基于超聲波的無線充電系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及醫(yī)療器械領(lǐng)域，主要是指利用超聲波來實(shí)現(xiàn)對(duì)于植入人體內(nèi)的有 源醫(yī)療設(shè)備進(jìn)行充電，更加具體地來說，特別是涉及一種基于超聲波的無線充電系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 有源植入式醫(yī)療設(shè)備是指通過外殼或內(nèi)科手段，部分或全部植入人體，或通過醫(yī) 療手段介入自然腔口且擬留在體內(nèi)的植入式醫(yī)療器械，依靠電能或其他能源來幫助患者實(shí) 現(xiàn)或恢復(fù)系統(tǒng)或器官的功能，現(xiàn)有的有源植入設(shè)備主要包括植入式心臟起搏器、植入式人 工耳蝸、植入式神經(jīng)刺激器、植入式機(jī)電心臟循環(huán)系統(tǒng)等。這類植入式醫(yī)療器械價(jià)格普遍比 較昂貴，但壽命大多較短，造成這類器械壽命較短的主要原因是其攜帶電池的容量問題。
[0003] 為延長植入式器械的使用壽命，現(xiàn)有的方式主要是一方面盡可能低的降低植入式 器械的能耗，另一方面是更換能量密度更大和容量更大的電池，這增加了植入式系統(tǒng)的體 積和重量，如現(xiàn)有的典型的傳統(tǒng)的植入體內(nèi)的心臟起搏器的電池重量和體積就占了整個(gè)系 統(tǒng)的一半以上，即使采用了最新的鋰電池，其壽命一般也只能維持5-8年，電池儲(chǔ)能一旦耗 盡，需要再次手術(shù)更換電池，甚至更換整個(gè)系統(tǒng)，增加病人的痛苦，同時(shí)也增加了病人的經(jīng) 濟(jì)壓力。由此可見，有源植入式醫(yī)療器械的電能問題已經(jīng)成為制約其發(fā)展的一個(gè)瓶頸。
[0004] 有源植入式醫(yī)療器械的無線充電技術(shù)，可將電能以無線的方式由體外輸送到體 內(nèi)，完成對(duì)電池的充電，是解決以上問題的一個(gè)有效途徑。該技術(shù)不會(huì)損傷皮膚，可避免手 術(shù)感染，減小病人的痛苦，大大降低病人的治療成本，在醫(yī)療行業(yè)有著廣闊地應(yīng)用前景?，F(xiàn) 有的正在研宄中的無線能量傳輸方式主要有電磁感應(yīng)，此方式存在著方向性不好、體內(nèi)穿 透性差、接收線圈體積偏大及電磁輻射等缺點(diǎn)，制約著此技術(shù)的發(fā)展。
[0005] 鑒于現(xiàn)有植入式有源醫(yī)療設(shè)備在植入體內(nèi)一定年限后會(huì)出現(xiàn)電源耗盡的情況，由 此，需要再進(jìn)行電源的更換或者補(bǔ)給。現(xiàn)有技術(shù)中一般采取兩種做法，第一通過手術(shù)的方式 來進(jìn)行電源的更換，此方法給受治者帶來了巨大的生理疼痛，而且手術(shù)費(fèi)用也比較昂貴；第 二就是通過外部設(shè)備對(duì)體內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行電源補(bǔ)給，其中又包含侵入式和非侵入式，侵入式 也即是會(huì)侵入體內(nèi)，與通過手術(shù)的方式類似，不過創(chuàng)傷相對(duì)手術(shù)的方式來的更小，而非侵入 式就是通過類似電磁感應(yīng)或者其他類似能量傳輸?shù)姆绞絹磉M(jìn)行電源的補(bǔ)給。不過，現(xiàn)有的 電磁感應(yīng)無線能量傳輸方式存在著方向性不好、體內(nèi)穿透性差、接收線圈體積偏大及電磁 輻射等缺點(diǎn)，制約著此技術(shù)的發(fā)展。
[0006] 另外，現(xiàn)有技術(shù)中還有通過超聲波等非侵入式來對(duì)有源醫(yī)療設(shè)備進(jìn)行電源補(bǔ)給的 設(shè)備，不過在使用過程中發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的這些涉及非侵入式的電源補(bǔ)給設(shè)備還是存在一些缺 陷：
[0007] 首先，位于體內(nèi)的用于接收外部能量輸出信號(hào)的接受設(shè)備較為復(fù)雜，存在除了有 源醫(yī)療設(shè)備意外的其他耗能設(shè)備，從而增加了對(duì)于體內(nèi)供能設(shè)備的消耗，這樣導(dǎo)致使用者 進(jìn)行功能設(shè)備電源補(bǔ)給的時(shí)間頻率變大，過度頻繁地進(jìn)行功能設(shè)備的充電也會(huì)降低有源醫(yī) 療設(shè)備本身的性能，無形之中讓使用者的出現(xiàn)意外的風(fēng)險(xiǎn)幾率增加。
[0008] 其次，由于在體內(nèi)還增設(shè)有除了有源醫(yī)療設(shè)備、電源功能的其他與電源直接補(bǔ)給 無關(guān)的部件，使得植入設(shè)備的體積或者形狀變大，進(jìn)而增加了有源醫(yī)療設(shè)備植入的難度。
