[发明专利]一种应用于人体植入式设备的超声耦合无线充电系统

说明书

本发明公开了一种应用于人体植入式设备的超声耦合无线充电系统，包括发射端电源管理模块、发射端阻抗匹配模块、超声发射模块、超声接收模块、接收端阻抗匹配模块、接收端电池管理模块、植入式电池、接收端通信模块和发射端通信模块。本发明采用超声波耦合无线电能传输方式为植入式设备供电，减少了其他方式为人体植入式设备使用者带来的痛苦和危害，更便捷和更安全。采用阻抗匹配技术，降低负载电池阻抗变化对系统能量传输效果的影响，提高了系统能量传输的稳定性，对充电电池进行管理，实时采集电池电量信息，缩短了整个系统的充电时间，进一步减轻了因超声长时间工作对人体造成的潜在危害，保证电池处于正常的电能状态，延长电池的使用寿命。

技术领域

本发明属于无线充电的技术领域，尤其涉及一种应用于人体植入式设备的超声耦合无线充电系统。

背景技术

随着医学技术的飞速发展，各种功能的电子医疗产品不断进入人们的生活。特别是植入式医疗设备的出现，对病人减轻病痛折磨，甚至延长生命起到了至关重要的作用。人体植入式医疗设备是一种埋藏在人体内部的电子设备，用来代替某些器官维持生命的延续或者实现对人体疾病的检测、诊断和治疗功能，广泛存在于人体中的各个组织器官。而植入式医疗设备的运行离不开电能的支撑，对植入式医疗设备的供电方式进行研究是植入式医疗设备发展的重要突破点，具有极大的发展意义。

人体植入设备的发展工程中，供电问题一直是研究的重点和难点，怎样才能提供持久、稳定、高效的电力供应是目前研究的重要方向。目前，植入式设备的供电主要采用以下几种方式：

(1)早期的植入式医疗设备，功率等级较高的如人工心脏Cardiowest，为了维持其长期运行的电能，采用导线直接穿破人体皮肤的方式为体内设备供电。该方法技术成熟，简单直接。但是容易造成感染，并且病人的活动范围会受到严重限制，因此，该种供电方式也受到了严重的限制。

(2)采用一次性电池，如镍镉电池、锂电池等。这种电池不仅安全可靠，还具有能量密度高等特点，而且可以实现全密封，污染小。替代了传统的铅汞电池，延长了植入式设备的使用寿命并提高了安全性。尽管采用高新科技扩大了电池的容量，但是，电池的使用寿命终究是有限的。当电能耗尽时，病人需要承受外科手术的痛苦去更换体内的电子设备。这种二次手术会给病人带来精神和肉体上的痛苦，以及不菲的经济负担。

(3)利用电磁能之间的转换而实现的无线电能传输的方法。该方法主要通过电磁场的变换完成电能的传输，根据电磁场的远近又可以细分为近场共振电感耦合、中场电磁耦合和远场电磁耦合三种方式。该方式由于都是采用电磁能的转换而进行能量传输，所以下植入式设备的应用中，对人体存在一定的电磁安全隐患。同时受人体电导率等因素的影响，电磁波在人体中会产生涡流等效应不仅对人体组织有损害，还会进一步减小传输距离和传输效果。

(4)利用近场电容耦合(Near-field Capacitive Coupling，NCC)对植入式设备进行供电。由于电容耦合更弱，对传输系统的稳定性要求也更高，传输效率更低。同时，直接施加的电场对人体的安全造成了更大的不确定性。

(5)超声波耦合无线电能传输技术(Ultrasonic Coupled Power Transfer，ACPT)对植入式设备进行充电。激励源将电能施加到PZT系列压电材料上面，通过压电材料将电能转化为超声波穿过人体组织，接收端压电材料再将接收到的超声能转化为电能供植入式设备使用。该方法同样可以实现无线充电，同时具有方向性好，单位发射面积功率密度高等优点，并且采用声电能转换弥补了电磁能转换时产生的涡流发热等现象，安全性更高。

上述的无线电能传输方案中，近场共振电感耦合和近场电容耦合提供的功率较小，距离也比较近，多进行皮下的无线电能供电；中场电磁耦合和远场电磁耦合的无线电能传输方案能够给较深层的植入式设备进行电能供应，但功率较小；使用超声波耦合无线电能传输方案，目前可以通过传播的超声波实现与电磁传输相同等级的功率，并且最大传输距离也可以达到几厘米，同时由于安全性较高，因此具有很大的研究意义和发展前景。