[发明专利]一种基于磁共振技术的人工心脏无线供电系统

说明书

本发明公开一种基于磁共振技术的人工心脏无线供电系统，包括：一个磁共振接收终端，位于病人体内，通过检测磁共振度的大小以及根据当前人工心脏电能的需求量发送相关数据至可变磁共振源；一个可变磁共振源，位于病人体外，用于接收磁共振接收终端发送的数据，经过计算改变共振及谐振参数，并与磁共振接收终端共振发送使磁共振接收终端接收的电能刚好满足当前电能需求量。本发明解决了微波式WPT技术但系统存在传输效率低、受障碍物的影响较大、存在辐射问题，感应式WPT技术仅能实现厘米级的短距离传输等问题。本发明采用磁共振式WPT方式，可以实现病人在一定空间内边充电边自由活动的基于磁共振技术的人工心脏无线供电系统。

技术领域

本发明属于人工心脏充电装置，具体涉及一种为人工心脏心室辅助装置提供电能的基于磁共振技术的人工心脏无线供电系统。

背景技术

根据世界卫生组织(World Health Organization)的数据，每年有1790万人死于心血管疾病，占全球死亡人数的31%。近年来连续血流左心室辅助装置的相关研究也取得了很大的成果，如血液相容性相关不良事件已通过新技术使之大大减少，但因为驱动泵体本身所需的电缆等必须经皮肤引出，因此导致的感染率仍然很高。全球注册数据(IMACS)显示只有一半的患者在2年期间免于感染。主要的是在2年的时间里，1 / 2的患者报告了传动系统感染，这代表了相当大的发病率、死亡率、再入院率和护理费用等。所以急需一种永久密封的方式，将相关外部控制器和电池等全部移入患者体内，以解决电缆引出问题。如此就必须采用无线充电的方式，对体内电池进行充电，以及无线的方式与内部控制器进行通信以及获取相关运行状态数据等。

根据实现原理的不同，研究比较广泛且得到一定发展的无线电能传输技术（WPT技术）主要有三类：微波式、感应式以及磁共振式。

微波式WPT技术是利用微波频段（300MHZ~300GHZ）的电磁波在远区辐射场实现远距离传输的技术。该技术利用微波发生器将电能转换为微波，并通过发射天线向外发射，由远处的接收天线接收之后，经由微波整流器转换为电能，向负载供电。微波式WPT技术能够广泛应用于太空、飞行器等领域，成为卫星、空间站、飞机供电方式的新选项。美国论证了利用空间太阳能进行发电的可行性，将太阳能转化为电能，再转换为携能微波传输到地球上，在地面上的接收站点中完成发电的应用。微波式WPT技术具有传输距离远的显著特性。它的特点有：系统工作频率高，变流器体积小；微波光速传输，在真空中能够无损耗地传输能量；能够实现点对点的定向传输。但系统存在传输效率低、受障碍物的影响较大、存在辐射问题等缺点，离实际应用尚有一定距离。目前该技术在高频半导体器件及相关技术的研发中存在发展瓶颈，并且微波对生物安全性的负面影响也限制了它的应用。所以该无线电能传输技术在人工心脏无线供电中不适合使用。

感应式WPT技术利用电磁感应原理和互感耦合理论，在非福射近场范围内实现电能的无线传输。该系统使用松耦合变压器，在发射线圈和接收线圈之间形成一段空气磁路。两个线圈邻近放置，当发射线圈通以电流，利用所产生的磁通作为载体实现能量的耦合传输。感应式WPT技术目前研究比较成熟且得到了广泛应用。它的工作频率低；功率等级较大，可实现从几百瓦到几百千瓦的功率范围；传输效率高，整体可达90%及以上。但是由于其工作原理的限制，仅能实现厘米级的短距离传输，这严重制约了感应式WPT技术的应用，只能够应用在对距离要求不太高的场合。该技术在人工心脏无线供电中可以隔皮传输，实现高效率的无线充电，唯一不足即必须将充电基座部分穿戴在病人身上，以满足和接收部分的近距离要求，否则距离稍微增大即会造成传输效率的急剧下降。

磁共振式WPT技术，也称WITRICITY技术，可实现中等距离的电能传输。它在非辐射近场范围内利用处于谐振状态的两个或多个具有相同谐振频率、高品质因数的LC电磁谐振系统，使得能量发生强烈交换以实现高效传输。