，所述第一通信/充電切換開關(guān)的控制端則與所述第一微處理器的通 信/充電切換控制信號(hào)輸出端相連，第二通信/充電切換開關(guān)，是一個(gè)多路選擇器，設(shè)有通信接收信號(hào)輸入端，與所 述體外通信線圈的輸出端相連，有一個(gè)功率放大/接收電路能量發(fā)射信號(hào)輸出端，連接到 所述體外能量發(fā)射線圈的輸入端，另外有一個(gè)功率放大/接收電路能量發(fā)射信號(hào)輸出端， 連接到所述體外通信線圈的輸入端，由所述第二通信/充電切換開關(guān)進(jìn)行控制，所述第二 通信/充電切換開關(guān)的控制端與所述第一微處理器的所述通信/充電切換控制信號(hào)的輸出 端相連，所述這兩個(gè)通信/充電切換開關(guān)在所述第一微處理器控制下實(shí)現(xiàn)體外通信與充電 之間的切換；體內(nèi)植入式醫(yī)療儀器包括安置在一個(gè)鈦殼內(nèi)的下列各組成部分第二微處理 器，能量接收線圈、鈦殼的和能量接收線圈的兩個(gè)溫度傳感器、體內(nèi)通信線圈、充電控制部 件、充電電池、通信處理電路和治療模塊，其中能量接收線圈，呈扁平狀，大小和重量都小于所述體外能量發(fā)射線圈，但兩者呈中 心軸平行放置，用于接收所述能量發(fā)射線圈輸出的電磁能量，充電控制部件，由整流濾波電路、充電控制電路、充電電池和第二微處理器依次串 聯(lián)構(gòu)成，其中整流濾波電路，輸入端與所述能量接收線圈的輸出端相連，把電磁能量由交流信 號(hào)轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)，充電控制電路，采用芯片MCP73841，輸入端與所述整流濾波電路的輸出端相連，而 充電電壓采樣信號(hào)輸入/出端、電池溫度采樣信號(hào)輸入/出端以及充電電流輸出端與所述 充電電池的對(duì)應(yīng)端相連，充電電池，輸出端與所述第二微處理器的電壓信號(hào)輸入端相連，通信電路，輸出端與所述第二微處理器的PPM編解碼單元的輸入端互連，該通信 電路與所述體內(nèi)通信線圈互連，接收所述體外通信線圈發(fā)射的信號(hào)，或者向體外通信線圈 發(fā)射信號(hào)；治療模塊，輸入端與所述第二微處理器的治療信號(hào)輸出端相連；第二微處理器，設(shè)有鈦殼溫度信號(hào)輸入端、能量接收線圈溫度輸入端，以及從所 述充電控制電路輸出的充電電量采樣信號(hào)的輸入端和充電電池的溫度信號(hào)的輸入端，此 外，還有一個(gè)來自所述整流濾波電路的輸出電壓信號(hào)的輸入端，所述充電控制電路分下述三個(gè)階段對(duì)所述充電電池進(jìn)行充電控制按充電電池電 壓小于設(shè)定值以下的預(yù)充電、恒流充電以及達(dá)到所要求的充電電壓后的充電，在充滿后停 止充電，并把充滿后的充電電壓和所述充電電池的溫度由所述第二微處理器通過體內(nèi)的所 述通信電路、體內(nèi)通信線圈后發(fā)往體外，同時(shí)也把所述鈦殼溫度、能量接收線圈溫度發(fā)往體外，所述第一微處理器在通信階段收到了經(jīng)體外通信線圈、所述功率放大/接收電路和PPM 通信解碼電路發(fā)來的由所述植入式醫(yī)療儀器發(fā)出的各信號(hào)后，用顯示方式提示用戶如何調(diào) 整所述體外能量發(fā)射線圈的位置和角度，以實(shí)現(xiàn)更好的電磁耦合狀態(tài)以提高充電效率，一 旦充電已滿，或者是體外能量發(fā)射線圈的溫度、能量接收線圈的溫度超過正常范圍時(shí)，則所 述第一微處理器通過充電保護(hù)開關(guān)切斷供電以停止能量發(fā)射。 