專利名稱：一種植入式醫(yī)療供電電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種植入式醫(yī)療供電裝置，具體涉及一種集電磁波供電和通訊于 一體的醫(yī)療供電裝置。
二背景技術(shù)：
目前，主要的醫(yī)療傳感器從對患者的創(chuàng)傷角度可以分為兩類，非介入式和介入式。 非介入式如超聲、核磁等是在體外傳感人體體內(nèi)的病理信息但無法檢查生化、電等信息；而 介入式治療/診斷技術(shù)，如有創(chuàng)法測血壓、血糖等，又給患者造成很大的痛苦和不便。專利200610011809. X公開了一種基于電磁耦合方式工作的經(jīng)皮無線充電裝置， 該電路用于給可充電的鋰電池充電。該裝置雖然使用了可充電的鋰電池，但其能量密度低， 相同能量下的體積較大，而且需要額外的保護(hù)電路。專利200810198233. 1公開了一種利用電磁波進(jìn)行無線供電的裝置，該電路 較之先前的LC震蕩方式有較好的效率。其工作原理基于電磁耦合的方式，與專利 200610011809. X相似。LC震蕩傳遞能量是一個很好的方式，具有體積小、可靠的優(yōu)點(diǎn)，但其 震蕩頻率依賴于電感電容的精確匹配，然而電感電容的誤差是服從高斯分布的，在量產(chǎn)時 很難保證。專利00814081. 2公開了一種在醫(yī)療植入裝置中利用波動信號給具有正負(fù)電極的 元件，如PN結(jié)，傳輸能量的裝置。這是一種類似于太陽能電池的技術(shù)。上述三個專利都是無線能量傳遞的例子，在使用無線技術(shù)傳輸能量給植入式醫(yī)療 器械時，由于高頻率、能量的電磁波會對人體造成傷害，其危害類似于電磁爐、手機(jī)對人體 的傷害，因此不利于長期、頻繁使用。另外，上述專利在解決無線供電問題的同時沒有考慮 到通訊問題，導(dǎo)致供電和通訊采用兩種無線接口，從而給設(shè)計以及用戶的使用帶來諸多不 便。如果該項技術(shù)用于對體積敏感的場合，如植入式醫(yī)療傳感器，就必須考慮到被充電或供 電部分的尺寸問題。
三、發(fā)明內(nèi)容針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實用新型提出一種兼具無線供電和通訊功能的電路。本技術(shù)方案涉及的供電裝置包括體外和體內(nèi)兩個模塊。體外模塊包括以下部分①，LC震蕩天線，不同的電阻電容組合產(chǎn)生不同的振蕩頻率，該頻率必須是與接收 端(體內(nèi)模塊)相匹配的頻率。②，調(diào)整電路，利用移頻鍵控FSK的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送至天線并檢測、調(diào)制接收到的 數(shù)據(jù)。③，供電電路，產(chǎn)生各模塊需要的電源。④，控制電路，產(chǎn)生對調(diào)整電路的控制信號并接收、解析終端傳回的數(shù)據(jù)。體內(nèi)模塊包含在植入式醫(yī)療裝置內(nèi)，包括以下部分①，頻率調(diào)整模塊，用于對接收端的LC振蕩頻率進(jìn)行微調(diào)，與發(fā)送端精密匹配，從 而達(dá)到最優(yōu)的能量傳輸效率。②，儲能元件，能夠?qū)⑻炀€上搜集的能量儲存到該元件上，以供設(shè)備連續(xù)平穩(wěn)工 作。③，微處理器模塊，能夠執(zhí)行體外設(shè)備的命令并將結(jié)果回傳給體外設(shè)備。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的優(yōu)點(diǎn)是本實用新型通過低頻LC震蕩傳輸能量，并 完成通訊功能，低頻LC震蕩電路具有體積小、設(shè)計簡單，對人體沒有傷害等優(yōu)點(diǎn)。為了解決 由器件誤差引起的LC震蕩頻率匹配問題，本實用新型引入了一種頻率調(diào)整電路使得接收 端與發(fā)送端的頻率匹配，從而提高了能量接收效率。當(dāng)用于植入式醫(yī)療傳感器時，傳感器依 靠體外無線供電來采集人體體內(nèi)的生化、電信號等數(shù)據(jù)，并通過無線通信將信息傳至體外 設(shè)備。由于不需要電池，該裝置可以做成非常小的體積植入體內(nèi)，并適時提供數(shù)據(jù)。
四
圖1是本實用新型的整體結(jié)構(gòu)圖。圖2是天線的結(jié)構(gòu)圖。圖3是體內(nèi)模塊中的頻率調(diào)整部分的電路圖。圖4是一個體內(nèi)電路模塊具體實施例的電路圖。圖5是一個體外電路模塊具體實施例的電路圖。
