一種穿戴式無線傳能裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種向生物體內(nèi)無線傳能的裝置和方法,尤其涉及一種穿戴式無線傳能裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來,植入式有源醫(yī)療器械呈蓬勃發(fā)展之勢。按所消耗的功率劃分,可分為低功耗、中功耗、大功耗三種。低功耗的設(shè)備如心臟起搏器、神經(jīng)刺激器、人工耳蝸等,其功耗一般在100毫瓦以下。中功耗的如腸道機(jī)器人、人工心臟、植入式透析設(shè)備等,功耗一般在10瓦特以下。大功耗的如人工假肢,功耗一般要上百瓦特。
[0003]目前植入式有源醫(yī)療器械的能量供給方式有電池供電、經(jīng)皮電纜供電、無線傳能等方法。電池供電往往用在便攜式場合,但電池的續(xù)航能力和壽命僅為3-5年,到期要手術(shù)置換,對病人來說都是巨大的精神、身體和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。人工心臟的經(jīng)皮電纜供電有20%的概率引起感染,日常生活和愈后效果也不理想。對于有源植入式醫(yī)療器械而言,無線傳能被認(rèn)為是最有潛力的技術(shù)方向。
[0004]在工業(yè)和消費(fèi)領(lǐng)域,無線傳能技術(shù)發(fā)展了很多年后日臻成熟,很多場合都開始應(yīng)用,如電動牙刷、手機(jī)。不過,面向有源植入式醫(yī)療器械的無線傳能卻還不完善。有源植入式醫(yī)療器械的微功耗無線傳能實(shí)現(xiàn)起來比較容易,但中功耗及以上的無線傳能還存在許多工程和臨床問題,如無線傳能裝置的功率、效率、體積、人體活動的影響、生物介質(zhì)內(nèi)的傳播特性、對生物組織的影響等。雖然存在很多能夠?qū)崿F(xiàn)無線傳能的物理過程,但對于中功率植入式醫(yī)療器械(如人工心臟)而言,經(jīng)過大量研宄實(shí)踐,目前普遍認(rèn)為交變磁場是首選傳能媒介,線圈間近場磁感應(yīng)耦合是主要實(shí)現(xiàn)方式。人工心臟、膠囊內(nèi)窺鏡等植入/攝入式醫(yī)療裝置是無線傳能的典型應(yīng)用案例。
[0005]以人工心臟為例,經(jīng)皮變壓器傳能(Transcutaneousenergy transmiss1n,TET)是目前研宄最多的無線傳能方案。常見的人工心臟TET無線傳能系統(tǒng)包括體外部分的電池、驅(qū)動器和發(fā)射線圈,植入體內(nèi)的部分的接收線圈、電池和人工心臟血泵。能量通過發(fā)射線圈和接收線圈之間的局部經(jīng)皮磁感應(yīng)耦合傳輸。經(jīng)皮位置常常選擇胸部或者兩肋的皮膚。經(jīng)皮處尺寸一般小于10厘米。
[0006]十多年來,TET相關(guān)基本理論已經(jīng)成熟,目前主要研宄方向側(cè)重于系統(tǒng)改良,如線圈對不準(zhǔn)的影響,磁芯和線圈的結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化,最大效率跟蹤方法,溫升對組織的損傷及溫升控制方法。作為目前為止研宄最多的人工心臟無線傳能方案,TET避免了使用經(jīng)皮電纜,傳能效率也能滿足人工心臟的需求。但臨床試驗(yàn)中TET卻暴露出不少新問題,可總結(jié)為四個方面:
[0007](I) TET可靠性不高
[0008]變壓器設(shè)計思想決定了 TET傳能距離非常有限,可患者活動時,體外部分容易錯位或意外脫落,長期使用后,體內(nèi)線圈會逐漸嵌入皮下太深,兩種情況都導(dǎo)致傳能效率降低甚至失效,因此無法保證不間斷傳能。
[0009](2) TET系統(tǒng)植入性差
[0010]由于傳能不可靠,患者體內(nèi)需要植入電池。TET體內(nèi)線圈直徑較大(5?10CM)。植入電池和體內(nèi)線圈造成整體植入部分體積遠(yuǎn)大于經(jīng)皮電纜方案,植入性很差。
[0011](3) TET整體耐久性差