進(jìn)一步的，所述體內(nèi)能量接收線圈采用空心線圈，置于鈦殼內(nèi)部。所述體外能量發(fā) 射線圈采用扁平狀磁芯線圈，并且體外能量發(fā)射線圈和體內(nèi)能量接收線圈采用中心軸平行 方式放置，通過效率計(jì)算提示線圈對(duì)位狀況，提高了充電的穩(wěn)定性及可靠性。尤其，在充電 初始階段，通過提示可以快速實(shí)現(xiàn)線圈耦合對(duì)位，防止體內(nèi)能量接收線圈溫度短時(shí)間急劇 升高，有效保證安全性。在不同充電階段，根據(jù)通信反饋信息做閉環(huán)控制，自動(dòng)調(diào)整體外能 量發(fā)射線圈的發(fā)射強(qiáng)度，有效控制體內(nèi)線圈的接收能量，從而保證體內(nèi)裝置發(fā)熱在正常范 圍內(nèi)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果(1)本發(fā)明的經(jīng)皮無線充電裝置能 夠穿過皮膚和鈦殼對(duì)植入人體的醫(yī)療儀器進(jìn)行充電，延長了植入式醫(yī)療儀器的使用壽命， 減輕了患者再次手術(shù)的痛苦和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)；(2)減小了植入式醫(yī)療儀器的尺寸和重量，從而 減小了植入式醫(yī)療儀器作為人體內(nèi)的異物對(duì)患者身體的不良影響，改善了患者的生活質(zhì) 量；(3)通過閉環(huán)控制能夠有效的控制充電過程中體內(nèi)接收能量的大小，防止體內(nèi)裝置溫 度過高對(duì)人體的影響，提高安全性；(4)能夠通過充電效率反饋，實(shí)現(xiàn)體、內(nèi)外線圈對(duì)位自 動(dòng)提示，提高充電效率，提高可靠性和安全性；(5)能在充電初始對(duì)位過程中，體外通信電 路不用做通信功能，而是對(duì)充電過程中其上耦合到的信號(hào)進(jìn)行采樣，可以快速反映體內(nèi)充 電狀態(tài)，提高初始充電對(duì)位速度，避免初始對(duì)位速度慢帶來的體內(nèi)發(fā)熱問題，提高可靠性和 安全性；(6)全國有上千萬可使用植入式醫(yī)療儀器的患者，本發(fā)明具有極高的經(jīng)濟(jì)效益和 社會(huì)效益。


圖1是本發(fā)明的整體示意圖。圖2是本發(fā)明的體外發(fā)射線圈和體內(nèi)接收線圈電磁耦合示意圖。圖3是充電總體設(shè)計(jì)原理示意圖。圖4是本發(fā)明的體內(nèi)部分原理框圖。圖5是閉環(huán)控制示意圖。圖6是充電各階段能量發(fā)射示意圖。圖7是充電過程中充電和通信時(shí)序分配圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的用于植入式醫(yī)療儀器的經(jīng)皮無線充電裝置的實(shí)施方式 做出詳細(xì)說明。如圖1所示，本發(fā)明的用于植入式醫(yī)療儀器的經(jīng)皮閉環(huán)控制充電裝置，由體外充 電器和體內(nèi)植入式醫(yī)療儀器14組成；其中體外充電器由充電部分10和天線部分39組成。 天線部分39包括體外通信線圈11、體外能量發(fā)射線圈13和體外通信線圈和體外能量發(fā)射線圈共用磁芯12等；植入式醫(yī)療儀器鈦殼14內(nèi)部包括體內(nèi)通信線圈15、能量接收線圈16、 充電控制電路17、充電電池18等。內(nèi)置磁芯12的體外能量發(fā)射線圈13和體內(nèi)能量接收線圈16通過電磁耦合實(shí)現(xiàn) 經(jīng)皮膚和鈦外殼14的電磁能量傳遞。