[0009] 另外，現(xiàn)有的非侵入式的電源補(bǔ)給設(shè)備在進(jìn)行充電時(shí)，充滿一次電的耗時(shí)較久，而 且位于體內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換部件的電能轉(zhuǎn)換效率也不高，而且在充電過程中由于充電時(shí)間過 長，超聲波產(chǎn)生的內(nèi)熱往往會(huì)使充電部位的皮膚受損，出現(xiàn)紅腫等現(xiàn)象。
[0010] 總之，基于現(xiàn)有技術(shù)中所存在的缺陷，本實(shí)用新型提出一種基于超聲波的無線充 電系統(tǒng)，用以對(duì)植入體內(nèi)的有源醫(yī)療器械設(shè)備中的電池/電源部件充電。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0011] 鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本實(shí)用新型的目的在于提供一種基于超聲波的無 線充電系統(tǒng)，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中通過手術(shù)的方式對(duì)植入人體內(nèi)的有源醫(yī)療設(shè)備進(jìn)行充電 所帶的皮膚損傷、手術(shù)感染以及身體疼痛的問題，以提供一種更安全、有效、更長久、無污染 的供電技術(shù)。
[0012] 為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本實(shí)用新型提供以下技術(shù)方案：
[0013] 一種基于超聲波的無線充電系統(tǒng)，至少包括：供置于體外的超聲波發(fā)射裝置，用于 作脈沖式地輸出低強(qiáng)度的聚焦超聲波，且所述聚焦超聲波的占空比不大于百分之十；供植 入體內(nèi)的圓柱形換能片，用于接收所述聚焦超聲波并將其轉(zhuǎn)換成具有電勢(shì)差的壓電信號(hào)， 并予以輸出；供植入體內(nèi)的并連接于所述換能片的適配電路模塊，用于接收所述壓電信號(hào) 并將其轉(zhuǎn)換成適于充電的直流電信號(hào)，并予以輸出；供植入體內(nèi)的并連接于所述適配電路 模塊的電池模塊，用于接收所述直流電信號(hào)以進(jìn)行電池模塊充電。
[0014] 作為上述基于超聲波的無線充電系統(tǒng)的優(yōu)選方案，所述圓柱形換能片為1-3型壓 電復(fù)合材料。
[0015] 作為上述基于超聲波的無線充電系統(tǒng)的優(yōu)選方案，所述圓柱形換能片的直徑為 2-5個(gè)所述聚焦超聲波的波長。
[0016] 作為上述優(yōu)選方案的進(jìn)一步優(yōu)化，為1-3型壓電復(fù)合材料換的所述圓柱形換能片 由壓電陶瓷方柱、聚合物及上下電極組成，所述壓電陶瓷方柱和聚合物設(shè)置于所述上下電 極之間，所述壓電陶瓷方柱排列在聚合物中，且所述壓電陶瓷方柱占整個(gè)所述圓柱形換能 片體積的40% -80%，所述壓電陶瓷方柱的高度與方形邊長之比至少大于3。
[0017] 作為上述優(yōu)選方案的進(jìn)一步優(yōu)化，所述適配電路模塊和電池模塊為純電阻特性， 且所述超聲波發(fā)射裝置發(fā)射超聲波的頻率介于所述圓柱形換能片的正諧振頻率和反諧振 頻率之間。
[0018] 作為上述優(yōu)選方案的進(jìn)一步優(yōu)化，所述適配電路模塊和電池模塊的阻抗等于所述 圓柱形換能片在正諧振點(diǎn)上的阻抗，且所述超聲波發(fā)射裝置發(fā)射超聲波的頻率為所述圓柱 形換能片的正諧振頻率。
[0019] 綜上來看，本實(shí)用新型至少具有以下有益效果：（1)本實(shí)用新型采用超聲波作為 能量的載體，能夠以無創(chuàng)的方式穿透人體，對(duì)體內(nèi)的植入式醫(yī)療器械進(jìn)行充電，避免了電池 電能消耗后通過再次手術(shù)更換電池或系統(tǒng)的過程，減輕了患者的再次手術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)和痛苦， 而且減輕了患者的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。（2)本實(shí)用新型采用脈沖式低強(qiáng)度聚焦超聲傳輸能量，保證 了超聲波在傳輸過程中的安全性、有效性和遞送位置準(zhǔn)確性。（3)本實(shí)用新型采用1-3型 壓電復(fù)合材料作為接收換能片，保證了對(duì)輸送到體內(nèi)的超聲波進(jìn)行高效的吸收；(4)本實(shí) 用新型還對(duì)超聲波在進(jìn)行傳輸和轉(zhuǎn)換過程的效率進(jìn)行了進(jìn)一步地優(yōu)化，使得充電的時(shí)間更 短、更高效，而且對(duì)于人體的副作用更低。
【附圖說明】
[0020] 圖1顯示為本實(shí)用新型一種基于超聲波的無線充電系統(tǒng)的原理示意圖。
[0021] 圖2顯示為一種圓柱形結(jié)構(gòu)的1-3型壓電復(fù)合材料來實(shí)現(xiàn)的換能片示意圖。
[0022] 圖3顯示為諧振頻率為0. 8MHz時(shí)1-3型壓電復(fù)合材料換能片和PZT-5壓電材料 換能片的阻抗對(duì)比曲線。
