本發(fā)明涉及一種具有接收天線的器件。特別地，本發(fā)明涉及一種器件，其中接收天線包括次級線圈、三級線圈和負(fù)載，并可以電感地連接至外部發(fā)送天線。此外，本發(fā)明尤其用于可植入器件。

可植入電子器件最近已經(jīng)成為用于人體內(nèi)監(jiān)測、測量和觸發(fā)生理反應(yīng)的重要工具。為了提高患者的生存率和生活質(zhì)量，找到滿足針對可植入電子器件的穩(wěn)定性、微型化、功能性和低功耗嚴(yán)格要求的實(shí)施方式是必要的。

現(xiàn)有技術(shù)中公知的是植入體裝配有用于接收器單元的連接器。接收器單元可以從外部發(fā)送器單元被非接觸激活。

已知有接收天線，其用于下肢的肢體延長治療中。該應(yīng)用領(lǐng)域中的感應(yīng)功率傳輸是使用皮下植入的天線。該類型的構(gòu)造允許短的傳輸距離以及良好和高效的耦合。然而，天線的植入困難、耗時(shí)，并且增加了可能并發(fā)癥的改變。

在公開文本us20040023623中公開了一種用于控制、調(diào)節(jié)或運(yùn)轉(zhuǎn)有源植入體的器件。在該公開文本中，植入具有接收器單元的牽引器件，數(shù)據(jù)或功率能夠從外部經(jīng)由發(fā)送器單元被提供給接收器單元。

為了繞組之間的有關(guān)的高效、非接觸式電磁能量傳輸，接收部件的微型化是必要的。接收繞組被限制為相比發(fā)送繞組來說小的多的尺寸。這導(dǎo)致線圈之間的低磁性耦合。在現(xiàn)有技術(shù)的通常方法中，繞鐵磁性材料(例如，鐵氧體磁棒)來組裝接收線圈。應(yīng)該注意的是，鐵氧體不應(yīng)該進(jìn)入到磁性飽和。該飽和會導(dǎo)致不可接受的損失和溫度升高。

此外，為了有利于能量傳輸，操作頻率應(yīng)該盡可能的高。通過較高頻率的功率傳輸，磁性耦合更好，并因此，所需的無源部件的尺寸更小。

考慮到身體植入體，發(fā)送繞組的幾何尺寸是相當(dāng)固定的，這是因?yàn)闉榱双@得期望的能量傳輸，該應(yīng)用針對發(fā)送線圈具有局限性。接收繞組的尺寸針對發(fā)送部件的尺寸將小大約二十倍、或甚至更小。

現(xiàn)有技術(shù)的通常方式是將接收天線直接連接至電阻負(fù)載，而沒有任何的無功功率補(bǔ)償。這使得可以使用較小接收部件和具有有限體積的外殼。發(fā)送繞組的直接激勵(lì)需要高電壓電源連同相對高的電流。僅有如此，能夠達(dá)到發(fā)送線圈的磁化。然而，高電壓和高電流對能量傳輸?shù)目蓪?shí)現(xiàn)頻率施加了嚴(yán)重局限，這是因?yàn)樗璧碾娫磳⑹欠浅４蟮?，這嚴(yán)重?fù)p害了轉(zhuǎn)換器的便攜性。

朝向微型化的更有效的方法是通過串聯(lián)電容器補(bǔ)償繞組的自感。由于串聯(lián)諧振，繞組端子的電壓是高的，但所需的電源電壓相當(dāng)?shù)?，這大大地減小了轉(zhuǎn)換器的體積。每個(gè)繞組的自感值是容易確定的并且不會隨著線圈之間的互耦而變化。

為了針對可用容量調(diào)節(jié)電容器，繞組尺寸應(yīng)該以某種方式改變。減少匝數(shù)導(dǎo)致耦合減少，這進(jìn)一步使得要求更高的電壓以及更大值和容量的相關(guān)補(bǔ)償電容器。換言之，通過增加繞組匝數(shù)，鐵氧體材料可能進(jìn)入飽和。