植入體內(nèi)的能量接收線圈16所占空間較小，以減輕 植入式醫(yī)療儀器的體積和重量。對(duì)于體外能量發(fā)射線圈13和磁芯12的限制較少，可以通 過改變線圈匝數(shù)和磁芯形狀、大小，調(diào)整體外能量發(fā)射線圈的激勵(lì)電壓和頻率等，來提高發(fā) 射功率以及能量發(fā)射線圈和能量接收線圈之間的耦合效率，從而提高體內(nèi)能量接收線圈所 能獲得的能量。體外通信線圈11和體內(nèi)通信線圈15通過耦合方式進(jìn)行體內(nèi)外信號(hào)傳遞， 用于體、內(nèi)外信息雙向傳遞。如圖2所示，用于植入式醫(yī)療儀器的經(jīng)皮閉環(huán)控制充電裝置的體外能量發(fā)射線圈 13為磁芯線圈，12為所述磁芯，磁芯的使用可以調(diào)節(jié)電感量、匝數(shù)等和能量傳輸效率密切 相關(guān)的參數(shù)，以提高耦合效率。本申請(qǐng)所述裝置的磁芯12和體外能量發(fā)射線圈13不存在 發(fā)熱超出人體能承受的正常范圍的問題，無需采用特殊材料散熱，安全簡單。體內(nèi)能量接收 線圈16為空心線圈，接收線圈和發(fā)射線圈采用中心軸平行方式放置。所述植入體內(nèi)的能量 接收線圈16要求放入鈦殼內(nèi)并且占用空間較小，體外的能量發(fā)射線圈13為扁平狀，其面積 略大于體內(nèi)能量接收線圈16，其內(nèi)部是1塊扁平狀的圓柱磁芯12。所述體外能量發(fā)射線圈 及磁芯形狀設(shè)計(jì)為扁平狀且重量較輕主要為了充電過程中方便定位。當(dāng)體外能量發(fā)射線圈 13相對(duì)于體內(nèi)能量接收線圈16發(fā)生中心軸偏移的時(shí)候，本裝置在位置容差為Icm的范圍內(nèi) 均能保證耦合效果較好，體內(nèi)植入醫(yī)療儀器的發(fā)熱在正常范圍內(nèi)，同時(shí)，體外能量發(fā)射線圈 13，磁芯12和體內(nèi)能量接收線圈16溫度在正常范圍內(nèi)。線圈耦合的容差性和充電的穩(wěn)定 性得到保證。當(dāng)線圈的位置發(fā)生變化時(shí)，充電系統(tǒng)通過效率顯示給出對(duì)位提示，保證充電過 程中高的充電效率。相比已有技術(shù)，在不同充電階段，通過閉環(huán)控制調(diào)整體外能量發(fā)射線圈 的發(fā)射功率，保證體內(nèi)植入式醫(yī)療儀器發(fā)熱在正常范圍內(nèi)，充電操作更為簡單，充電過程更 為穩(wěn)定、安全。如圖3所示，用于植入式醫(yī)療儀器的經(jīng)皮閉環(huán)控制充電裝置的體外充電器部分包 括充電部分10和天線部分39。其中，能量發(fā)射線圈13置于天線外殼39內(nèi)，天線外殼內(nèi)還包括體外通信線圈11， 磁芯12，體外能量發(fā)射線圈溫度傳感器31。充電過程中天線外殼39貼近植入體內(nèi)的植入 式醫(yī)療儀器進(jìn)行充電，充電距離1.5cm左右。體外通信線圈11用于體內(nèi)、外雙向通信，通信 距離大于充電距離。能量發(fā)射線圈溫度傳感器31的溫度采樣信號(hào)送入第一微處理器32做 過溫保護(hù)判斷，當(dāng)溫度超出正常范圍，微處理器會(huì)通過充電保護(hù)開關(guān)38切斷充電過程。充電部分10包括供電電路300、驅(qū)動(dòng)放大電路37、功率放大/接收電路33、電流采 樣電路301、電源變換電路34、通信/充電切換開關(guān)330和331、電壓檢測(cè)302、充電保護(hù)開 關(guān)38，PPM通信解碼電路35，以及第一微處理器32等。供電電路300所示，可以由生活所 用的交流電源或者可充電電池為充電器供電。