五具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型的實施做進(jìn)一步的說明。如圖1所示，本實用新型主要由置于體外的模塊A以及置于體內(nèi)的模塊B構(gòu)成，兩 個模塊沒有直接接觸，體外模塊通過LC振蕩方式給體內(nèi)模塊供電，同時，兩者通過無線方 式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)實現(xiàn)通信。體外模塊由控制電路1、調(diào)整電路2、體外天線3以及供電電路4組成。控制電路 1將用戶的輸入(如頻率的設(shè)置、傳遞給體內(nèi)模塊的參數(shù))轉(zhuǎn)換成調(diào)整電路2的輸入，并負(fù) 責(zé)處理經(jīng)調(diào)整模塊2傳回的體內(nèi)模塊的信息。調(diào)整電路2將控制電路1的輸入信息調(diào)制成 發(fā)送天線3所需要的信號，并解調(diào)接收到的來自體內(nèi)模塊B的信息。供電電路4實現(xiàn)對整 個體外模塊的供電管理。圖中的控制電路1可以選用TI的MSP430F2XX系列單片機(jī)，采用 單片機(jī)實現(xiàn)靈活的配置、通訊管理，調(diào)整電路2可以采用TI的TMS3705，使用134. 2KHz的調(diào) 制頻率，天線是一組LC網(wǎng)絡(luò)。體內(nèi)模塊由體內(nèi)天線6、頻率調(diào)整電路7、微處理器8以及儲能元件10組成。與體 外模塊不同的是體內(nèi)模塊需要在功耗和體積上盡可能地小，以使上述的低頻供電能滿足 系統(tǒng)的需要。體內(nèi)天線6與體外天線3具有相同的參數(shù)和功能。頻率調(diào)整電路7實現(xiàn)對體 內(nèi)天線6的微調(diào)，使體內(nèi)天線6與體外天線3達(dá)到精確匹配。這解決了元件誤差不一致所 導(dǎo)致的匹配問題，從而使能量傳輸?shù)男蔬_(dá)到最大。體內(nèi)天線6在頻率調(diào)整電路7的調(diào)整 下將接收到的能量存儲到儲能元件10上。儲能元件10累積來自體內(nèi)天線6的能量為整個 系統(tǒng)提供能量，同時具有穩(wěn)壓的作用，儲能元件10也可為接入的傳感器9提供能量。為方
4便實現(xiàn)，圖中的頻率調(diào)整電路7可以采用TI的芯片TMS37157，微處理器8可以采用TI的超 低功耗單片機(jī)MSP430F2XX系列。進(jìn)一步，儲能元件10也可以理解成一個具有正負(fù)極的能 量存儲體，當(dāng)選用極低功耗傳感器時它可以是一個電容。當(dāng)傳感器的功耗較大時，單純的電 容就很難滿足系統(tǒng)的需求，這時的儲能元件可以是一個可充電的電池。體外模塊A和體內(nèi)模塊B都包括天線模塊，即體外天線3以及體內(nèi)天線6。如圖2 所示，包括兩個元件12電感(記為L)以及元件13電容(記為C)，其諧振頻率f的計算公 式為f = l/2*pi*sqrt(LC)。這樣通過選擇適當(dāng)?shù)碾姼小㈦娙葜?，可以設(shè)定想要的頻率。設(shè) 計時對電感和電容的選取都應(yīng)該盡量采用最高精度的，電容最好使用COG類型的，以獲得 最小的誤差。如圖3所示的體內(nèi)頻率調(diào)整模塊7，該模塊用于微調(diào)由元件12、13組成的體內(nèi)天線 6的震蕩頻率使之與體外的天線相匹配，從而達(dá)到最高的效率。頻率調(diào)整模塊7的工作原 理可以用元件16 21組成的開關(guān)電容組合來解釋。圖中開關(guān)16與電容19串聯(lián)，開關(guān)17與 電容20串聯(lián)，開關(guān)18與電容21串聯(lián)，各組采用并聯(lián)的方式連接在一起。當(dāng)開關(guān)16閉合時 電容13、19并聯(lián)合成更大的電容，在元件12保持不變的情況下，增大電容可減小震蕩頻率。 元件19、20、21是電容，通過開關(guān)16、17、18的作用來改變總并聯(lián)電容的大小。在實際操作 時元件19、20、21應(yīng)該選取小的不同的值，如lpF，2pF，4pF，就如同天平的砝碼一樣。另外， 頻率調(diào)整模塊7體內(nèi)電路如果采用分立器件會受到系統(tǒng)寄生電容的影響，從而影響系統(tǒng)精 度。好在現(xiàn)在有芯片體內(nèi)集成的高精度校準(zhǔn)的開關(guān)電容技術(shù)，如TI的芯片TMS37157就具 有這種功能。圖4是一個體內(nèi)電路的具體實施例。