[发明专利]一种磁耦合谐振装置

说明书

技术领域

本发明属于无线能量传输装置，具体涉及一种磁耦合谐振装置，用于生物体运动过程中植入式医疗器件的无线经皮能量传递。

背景技术

随着微电子和信号处理技术的飞速发展，植入式电子装置在临床医学中得到越来越广泛的应用。人体植入式电子设备作为一种埋置在人体或生物体内的电子设备，包括对身体不同部位的各种辅助和救助设备，主要用来诊断、治疗某些疾病，长期监测体内生理生化参数的变化，实现在生命体自然状态下的直接测量和控制，也可用来代替某些功能已丧失的器官。

在植入式电子系统中，能量供给是至关重要的问题，是确保系统长期稳定工作的必要前提条件。目前较小功率的植入式电子装置采用一次性电池或可充电池供电，其使用受电池尺寸和寿命限制，例如由美国Cyberonics公司生产用于治疗癫痫的植入神经刺激器，预期寿命8年左右；美国Medtronic提供的脑深部电刺激器电池一般只能用3～5年，到时需要手术更换，每次要四、五万美元，不仅加重了患者的经济负担，而且也增加其所受的痛苦和手术风险。对于人工心脏等具有较高功率需求的植入装置，则通常由体外电池组通过经皮导线为其供电，不仅极易造成致命感染，而且使患者活动严重受限。另一方面，医生和患者都希望植入式设备的体积尽可能小，纳米技术、微电子机械技术和分子电子学的快速发展为植入式电子设备的微型化提供了关键技术，但内部电池占用了植入器件大部分体积和重量，成为妨碍其微型化的“瓶颈”，即便采用可充电电池，较大的体积、重量和有限的使用寿命仍制约了植入式器件的发展。因此，如何提供长期、稳定、安全高效的电能成为植入式电子装置研究的关键。

为了使病人摆脱外部电源的束缚，提高术后的社会参与、改善生活质量，必须研究经皮肤传输电能的系统。到目前为止，基于磁耦合的经皮能量传递虽然克服了传统供电方式的诸多弊端，得到较快发展，但在产品化和临床应用中仍存在耦合系数低、供能不稳定、体内植入深度受限、射频干扰和局部组织热效应等技术“瓶颈”，严重制约了植入式器件的临床效果和微型化发展。

非辐射性磁耦合谐振(Witricity)作为新型无线供电技术，关键在于非辐射性磁耦合的使用，两个相同频率的谐振物体产生很强的相互耦合，而与周围非谐振物体只有较弱的交互。Witricity系统包括驱动环、初级发射谐振天线、次级接收谐振天线和负载环，其中驱动环和初级谐振天线之间采用松磁耦合方式连接组成能量发射系统；次级接收谐振天线和负载环之间采用松磁耦合方式连接组成能量接收系统。MIT助理教授Marin Soljacic是该系统的发明者，其MIT研究小组演示了无线供电，他们从2米的距离成功地点亮了60W灯泡，即使两个谐振线圈间有障碍物存在，也能让灯泡继续发光。传统的磁耦合被用于短距离范围，传输距离只能通过增强磁场强度来增加；WiTricity使用匹配的谐振天线，可实现中距离(mid-range)的能量传输，而不需要增强磁场强度。

美国专利US2011/0101788A1所描述的Witricity装置通过在身体不同位置穿戴多个发射线圈为体内植入式器件经皮供能，也可用于体域传感器网络的无线能量供给，给出了能量收、发线圈的多种不同线圈结构设计，采用不同模式的导体薄膜形成分布电容，增加线圈LC谐振的电容值，在降低谐振频率的同时达到改善线圈Q值的目的。但该Witricity装置若用于植入式医疗器件体外供能，则使用者需随身携带射频能量供给装置和穿戴体外能量发射线圈，限制其自由活动，用于实验动物尤其不便，无法为置入实验动物体内的植入式器件自由供能。

发明内容

本发明提供一种磁耦合谐振装置，解决现有磁耦合谐振装置存在的生物体自由活动过程中的体外稳定供能问题，用于植入式医疗器件的无线经皮能量传递。

本发明所提供的一种磁耦合谐振装置，包括驱动线圈阵列、发射线圈阵列、接收线圈和负载线圈，驱动线圈阵列和发射线圈阵列位于生物体外，经过皮肤无线传递能量，接收线圈和负载线圈植入生物体内，其特征在于：

所述驱动线圈阵列为由N个基本驱动单元构成的平面阵列，每个基本驱动单元由7个驱动环、开口外铜环和开口内铜环构成，7个驱动环排列成正六边形，各驱动环为单匝铜线圈，其两端分别连接至同轴叠放、互相绝缘的开口外铜环、开口内铜环上；驱动线圈阵列中各基本驱动单元的开口外铜环、开口内铜环分别连接至射频功率放大器两输出端；N＝1～10000；