具有負(fù)載均分功能，即當(dāng)交流電源插入時(shí)，交 流電源一方面直接給充電器供電，一方面給可充電電池充電；當(dāng)交流電源不連接時(shí)，由可充 電電池供電。交流體外電池充電器采用變壓器隔離結(jié)構(gòu)。功率放大接收電路33主要由構(gòu)成全橋拓?fù)涞乃膫€(gè)功率場(chǎng)效應(yīng)管組成，第一微處 理器32發(fā)出的不同的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)放大電路37 (驅(qū)動(dòng)芯片為TC4424)后，實(shí)現(xiàn)功率放大電路或者通信接收電路。第一微處理器32發(fā)出兩路相位差180度的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，頻率8kHz-38kHz，經(jīng)過 驅(qū)動(dòng)放大電路37中的驅(qū)動(dòng)芯片形成帶死區(qū)的驅(qū)動(dòng)脈沖驅(qū)動(dòng)功率放大/接收電路33中的 全橋拓?fù)涞乃膫€(gè)功率場(chǎng)效應(yīng)管，輸出發(fā)射能量，驅(qū)動(dòng)芯片具有集成的供電電路，設(shè)計(jì)簡單可 靠，激勵(lì)體外能量發(fā)射線圈13產(chǎn)生電磁場(chǎng)，向體內(nèi)發(fā)射能量。在發(fā)射能量的過程中，通信線 圈11定時(shí)接收從體內(nèi)發(fā)出的充電狀態(tài)等信號(hào)，通信頻率為100-200kHz。在通信充電切換電 路信號(hào)作用下，開關(guān)331使體外通信線圈11與功率放大接收電路33連通，開關(guān)330使PPM 通信解碼電路35與功率放大接收電路33連通，通過功率放大接收電路33接收到的通信信 號(hào)經(jīng)過35處理后被傳送至第一微處理器32后進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而在顯示單元30顯示當(dāng)前的 體內(nèi)充電狀態(tài)，顯示充電效率，提示用戶如何調(diào)整體外能量發(fā)射線圈13的位置和角度，達(dá) 到更好的電磁耦合狀態(tài)以提高充電效率。微處理器32根據(jù)當(dāng)前的充電狀態(tài)判斷是否繼續(xù) 供電，如電池電量已滿或植入式醫(yī)療儀器所測(cè)溫度超過正常范圍或者體外能量發(fā)射線圈13 溫度超過正常范圍則切斷充電器供電、停止充電。PPM通信解碼電路35由濾波電路、整形電路和脈寬拓展電路組成。如圖4所示，用于植入式醫(yī)療儀器的經(jīng)皮閉環(huán)控制充電裝置的體內(nèi)部分包括第二 微處理器41，體內(nèi)能量接收線圈16、鈦殼和能量接收線圈溫度傳感器44、體內(nèi)通信線圈15、 充電控制部件(包括整流濾波電路40、充電控制電路17、充電電池18和第二微處理器41)、 充電電池、通信處理電路和治療模塊。電池18給治療模塊42及第二微處理器41和通信電路43供電。充電控制電路17 具有低功耗、小體積、高電壓調(diào)節(jié)精度、電池溫度監(jiān)測(cè)、安全充電時(shí)間定時(shí)等特點(diǎn)，可選用微 芯公司的MCP73841充電管理控制器。體內(nèi)能量接收線圈16與體外能量發(fā)射線圈經(jīng)過皮膚 和鈦外殼實(shí)現(xiàn)電磁耦合，感應(yīng)出同頻的電信號(hào)，經(jīng)整流濾波電路40后得到直流電壓信號(hào)， 該直流電壓反饋信號(hào)45送入第二微處理器41經(jīng)通信電路43，體內(nèi)通信線圈15，傳輸?shù)襟w 外，用來做閉環(huán)能量控制，以保證體內(nèi)接收能量在正常范圍內(nèi)。