在優(yōu)選尺寸的問題中，找到適于使用的市場上可買到的部件可能出現(xiàn)問題。

為了促進(jìn)具有弱磁性耦合的兩個(gè)繞組之間的電能的非接觸式傳輸，提出增加三級線圈以允許部件額定功率的實(shí)際匹配。

利用三級線圈，接收部件內(nèi)的實(shí)際的無功電流分量可以很好地分離?，F(xiàn)在，通過補(bǔ)償電容器的電流與通過負(fù)載的電流不相同，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)負(fù)載繞組的靈活性。這增加了選擇合適匝數(shù)以及補(bǔ)償電容器的幾何尺寸和額定電壓的可能性。

現(xiàn)有技術(shù)實(shí)施方式具有許多問題。它們至少在一些問題(諸如效率差、非生物兼容性部件、用于實(shí)現(xiàn)封裝、密封封裝的低效線圈布置以及穿過繞組到植入體的泄漏)上陷入困境。

現(xiàn)有技術(shù)問題通過具有接收天線的器件來解決，其中接收天線包括次級線圈和三級線圈。三級線圈被布置為具有到器件中的負(fù)載的連接。接收天線被布置為電感地連接至包括初級線圈的發(fā)送天線。本發(fā)明的器件的特征在于接收天線還包括電容器，次級線圈連接至電容器。此外，具有包括低液體滲透率和非導(dǎo)電材料的封裝，其封裝接收天線的至少一部分，使得三級線圈的繞組在封裝的外部。

針對解決方案的另一實(shí)現(xiàn)是功率傳輸系統(tǒng)，該功率傳輸系統(tǒng)包括發(fā)送天線和具有上述特征的器件，發(fā)送天線和具有上述特征的器件被定位以使得它們電感地連接。

本發(fā)明的器件尤其可用作可植入器件，但也可用在腐蝕性環(huán)境以及其它挑戰(zhàn)性環(huán)境中，其中所述天線例如被模制到包覆(surrounding)結(jié)構(gòu)中。

這里，術(shù)語“電容器”應(yīng)該被理解為指代具有電容特征的任何電子元件。

為了避免任何共同磁通聯(lián)接的補(bǔ)償和與初級線圈失去連接，次級線圈和三級線圈不應(yīng)該完美地耦合。三級線圈和次級線圈的漏通量是從初級線圈傳送能量的方式。然而，三級線圈和次級線圈中可能的鐵氧體材料的磁化是由于由兩個(gè)電流一起產(chǎn)生的有效磁化場引起的。因此，三級線圈和次級線圈的各個(gè)電流可以大于單獨(dú)的負(fù)載電流。

次級線圈和三級線圈之間的互耦成為額外的設(shè)計(jì)參數(shù)，可基于三個(gè)繞組組合實(shí)現(xiàn)匝數(shù)、繞組損耗、磁飽和、電容器電壓應(yīng)力和發(fā)送繞組電壓之間的權(quán)衡。

由于鐵氧體的引入以及耦合的改進(jìn)使得非生物兼容部件(例如，電容器和焊料)更多，所以需要用于封裝非生物兼容性部件的密封。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，連接至負(fù)載的三級線圈將是可植入結(jié)構(gòu)的最中間線圈。然而在該情形中，電容器位于線圈的外部，并且鐵氧體位于線圈的內(nèi)部。需要使用兩個(gè)單獨(dú)的密封包裝，一個(gè)密封包裝用于電容器，并且一個(gè)密封包裝用于鐵氧體磁芯。另選地，能夠封裝整個(gè)接收天線，并且應(yīng)當(dāng)引入用于連接至植入體的通孔(尤其是密封通孔)。

本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式是次級線圈位于三級線圈和該構(gòu)造的下方。在該情形中，可以使用用于該次級線圈的單個(gè)密封包裝。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，與必須單獨(dú)植入的天線有關(guān)的問題可以通過具有集成到髓內(nèi)釘或類似物的末端的天線來解決。然而，這導(dǎo)致長的傳輸距離以及200mm-250mm的初級線圈直徑是常見的。另外，集成天線的直徑通常較小，在7mm-9mm的范圍內(nèi)，這是由于髓內(nèi)管的有限尺寸。