[0023] 圖4顯示為換能片上接不同純阻負(fù)載時(shí)的輸出電壓與驅(qū)動(dòng)頻率曲線。
[0024] 圖5顯示為在換能片的阻抗和換能片負(fù)載阻抗的相同的情況下的功率輸出效果 圖。
[0025] 附圖標(biāo)號(hào)說明
[0026] 10 超聲波發(fā)射裝置
[0027] 20 換能片
[0028] 21a，21b 電極
[0029] 22 壓電陶瓷方柱
[0030] 23 聚合物
[0031] 30 適配電路模塊
[0032] 40 電池模塊
【具體實(shí)施方式】
[0033] 以下通過特定的具體實(shí)例說明本實(shí)用新型的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說 明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本實(shí)用新型的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本實(shí)用新型還可以通過另 外不同的【具體實(shí)施方式】加以實(shí)施或應(yīng)用，本說明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng) 用，在沒有背離本實(shí)用新型的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。需說明的是，在不沖突的情況 下，以下實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。
[0034] 需要說明的是，以下實(shí)施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本實(shí)用新型的基本 構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本實(shí)用新型中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施時(shí)的組件數(shù)目、形狀 及尺寸繪制，其實(shí)際實(shí)施時(shí)各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局 型態(tài)也可能更為復(fù)雜。
[0035] 為了使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠更好地理解本實(shí)用新型中的技術(shù)方案，這里對(duì)下面將 要涉及的技術(shù)予以解釋說明。
[0036] 1-3型壓電復(fù)合材料：是由一維的壓電陶瓷柱平行地排列于三維連通的聚合物中 而構(gòu)成的具有壓電效應(yīng)的兩相壓電復(fù)合材料。簡單地來說，1-3型壓電復(fù)合材料是一種壓電 復(fù)合材料。
[0037] 鑒于現(xiàn)有植入式有源醫(yī)療設(shè)備在植入體內(nèi)一定年限后會(huì)出現(xiàn)電源耗盡的情況，由 此，需要再進(jìn)行電源的更換或者補(bǔ)給?，F(xiàn)有技術(shù)中一般采取兩種做法，第一通過手術(shù)的方式 來進(jìn)行電源的更換，此方法給受治者帶來了巨大的生理疼痛，而且手術(shù)費(fèi)用也比較昂貴；第 二就是通過外部設(shè)備對(duì)體內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行電源補(bǔ)給，其中又包含侵入式和非侵入式，侵入式 也即是會(huì)侵入體內(nèi)，與通過手術(shù)的方式類似，不過創(chuàng)傷相對(duì)手術(shù)的方式來的更小，而非侵入 式就是通過類似電磁感應(yīng)或者其他類似能量傳輸?shù)姆绞絹磉M(jìn)行電源的補(bǔ)給。
[0038] 雖然，現(xiàn)有技術(shù)中也有涉及通過非侵入式來對(duì)有源醫(yī)療設(shè)備進(jìn)行電源補(bǔ)給的設(shè) 備，不過在使用過程中發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的涉及非侵入式的電源補(bǔ)給設(shè)備還是存在一些缺陷：
[0039] 首先，位于體內(nèi)的用于接收外部能量輸出信號(hào)的接受設(shè)備較為復(fù)雜，存在除了有 源醫(yī)療設(shè)備意外的其他耗能設(shè)備，從而增加了對(duì)于體內(nèi)供能設(shè)備的消耗，這樣導(dǎo)致使用者 進(jìn)行功能設(shè)備電源補(bǔ)給的時(shí)間頻率變大，過度頻繁地進(jìn)行功能設(shè)備的充電也會(huì)降低有源醫(yī) 療設(shè)備本身的性能，無形之中讓使用者的出現(xiàn)意外的風(fēng)險(xiǎn)幾率增加。
[0040] 其次，由于在體內(nèi)還增設(shè)有除了有源醫(yī)療設(shè)備、電源功能的其他與電源直接補(bǔ)給 無關(guān)的