直流電壓信號(hào)通過充電控制 電路17對(duì)充電電池18進(jìn)行充電，充電過程總共經(jīng)歷電壓小于一定值時(shí)的預(yù)充、恒流充電、 達(dá)到要求電壓后的恒壓充電三個(gè)階段，充電控制電路17在充電電池18充滿后自動(dòng)停止充 電，以保護(hù)電池。充電控制電路17定時(shí)對(duì)充電狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)充電過程所處的階段做出 判斷，并將相應(yīng)的信息包括充電電池的電量以及電池溫度等通過所述體內(nèi)通信線圈15發(fā) 射到體外。植入式醫(yī)療儀器鈦外殼溫度及體內(nèi)能量接收線圈溫度44，充電電壓反饋45，通 過第二微處理器41，通信電路43，通過體內(nèi)通信線圈15發(fā)射到體外。包括體內(nèi)通信線圈 15、通信電路43和第二微處理器41在內(nèi)的通信電路為經(jīng)皮雙向通信通道。圖5所示為閉環(huán)控制示意圖。整個(gè)充電裝置由功率部分50，控制部分51組成。充 電器電路10通過體外能量發(fā)射線圈13發(fā)射能量，體內(nèi)能量接收線圈16接收能量。體內(nèi)能 量接收線圈16接收信號(hào)經(jīng)整流、濾波電路得到直流電壓信號(hào)，該直流信號(hào)、電池電壓、電流 和溫度等經(jīng)體內(nèi)微處理器41采樣后，在充電停止期間，經(jīng)體內(nèi)通信線圈15發(fā)射到體外，體 外微處理器32做閉環(huán)運(yùn)算，用來做閉環(huán)能量控制，實(shí)時(shí)調(diào)整體外能量發(fā)射線圈13的發(fā)射強(qiáng) 度，以保證體內(nèi)接收能量在正常范圍內(nèi)，保證充電的安全性，同時(shí)對(duì)效率情況進(jìn)行計(jì)算，對(duì) 體、內(nèi)外線圈的對(duì)位情況進(jìn)行提示，以保證充電過程高效率和穩(wěn)定性。圖6是充電各階段體外能量發(fā)射示意圖。體外微處理器32根據(jù)體內(nèi)充電狀態(tài)反饋信息判斷充電所處的不同階段，根據(jù)充電階段的不同，體外微處理器32控制體外能量發(fā) 射線圈13的發(fā)射強(qiáng)度，進(jìn)而調(diào)整了體內(nèi)能量接收線圈16上的接收能量，從而保證體內(nèi)接收 能量在正常范圍內(nèi)。在預(yù)充、恒流和恒壓階段，體外發(fā)射強(qiáng)度如61，62和63所示，閉環(huán)控制 系統(tǒng)會(huì)根據(jù)實(shí)際充電狀態(tài)反饋信息在各個(gè)階段微調(diào)發(fā)射強(qiáng)度，保證體內(nèi)植入醫(yī)療儀器溫度 在合理范圍內(nèi)。圖7是充電過程中充電、通信時(shí)序分配圖。充電采用高幅值、低頻率，通信采用低 幅值、高頻率。充電過程間隔會(huì)進(jìn)行體內(nèi)外通信交換信息。在充電啟動(dòng)開始階段，即初始對(duì)位期間，上述充電和與體內(nèi)通信頻次可以增加。同 時(shí)，充電過程中體外通信線圈11此時(shí)不用做通信功能，其上耦合到的電壓信號(hào)在充電過程 中被微處理器32采樣，根據(jù)耦合到的電壓幅值大小來反映體內(nèi)充電情況。