此外，在接收天線中，可存在包括鐵磁性材料的元件，用于將發(fā)送天線的磁場聚焦到接收天線中。

所提到的包括鐵磁性材料的元件通?？梢允氰F氧體磁芯，但也可以使用在磁場上可具有類似效果的任何其它材料或混合物。鐵氧體磁芯的引入幫助聚焦磁場。

另外，次級線圈可被布置為通過包括鐵磁性材料的元件耦合至三級線圈，以在次級線圈和三級線圈之間創(chuàng)建變壓器。

這里，術(shù)語“變壓器”指代元件之間的任何類型的互感的形成。

此外，次級線圈和電容器可構(gòu)成次級電路，并且封裝可被布置為大體地封裝整個(gè)次級電路與包括鐵磁性材料的元件，構(gòu)成一個(gè)包裝。

該封裝可主要并優(yōu)選地大體完全由低液體滲透率和非導(dǎo)電材料組成。低液體滲透率材料可通常是能夠提供密封封裝的材料。

另選地，該封裝可以被布置為大體封裝整個(gè)接收天線并被配置為具有用于連接至負(fù)載的通孔(尤其是密封通孔)。

這里，術(shù)語“通孔”指代通過封裝實(shí)現(xiàn)的任何類型的物理和/或電氣連接。在一些實(shí)施方式中，它們可以被稱作為饋通或類似的。為了生成這種類型的連接，應(yīng)該在封裝、包層、外殼、或包裝上做出某種類型的孔或開口用于連接線或引線。

在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，次級線圈和三級線圈彼此同心地布置以使得它們耦合。另選地，次級線圈和三級線圈可彼此相鄰或并排布置以使得它們耦合。

該器件可以是髓內(nèi)釘。在該情形中，負(fù)載是牽引設(shè)備。該器件也可以是起搏器或用于醫(yī)療等的任何其它可植入器件。

在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，其中封裝的所述低液體滲透率和非導(dǎo)電材料包括陶瓷和塑料中的一種。

用于封裝的通常優(yōu)選的材料可以是例如peek、聚氯代對二甲苯c、聚亞安酯或玻璃。

依舊是本發(fā)明的又另一個(gè)實(shí)施方式，其中接收天線被布置為以與發(fā)送天線大體相同的頻率諧振。

電路的q因子對諧振電路的峰值具有已知效果。在考慮頻域的振幅峰值的寬度時(shí)，越大的q因子使得-3db頻帶越窄。通過非常窄的頻帶，兩個(gè)電路的頻率當(dāng)然必須更加彼此靠近以一起諧振。例如，具有300khz的正常頻率的電路可依據(jù)q因子與例如250-350khz、260-340khz、275-325khz、290-310khz、或甚至299.5-300.5khz的范圍上的頻率的電路諧振。此外，頻率越接近，電路一起諧振的越強(qiáng)。

由于發(fā)送天線和接收天線之間的距離，它們之間的耦合因子通常非常弱。改進(jìn)天線和它們的線圈之間的耦合的第一步是在接收線圈中使用鐵氧體或類似物以將發(fā)送線圈的磁場聚焦到接收線圈中。然而，這不會將耦合因子增加到可行操作所需的水平。通過使用發(fā)送天線的諧振線圈和初級線圈，減少了驅(qū)動初級線圈所需的功率。

然而，該電氣方案在應(yīng)用上留下了其它問題。該實(shí)施方式現(xiàn)在包括兩個(gè)非生物兼容性部件(通常是mnzn的鐵氧體和可以是各種材料的電容器)。

天線的非生物兼容性材料必須以某種方式封裝。

在下面，參照附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明，其中：

圖1示出了三個(gè)線圈的組件。

圖2示出了圖1中的組件的等效電路。

圖3示出了具有封裝的接收天線配置的橫截面示圖。

圖1示出了三個(gè)線圈112、114和202的組件。初級線圈202與補(bǔ)償電容210串聯(lián)連接，它們一起形成發(fā)送天線200。次級線圈112和三級線圈114圍繞包括鐵磁性材料(諸如鐵氧體磁棒118)的元件，并且電容器142和電阻器144連接至端子。

互感的生成在圖2的等效電路中是可見的。

圖1和圖2的方式尤其有利于初級線圈202和次級線圈112的尺寸彼此非常不同從而導(dǎo)致弱的磁耦合的應(yīng)用。

初級線圈202的幾何尺寸根據(jù)應(yīng)用需求來確定。匝數(shù)n1施加線圈繞組自感l(wèi)202的值，并且必須在穿過l202的所需電流和線圈繞組阻抗r202中的耗散功率之間找到權(quán)衡。

