CN100492813C - 面向人体介入式运动器件的电磁能量无线传输装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面向人体介入式运动器件的电磁能量无线传输装置，包括由发射线圈、发射谐振电路构成的体外部分，由接收线圈、浮动式线圈支撑架及整流滤波电路构成的体内部分。接收线圈设置配重使其重心位于几何中心之下并位于轴线上，浮动式线圈支撑架有内、中、外三个环，两环之间由环间支撑连接。环间支撑中，支撑针紧密插入支撑针座，在绝缘套筒的保护下固定在一个环上，支撑柱在绝缘套筒的保护下固定在相邻的环上，支撑针与支撑柱点接触。接收线圈的引线通过支撑针、支撑针座以及支撑柱引出。接收线圈在偏心重力的作用下，自适应的保持在一种姿态，由此总能最多的接收到来自体外发射线圈的磁通量，从而提高了耦合系数。

Description

面向人体介入式运动器件的电磁能量无线传输装置

技术领域

本发明涉及一种电磁能量无线传输装置，尤其涉及一种面向人体介入式运动器件的基于电磁场耦合远离的无线能量传输装置，属于机、电技术和临床医学领域。

背景技术

人体介入式医疗器件，包括长期植入式器件，如人工心脏、人造肛门，也包括中短期过程式器件，如微型电子胶囊式内窥镜、胶囊式胃肠动力检测装置、机器人内窥镜等，均为提高人们的健康水平、预防疾病等发挥了举足轻重的作用。

目前，这些装置的能量供应分为缆线供能和电池供能两种。前者，由于缆线对器件运动的阻碍，限制了介入器件的灵活性和适用性；后者，由于无创介入的需要，能提供用来安装电池的空间非常狭小，所以电池供能容量非常有限，直接影响了介入器件的工作时间，对于需要更多能量的运动型器械来说，其容量远远不够，这些都给介入器械的临床应用带来了非常大的困难。因此，研究无线的可持续地对介入器件进行供能的装置十分迫切和必要。

在临床医学上，微波频谱的能量传输技术比较成熟，并已经应该于工业场合，但由于人体对特定电磁频率的吸收作用，该项技术对于人体来说并不适用。目前大多使用较低频段的电磁场耦合或者光电耦合原理进行无线供能，集中在经皮能量传输层面上，能量发射场经过皮肤浅表层，到达接受装置。电磁经皮能量传输系统(Transcutaneous Energy Transmission System，TETS)中，接收线圈埋于皮肤下，两线圈间距离一般不超过2cm，线圈的尺寸差别不大，耦合程度较高。光耦合系统将光能收集元件埋于皮肤浅层，使用特定频段的光线照射时，内部植入器件因光电作用而产生电能，经收集后对外供能。以上两种系统对于深埋在人体腔道或者在其中运动的器件很难进行能量供应。而且，能量传输的高度方向敏感性，使得这两种系统只能运用于相对人体静止的介入器件的能量供应，而对于介入式运动型装置，例如机器人内窥镜系统，这种能量供应方式就无法应用了。韩国学者提出了一种基于电磁耦合原理，并应用于人体介入运动器件的供能装置(Proceeding of 2005 IEEE&EMBS，pp809-813)。其两个接收线圈两两夹角呈90度，实验测试表明耦合系数较低，接收到的能量非常有限。考虑到线圈本身的尺寸，实用的三维正交线圈绕制非常困难。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种面向人体介入式运动器件的电磁能量无线传输装置，改善电磁耦合系数，提高传输效率，能够对人体深处的介入运动器件进行持续的无线缆的能量供应。

为了达到上述目的，本发明考虑到发射线圈和接收线圈在轴线平行时，将获得较高的电磁耦合系数，提出了一种基于电磁耦合原理的无线能量传输装置，包括由发射线圈、发射谐振电路构成的体外部分，由接收线圈、浮动式线圈支撑架及整流滤波电路构成的体内部分。接收线圈设置配重使其重心位于几何中心之下并位于轴线上，浮动式线圈支撑架有内、中、外三个环，两环之间由环间支撑连接。环间支撑中，支撑针紧密插入支撑针座，在绝缘套筒的保护下固定在一个环上，支撑柱在绝缘套筒的保护下固定在相邻的环上，支撑针与支撑柱点接触。接收线圈的引线通过支撑针、支撑针座以及支撑柱引出。接收线圈在偏心重力的作用下，自适应的保持在一种姿态，由此总能最多的接收到来自体外发射线圈的磁通量，从而提高了耦合系数。