利用充電過程中 耦合到通信線圈上的電壓信號(hào)能夠快速反映體內(nèi)充電狀態(tài)，提高初始充電對(duì)位速度，避免 初始對(duì)位速度慢帶來的體內(nèi)發(fā)熱問題，提高可靠性和安全性。上述方式只是本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方式，對(duì)于本領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員而言，在本 發(fā)明公開的用于植入式醫(yī)療儀器的經(jīng)皮無線充電裝置的基礎(chǔ)上，很容易想到將其應(yīng)用于各 種儀器系統(tǒng)，而不僅限于本發(fā)明具體實(shí)施方式
所描述的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，因此前面描述的方式只 是優(yōu)選的，而并不具有限制性的意義。
權(quán)利要求
用于植入式醫(yī)療儀器的經(jīng)皮閉環(huán)控制的充電裝置，其特征在于，包括體外充電器和體內(nèi)植入式醫(yī)療儀器，其中體外充電器，包括充電部分和天線部分，其中天線部分，有一個(gè)外殼，在該外殼內(nèi)置有體外通信線圈、體外能量發(fā)射線圈和一個(gè)體外能量發(fā)射線圈溫度傳感器，其中體外能量發(fā)射線圈，是一種扁平狀磁芯線圈，由一個(gè)發(fā)射線圈和同軸安置的磁芯組成，體外能量發(fā)射線圈溫度傳感器，測(cè)量該體外能量發(fā)射線圈的溫度；體外通信線圈，是一種扁平狀磁芯線圈，由一個(gè)通信線圈和同軸安置的磁芯組成，該磁芯與體外能量發(fā)射線圈所用磁芯為同一類型的磁芯；充電部分，包括供電電路、驅(qū)動(dòng)放大電路、功率放大/接收電路、用電阻構(gòu)成的電流采樣電路、電源變換電路、通信/充電切換開關(guān)、電壓采樣電路、充電保護(hù)開關(guān)，以及第一微處理器，其中供電電路，設(shè)有依次串接的保險(xiǎn)絲和二極管，還有一個(gè)體外電池充電供電器，體外的可充電電池依次經(jīng)所述保險(xiǎn)絲、二極管和所述電壓采樣電路向所述第一微處理器供電，同時(shí)所述電壓采樣電路第一輸出端和充電保護(hù)開關(guān)的電壓檢測(cè)端相連，所述電壓采樣電路的第二輸出端和所述第一微處理器的電壓采樣輸入端相連，外部的交流電源通過所述體外電池充電供電器接到所述電壓采樣電路輸入端，同時(shí)，所述體外電池充電供電器經(jīng)過所述保險(xiǎn)絲向所述外部的可充電電池充電，驅(qū)動(dòng)放大電路，由一個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片組成，該驅(qū)動(dòng)芯片的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)輸入端與所述第一微處理器的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)輸出端相連，功率放大/接收電路，由四個(gè)功率場(chǎng)效應(yīng)管以全橋拓?fù)浞绞较啻佣?，該功率放?