圖4中的傳感器模塊可以選擇各種低功耗的 傳感器，暫以溫度傳感為例。Li，Cl，C2實現(xiàn)了基于LC震蕩的體內(nèi)接收天線6，U2是將電 磁波的能量轉(zhuǎn)換并存儲在C3，C4上，C3，C4為Ul及傳感器供電。C3、C4對應(yīng)儲能元件10， Ul對應(yīng)微處理器8。以溫度傳感為例，Ul內(nèi)置溫度傳感器，將溫度信息通過SPI接口傳遞 給U2，U2負(fù)責(zé)與基站的通訊，U2對應(yīng)頻率調(diào)整單元7。更復(fù)雜的傳感器如心電信號可以將 傳感器(運(yùn)放)輸出接在Ul的1，2管腳上。Ul的1，2管腳既是ADC的輸入也是通用的輸 入輸出管腳，可以方便地連接傳感器。圖5是一個體外電路的具體實施例。U7，C5 C9實現(xiàn)了從5V到3. 3V的電壓轉(zhuǎn)換， 調(diào)整電路的工作電壓是5V而空是電路的工作電壓是3. 3V，所以需要加入一個降壓電源產(chǎn) 生3. 3V電壓，這一部分相當(dāng)于供電電路4的功能。U3，C1(T13實現(xiàn)了體外控制電路1的功 能，這一部分主要由TI單片機(jī)MSP430F2003完成，單片機(jī)可以根據(jù)用戶的要求產(chǎn)生命令給 調(diào)整電路。L2，R5飛，C17實現(xiàn)了體外天線3的功能，其他器件實現(xiàn)了調(diào)整電路2的功能。由 于內(nèi)部天線帶有自動調(diào)整功能，所以外部天線的器件參數(shù)選取是比較寬松的，通常精度 的器件就好了，調(diào)整電路根據(jù)微處理器的要求對天線進(jìn)行控制，產(chǎn)生所需要的134. 2KHz。
權(quán)利要求一種植入式醫(yī)療供電裝置，包括體外模塊和體內(nèi)模塊，所述體外模塊包括體外天線和供電電路，所述體內(nèi)模塊包括體內(nèi)天線，儲能元件，其特征是A，所述體外模塊還包括控制電路和調(diào)整電路，所述控制電路將頻率的設(shè)置、傳遞給體內(nèi)模塊的參數(shù)等用戶的輸入信息轉(zhuǎn)換成所述調(diào)整電路的輸入，并負(fù)責(zé)處理經(jīng)調(diào)整電路傳回的體內(nèi)模塊的信息，調(diào)整電路將控制電路的輸入信息進(jìn)行調(diào)制，由體外天線發(fā)出，并對接收到的來自體內(nèi)模塊的信息進(jìn)行解調(diào)；B，所述體內(nèi)模塊還包括頻率調(diào)整電路和微處理器，頻率調(diào)整電路用來實現(xiàn)對體內(nèi)天線的微調(diào)，使體內(nèi)天線與體外天線達(dá)到精確匹配。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的植入式醫(yī)療供電裝置，其特征是所述體外天線是低頻LC震蕩 天線。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的植入式醫(yī)療供電裝置其特征是所述體外模塊的調(diào)整電路 利用移頻鍵控FSK的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送至天線并檢測、調(diào)制接收到的數(shù)據(jù)。
專利摘要本實用新型公開一種集電磁波供電和通訊于一體的植入式醫(yī)療供電裝置，包括體外和體內(nèi)兩個模塊。體外模塊包括體外天線、供電電路、控制電路和調(diào)整電路；體內(nèi)模塊包括體內(nèi)天線、儲能元件、頻率調(diào)整電路和微處理器。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的優(yōu)點(diǎn)是本實用新型通過低頻LC震蕩傳輸能量，并完成通訊功能，低頻LC震蕩電路具有體積小、設(shè)計簡單，對人體沒有傷害等優(yōu)點(diǎn)。為了解決由器件誤差引起的LC震蕩頻率匹配問題，本實用新型引入了一種頻率調(diào)整電路使得接收端與發(fā)送端的頻率匹配，從而提高了能量接收效率。當(dāng)用于植入式醫(yī)療傳感器時，傳感器依靠體外無線供電來采集人體體內(nèi)的生化、電信號等數(shù)據(jù)，并通過無線通信將信息傳至體外設(shè)備。
文檔編號H02J17/00GK201717682SQ20102024944
公開日2011年1月19日 申請日期2010年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月2日
發(fā)明者羅倩倩 申請人:羅倩倩