在實(shí)際的實(shí)現(xiàn)方式中，方便地是利用由具有恒定直流總線電壓vdc、和恒定頻率fin的半橋轉(zhuǎn)換器所生成的塊形電壓波形來驅(qū)動初級線圈。塊形電壓vin的rms基本分量由等式1給出為：

初級線圈然后與電容器c202串聯(lián)連接，其值應(yīng)該選擇為使得：

這意味著初級線圈的自感是串聯(lián)補(bǔ)償?shù)模灰蕾嚻渌@組的相對位置。

次級線圈和三級線圈緊密地纏繞小鐵氧體磁棒，分別具有等于n2和n3的匝數(shù)。假定兩個(gè)繞組具有相比初級繞組來說小的多的半徑。具有自感l(wèi)112的次級繞組在其端子處連接至電容器c142。最后，三級線圈連接至電阻器r144，其中功率損耗期望根據(jù)應(yīng)用需求來產(chǎn)生。

通過考慮基本諧波分量，針對三個(gè)繞組的電壓/電流矢量關(guān)系如下：

v1＝j(luò)ωl202i1+jωm02i2+jωm04i3＝z11i1+z12i2+z13i3(3)

v2＝j(luò)ωm02i1+jωl112i2+jωm24i3＝z12i1+z22i2+z23i3(4)

v1＝j(luò)ωm04i1+jωm24i2+jωl114i3＝z13i1+z23i2+z33i3(5)

其中并且m02是初級繞組和次級繞組之間的互感，m04是初級繞組和三級繞組之間的互感，以及m24是次級繞組和三級繞組之間的互感。

通過將電容器連接至次級繞組端子，從圖2上的符號產(chǎn)生：

c142的值應(yīng)該選擇為：

其中表示次級繞組和三級繞組之間的耦合。通過該方式，自感l(wèi)112和l114、以及互感m24在i1＝0時(shí)通過c142被完全補(bǔ)償。

n2和n3的值施加繞組自感l(wèi)112、l114和互感m24，并可以以避免鐵氧體磁棒飽和以及在滿載時(shí)限制c142上的最大電壓的方式來確定。

例如，如果p144是三級繞組處連接的電阻器r144中應(yīng)該損耗的期望功率，則這意味著rms三級電流為：

按慣例，在圖2中遵循v3＝-r144i3和v2＝-zc142i2。因此，在利用上述電壓/電流矢量關(guān)系進(jìn)行一些操作之后，rms初級電流和次級電流被發(fā)現(xiàn)為：

其中

δ＝z13(z22+zc142)-z23z12(11)

在所有rms電流已知時(shí)，如下簡單地確定輸入電壓的基本分量的rms值：

vin＝vc210＝r202i1＝v1(13)

這產(chǎn)生直流總線電壓水平：

需要通過半橋轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生塊形電壓波形。此外，鐵氧體磁棒上的峰值通量密度如下給出：

其中a2是鐵氧體磁芯的橫截面積。全部一起，功率傳輸效率被發(fā)現(xiàn)成為：

圖3示出了本發(fā)明的封裝120的一個(gè)實(shí)施方式。在該情境中，封裝的材料選擇為密封的且非導(dǎo)電的，這通常意指陶瓷。用于封裝電子元件的材料應(yīng)該呈現(xiàn)高電阻率和高介電強(qiáng)度。

合適的封裝材料可包括金屬，諸如鈦及其合金、生物級不銹鋼、鈷基合金、鉭、鈮、鈦鈮合金、鎳鈦諾、mp35n、以及一些貴金屬。它們還可以包括玻璃、陶瓷。另外，可應(yīng)用聚合材料(諸如環(huán)氧樹脂、硅樹脂、聚亞安酯、聚酰亞胺、硅聚酰亞胺、聚對二甲苯基、多環(huán)烯烴、碳化硅、苯并環(huán)丁烯)以及液晶聚合物。

鐵氧體118的陶瓷封裝120是簡單易做的。然而，電容器142的封裝反而有問題。電容器將需要到它的密封通孔以將它連接至次級線圈112。這些利用高電流不是經(jīng)濟(jì)可行的。