接收電路的發(fā)射信號(hào)輸入端與驅(qū)動(dòng)放大電路的輸出端相連，電源變換電路，采用Buck或Boost或Sepic電路中的任何一種，該電源變換電路的輸入端與所述電流采樣電路的輸出端相連，分別向所述第一微處理器輸出電壓信號(hào)，向驅(qū)動(dòng)芯片和功率放大/接收電路供電，充電保護(hù)開關(guān)，是一個(gè)CMOS電子開關(guān)，該充電保護(hù)開關(guān)控制端與所述第一微處理器輸入端相連，充電保護(hù)開關(guān)輸入端與電壓采樣電路輸出端相連，充電保護(hù)開關(guān)輸出端與電流采樣電路輸入端相連，通信/充電切換切換開關(guān)，共有兩個(gè)，其中第一通信/充電切換開關(guān)，是一個(gè)CMOS電子開關(guān)，輸入端與所述功率放大/接收電路的輸出端相連，該第一通信/充電切換開關(guān)的輸出端則與第一微處理器的PPM通信解碼單元的輸入端相連，所述第一通信/充電切換開關(guān)的控制端則與所述第一微處理器的通信/充電切換控制信號(hào)輸出端相連，第二通信/充電切換開關(guān)，是一個(gè)多路選擇器，設(shè)有通信接收信號(hào)輸入端，與所述體外通信線圈的輸出端相連，有一個(gè)功率放大/接收電路能量發(fā)射信號(hào)輸出端，連接到所述體外能量發(fā)射線圈的輸入端，另外有一個(gè)功率放大/接收電路能量發(fā)射信號(hào)輸出端，連接到所述體外通信線圈的輸入端，由所述第二通信/充電切換開關(guān)進(jìn)行控制，所述第二通信/充電切換開關(guān)的控制端與所述第一微處理器的所述通信/充電切換控制信號(hào)的輸出端相連，所述這兩個(gè)通信/充電切換開關(guān)在所述第一微處理器控制下實(shí)現(xiàn)體外通信與充電之間的切換；體內(nèi)植入式醫(yī)療儀器包括安置在一個(gè)鈦殼內(nèi)的下列各組成部分第二微處理器，能量接收線圈、鈦殼的和能量接收線圈的兩個(gè)溫度傳感器、體內(nèi)通信線圈、充電控制部件、充電電池、通信處理電路和治療模塊，其中能量接收線圈，呈扁平狀，大小和重量都小于所述體外能量發(fā)射線圈，但兩者呈中心軸平行放置，用于接收所述能量發(fā)射線圈輸出的電磁能量，充電控制部件，由整流濾波電路、充電控制電路、充電電池和第二微處理器依次串聯(lián)構(gòu)成，其中整流濾波電路，輸入端與所述能量接收線圈的輸出端相連，把電磁能量由交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)，充電控制電路，采用芯片MCP73841，輸入端與所述整流濾波電路的輸出端相連，而充電電壓采樣信號(hào)輸入/出端、電池溫度采樣信號(hào)輸入/出端以及充電電流輸出端與所述充電電池的對(duì)應(yīng)端相連，充電電池，輸出端與所述第二微處理器的電壓信號(hào)輸入端相連，通信電路，輸出端與所述第二微處理器的PPM編解碼單元的輸入端互連，該通信電路與所述體內(nèi)通信線圈互連，接收所述體外通信線圈發(fā)射的信號(hào)，或者向體外通信線圈發(fā)射信號(hào)；治療模塊，輸入端與所述第二微處理器的治療信號(hào)輸出端相連；第二微處理器，設(shè)有鈦殼溫度信號(hào)輸入端、能量接收線圈溫度輸入端，以及從所述充電控制電路輸出的充電電量采樣信號(hào)的輸入端和充電電池的溫度信號(hào)的輸入端，此外，還有一個(gè)來自所述整流濾波電路的輸出電壓信號(hào)的輸入端，所述充電控制電路分下述三個(gè)階段對(duì)所述充電電池進(jìn)行充電控制按充電電池電壓小于設(shè)定值以下的預(yù)充電、恒流充電以及達(dá)到所要求的充電電壓后的充電，在充滿后停止充電，并把充滿后的充電電壓和所述充電電池的溫度由所述第二微處理器通過體內(nèi)的所述通信電路、體內(nèi)通信線圈后發(fā)往體外，同時(shí)也把所述鈦殼溫度、能量接收線圈溫度發(fā)往體外，所述第一微處理器在通信階段收到了經(jīng)體外通信線圈、所述功率放大/接收電路和PPM通信解碼電路發(fā)來的由所述植入式醫(yī)療儀器發(fā)出的各信號(hào)后，用顯示方式提示用戶如何調(diào)整所述體外能量發(fā)射線圈的位置和角度，以實(shí)現(xiàn)更好的電磁耦合狀態(tài)以提高充電效率，一旦充電已滿，或者是體外能量發(fā)射線圈的溫度、能量接收線圈的溫度超過正常范圍時(shí)，則所述第一微處理器通過充電保護(hù)開關(guān)切斷供電以停止能量發(fā)射。