[0012]體內(nèi)植入電池的壽命僅為3-5年,到期必須手術(shù)更換電池。由于體內(nèi)部件、線纜和接頭復(fù)雜,在長期使用過程中極易發(fā)生斷線、泄漏、絕緣等問題,因此系統(tǒng)整體耐久性很差。
[0013](4) TET經(jīng)皮處皮膚溫升過高
[0014]TET是通過局部經(jīng)皮磁感應(yīng)方式傳能的,經(jīng)皮處皮膚在皮下皮表線圈的壓迫下血流不暢,皮下皮表又被發(fā)熱線圈覆蓋,極易積累熱量溫升過高,引起并發(fā)癥。當(dāng)距離變大時傳能效率急劇降低,發(fā)熱更為嚴(yán)重。
[0015]總體來看,由于TET系統(tǒng)目前還存在可靠性不高、植入性差、耐久性差、經(jīng)皮處皮膚溫升過高等問題,迄今為止,TET技術(shù)仍舊不能滿足中功率有源植入式醫(yī)療器械的臨床需求,以至于絕大多數(shù)中功率應(yīng)用(如人工心臟)中仍然采用傳統(tǒng)的經(jīng)皮電纜能量供給方案。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0016]為解決上述技術(shù)問題,本實(shí)用新型的目的是提供一種穿戴式無線傳能裝置和方法,能夠穿戴于身上,避免脫落,保證身體內(nèi)部任何位置都能接收到能量。
[0017]本實(shí)用新型提出的一種穿戴式無線傳能裝置,包括一穿戴于體外的組件和一植入體內(nèi)的組件,其特征在于:所述穿戴于體外的組件包含:發(fā)射線圈、換能器、固定帶和體外電源,所述換能器固定在所述固定帶上,所述換能器與所述體外電源電性聯(lián)通,所述發(fā)射線圈與所述換能器電性聯(lián)通;所述植入體內(nèi)的組件包含:接收器和體內(nèi)負(fù)載,所述接收器與所述體內(nèi)負(fù)載電性聯(lián)通。
[0018]作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn),所述發(fā)射線圈為一空間多維線圈,所述空間多維線圈圍成至少一個三維區(qū)域。
[0019]作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn),所述發(fā)射線圈由八段導(dǎo)線連接組成,總共構(gòu)成六個環(huán)形線圈。
[0020]作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn),所述發(fā)射線圈設(shè)有至少2組互為冗余備份的導(dǎo)線,所述發(fā)射線圈上設(shè)有至少兩個互為冗余備份的電性連接口。
[0021]作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn),所述換能器設(shè)有至少兩個互為冗余備份的單元,每個單元都獨(dú)立的與發(fā)射線圈某一導(dǎo)線電性連接,每個單元都設(shè)有一個與體外電源電性的接口和一個與發(fā)射線圈電性連接的接口。
[0022]作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn),所述發(fā)射線圈和所述換能器之間設(shè)有第一電纜,所述第一電纜的一端電性連接在所述發(fā)射線圈上,另一端電性連接在所述換能器上,所述換能器與所述體外電源之間設(shè)有第二電纜,所述第二電纜的一端電性連接在所述換能器上,另一端電性連接在所述體外電源上。
[0023]作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn),所述接收器與所述體內(nèi)負(fù)載之間設(shè)有一第三電纜,所述第三電纜的一端電性連接在所述接收器上,另一端電性連接在所述體內(nèi)負(fù)載上。
[0024]本實(shí)用新型提出的一種穿戴式無線傳能方法,該方法的原理是通過穿戴在身體上的發(fā)射線圈,使身體周圍產(chǎn)生交變磁場,以交變磁場作為能量傳遞的媒介,使處于身體內(nèi)部的接收器都可以接收到能量,通過換能器改變發(fā)射線圈中的電流,從而改變交變磁場的方向和大小,其特征在于:包括以下步驟:
[0025](I)所述的換能器通電后,向所述發(fā)射線圈中的至少三個不同方向的線圈中依次通入交變電流,檢測在每個線圈中產(chǎn)生的能量,減去線圈自身損失的能量,得到每個線圈所發(fā)送并被接收器獲取的能量;
[0026](2)所述的換能器根據(jù)至少三個不同方向的線圈中發(fā)送出去的能量,計算出在哪個方向上發(fā)送出去的能量最多;
[0027](3)所述的換能器控制至少三個不同方向的線圈中的電流,使之產(chǎn)生的磁場方向?yàn)榘l(fā)送能量最多的方向。
[0028]作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn),所述交變磁場覆蓋所述發(fā)射線圈所包圍的三維空間區(qū)域,所述交變磁場的為近場,所述交變磁場的波長大于發(fā)射線圈尺寸的十倍。
[0029]作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn),所述發(fā)射線圈與所述換能器之間有能量傳遞,所述能量傳遞由所述換能器上的電子開關(guān)的開關(guān)相位和時間來控制,所述的能量傳遞是雙向的。
[0030]作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn),所述的發(fā)射線圈通過磁感應(yīng)的方式與所述交變磁場進(jìn)行能量交換。
[0031]作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn),所述的接收器通過磁感應(yīng)的方式與所述交變磁場進(jìn)行能量交換。
[0032]作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn),所述發(fā)射線圈和所述接收器之間的能量交換是雙向的。
[0033]借由上述方案,本實(shí)用新型至少具有以下優(yōu)點(diǎn):利用穿戴式線圈穿戴于人體的體表,在與人體相當(dāng)?shù)目臻g范圍內(nèi)產(chǎn)生近似均勻的交變磁場作為換能媒介,保證處于人體內(nèi)部任何位置的能量接收器都可以接收到能量。穿戴式發(fā)射線圈的柔性特征保證發(fā)射線圈可以貼伏與人體的體表,可以使用人體的體型差異,并可以隨人體的活動變形適應(yīng)。穿戴式發(fā)射線圈是一個多維度線圈,可以在空間中產(chǎn)生任意方向的磁場,以保證向體內(nèi)的接收器可靠的供給能量。穿戴式無線傳能線圈具有冗余備份,長期使用后如果部分導(dǎo)線斷裂,換能器可以及時診斷出來。同時,換能器有兩個相同的備份,任意一個都可以提供相應(yīng)的功能。無線傳能裝置的單一故障不會引發(fā)傳能失效,具有極高的可靠性。因此,體內(nèi)植入部分不用電池,結(jié)構(gòu)緊湊,具有優(yōu)異的可植入性。由于體內(nèi)電纜和接頭可以大幅度減少甚至取消,也不存在壽命有限的電池,所以具有很好的耐久性,分散了發(fā)熱面積,不會造成局部溫升過高,裝置發(fā)熱很容易被人體散發(fā),避免了局部經(jīng)皮傳能溫升問題。
[0034]上述說明僅是本實(shí)用新型技術(shù)方案的概述,為了能夠更清楚了解本實(shí)用新型的技術(shù)手段,并可依照說明書的內(nèi)容予以實(shí)施,以下以本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例并配合附圖詳細(xì)說明如后。
【附圖說明】
[0035]圖1是本實(shí)用新型一種穿戴式無線傳能裝置實(shí)施例一的結(jié)構(gòu)示意圖;
[0036]圖2是本實(shí)用新型一種穿戴式無線傳能裝置實(shí)施例二的結(jié)構(gòu)示意圖;
[0037]圖3是本實(shí)用新型一種穿戴式無線傳能裝置實(shí)施例三的結(jié)構(gòu)示意圖;
[0038]其中:101-發(fā)射線圈;201-換能器;301-固定帶;401_第一電纜;402_第二電纜;501-接收器;502_第三電纜;601-交變磁場;701-人工心臟;702_天然心臟;801_膠囊