可植入應(yīng)用中(尤其是在髓內(nèi)釘器件中)的空間限制是明顯的。因此，有益的是限制不同封裝層的量。這可通過將整個(gè)次級線圈112和鐵氧體封裝到相同包裝中來實(shí)現(xiàn)。

通常在電子構(gòu)造中，次級線圈112處于三級線圈114的上面。這使得封裝120難以進(jìn)入到單個(gè)包裝。線圈的線應(yīng)該從三級線圈114布線至驅(qū)動的負(fù)載。然而，通過翻轉(zhuǎn)該構(gòu)造，使得次級線圈將是組件中最中間的線圈，布線問題可被解決。三級線圈114的繞組現(xiàn)在可設(shè)置在封裝120的上面。

生物兼容性定義為在特定應(yīng)用中以合適宿主反應(yīng)執(zhí)行的材料性能。在使用生物兼容材料(諸如金、鉑、銀、或鍍金的銀)用于三級線圈114的繞組時(shí)，實(shí)現(xiàn)了長期生物兼容。此外，在封裝活性植入體的情況下，通常期望的是植入體是無毒的、非致癌的且不形成栓塞的。此外，封裝不應(yīng)該引起周圍組織中的任何機(jī)械性刺激。

此外，必須防止植入體內(nèi)的液體泄漏。由于需要將三級線圈114的繞組連接到負(fù)載內(nèi)，所以需要布線一些線纜。必須防止引入體液。由于接收天線的線纜允許到那里的直接路徑，所以流體可通過毛細(xì)管效應(yīng)到達(dá)植入體。生理流體包含多種有機(jī)和無機(jī)物以及細(xì)胞成分(諸如鹽、酶、激素、蛋白質(zhì)和整個(gè)細(xì)胞)，這使得人體是最具有腐蝕性的環(huán)境之一。

可按多種方式實(shí)現(xiàn)體液泄漏的防止。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，可使用密封通孔連接器來連接至接收天線110。另選地，接收天線110可以是用聚合物被二次注塑(overmolded)，以防止液體滲透到線纜中。此外，接收天線110可以被封裝到次級密封包裝中。另選地，接收天線110可被封裝到熱塑性塑料中。

在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，將使用用于接收天線和唇封(lipseal)的超聲密封封裝。熱塑性塑料的超聲焊接防止了來自天線接口的泄漏。

封裝120可包括超聲或激光焊接用于防止任何泄漏。還可以存在包封(enclose)整個(gè)接收天線110的其它外殼。其它外殼優(yōu)選地是塑料封裝并且它還可包括超聲焊接用于防止任何泄漏。

參考標(biāo)記列表

110接收天線

112次級線圈

114三級線圈

118包括鐵磁性材料的元件

120封裝

142電容器

144電阻器

200發(fā)送天線

202初級線圈

210補(bǔ)償電容器

l202初級線圈繞組的自感

l112次級線圈繞組的自感

l114三級線圈繞組的自感

r202初級線圈繞組的電阻

r144與三級繞組連接的電阻器的電阻

c210與初級線圈繞組連接的電容器的電容

c142與次級線圈繞組連接的電容器的電容

m02初級繞組和次級繞組之間的互感

m04初級繞組和三級繞組之間的互感

m24次級繞組和三級繞組之間的互感

vdc直流總線電壓

fin恒定頻率

vin塊形電壓

v1初級繞組的電壓

v2次級繞組的電壓

v3三級繞組的電壓

vc142與次級線圈繞組連接的電容器的電壓

vc202與初級線圈繞組連接的電容器的電壓

p144電阻器中耗散的功率

n1初級繞組中的匝數(shù)

n2次級繞組中的匝數(shù)

n3三級繞組中的匝數(shù)

k24次級繞組和三級繞組之間的耦合

i1初級繞組電流

i2次級繞組電流

i3三級繞組電流

θ功率傳輸效率

ψ2峰值通量

bmax2峰值通量密度

a2包括鐵磁性材料的元件的橫截面積

z11阻抗因子

z12阻抗因子

z13阻抗因子

z22阻抗因子

z23阻抗因子

z33阻抗因子

zc142阻抗因子

zc202阻抗因子