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于植入式醫(yī)療儀器的經(jīng)皮閉環(huán)控制充電裝置，其特征在 于，所述功率放大接收電路采用帶死區(qū)控制的全橋拓?fù)洹?br> 3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于植入式醫(yī)療儀器的經(jīng)皮閉環(huán)控制充電裝置，其特征在 于，所述充電控制電路對(duì)充電各個(gè)階段的進(jìn)行控制，同時(shí)監(jiān)測(cè)包括所述充電電池的充電電 流、電池電壓和電池溫度在內(nèi)的充電狀態(tài)信息，并定時(shí)把上述充電狀態(tài)信息傳到體外，并能 夠在所述電池溫度超過正常范圍或充電未完成但充電定時(shí)時(shí)間已到的情況發(fā)生的時(shí)候自 動(dòng)切斷所述充電電流信號(hào)，對(duì)體內(nèi)電路進(jìn)行保護(hù)，并通過所述第二微處理器傳到體外，使得 體外能量發(fā)射停止；在充電電池電量充滿后，所述充電控制電路能自動(dòng)切斷所述充電電流， 并通過體內(nèi)通信電路通知位于體外的能量發(fā)射電路停止電磁能量發(fā)射，完成充電。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于植入式醫(yī)療儀器的經(jīng)皮閉環(huán)控制充電裝置，其特征在 于，所述PPM通信解碼電路由濾波、整形、脈寬拓展各電路依次串聯(lián)組成。
全文摘要
用于植入式醫(yī)療儀器的經(jīng)皮閉環(huán)控制充電裝置屬于植入式醫(yī)療儀器技術(shù)領(lǐng)域，其特征在于它含有體外充電器和體內(nèi)植入式醫(yī)療儀器。體外能量發(fā)射線圈為大尺寸扁平狀磁芯線圈，體內(nèi)能量接收線圈為空心線圈，采用中心軸平行的諧振電磁耦合方式，體外能量發(fā)射線圈發(fā)射電磁能量，體內(nèi)能量接收線圈獲得的電能通過體內(nèi)充電控制電路為體內(nèi)充電電池進(jìn)行充電。通過脈沖位置調(diào)制方式通信進(jìn)行閉環(huán)控制，以保證不同充電階段植入式醫(yī)療儀器接收到的能量在正常范圍內(nèi)，有效控制發(fā)熱，提高安全性，同時(shí)通過體內(nèi)反饋參數(shù)進(jìn)行效率計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)位提示，提高充電效率。本發(fā)明的經(jīng)皮無線充電方法，可經(jīng)過鈦外殼為植入式醫(yī)療儀器充電，充電過程安全、可靠，可應(yīng)用于與腦深部刺激器應(yīng)用功率等級(jí)相當(dāng)?shù)母黝愔踩胧结t(yī)療儀器。
文檔編號(hào)H02J7/02GK101980412SQ20101029386
公開日2011年2月23日 申請(qǐng)日期2010年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月27日
發(fā)明者李路明, 李青峰, 王偉明, 胡春華, 郝紅偉, 陳少波, 馬伯志 申請(qǐng)人:清華大學(xué)