本发明的面向人体介入式运动器件的电磁能量无线传输装置具体结构包括由发射线圈、发射谐振电路构成装置的体外部分，由接收线圈、整流滤波电路构成的体内部分，体内部分的接收线圈置于浮动式线圈支撑架内，接收线圈的中心轴线平行于发射线圈的中心轴线。浮动式线圈支撑架由外环、中环、内环构成，接收线圈设置配重使线圈的重心位于几何中心之下并位于轴线上。内环紧套在接收线圈外，内环与中环之间、中环与外环之间分别各自通过两个对称分布的环间支撑实现点接触，两个中内环之间环间支撑的连线与两个中外环之间环间支撑的连线相互垂直。在中环的内壁对称设置两段中环引线，中环引线的一端与中内环的环间支撑相连，中环引线的另一端与中外环的环间支撑相连。接收线圈的两条引出线从内环分别通过两个中内环的环间支撑引到中环，再分别沿两段中环引线引到两个中外环的环间支撑，然后通过两个中外环的环间支撑引到外环，再从外环引出，连到整流滤波电路。

本发明中，中内环之间及中外环之间的环间支撑具有相同的结构特征。所述环间支撑包括支撑针座、支撑针和支撑柱，支撑针座安装在一个环的绝缘套筒中，支撑柱安装在相邻环的绝缘套筒中，支撑针固定于支撑针座的中心，支撑针的针尖伸入支撑柱前端面开的锥形凹槽并顶住支撑柱。支撑针座和支撑柱上均开有V字槽，接收线圈引出线的引入端绕在支撑针座的V字槽内，接收线圈引出线的引出端绕在支撑柱上的V字槽内。

本发明中的接收线圈固定在浮动式线圈支撑架的内环中，和内环构成一个整体。内环与中环、中环与外环均通过环间支撑实现点接触，摩擦力非常小，但是接触良好。内环与接收线圈能够在中环内绕环间支撑的轴线连续自由旋转，中环能够在外环内绕着环间支撑的轴线连续自由旋转。

在自然状况下，接收线圈的轴线总是垂直于水平面，这种姿态是一种稳定的平衡。当接收线圈姿态变化时，其重心偏离轴线，由于配重的作用会产生力矩使得接收线圈绕中环或外环的环间支撑轴线转动，回复到平衡状态。不论线圈浮动机构在任何位姿，总能保证接收线圈的轴线垂直于水平面，由此总能最多的接收到来自体外发射线圈的磁通量，从而提高了耦合系数。

本发明在环间支撑中，利用支撑针和支撑柱分别引出接收线圈的引线，避免了线圈引出线可能产生的缠绕现象。采用金属材料来保证各个环的刚度，同时对支撑针座和支撑柱采用绝缘套筒进行良好的绝缘保护。

本发明克服了现有电磁耦合能量传输效率小、供能容量有限等缺点，从减小发射线圈和接收线圈的空间误配的观点出发，对于姿态和位置均随机的介入式运动医疗器械提供一种持续的无线缆的能量供应装置。

附图说明

图1为本发明的电磁能量无线传输装置的总体结构示意图。

图1中，1为发射线圈，2为浮动式线圈支撑架，3为接收线圈，4为人体环境，5为整流滤波电路，6为发射谐振电路。

图2为浮动式线圈支撑架的结构示意图。

图2中，(a)为浮动式线圈支撑架的侧视图，其中，7为外环，8为中环，9为内环，10为配重，11为磁芯，12为绕组；(b)为浮动式线圈支撑架的俯视图，其中，13为环间支撑。

图3为线圈两端引出线的位置结构示意图。

图3中，14为中环引线。

图4为中环和外环之间的环间支撑结构示意图。

图4中，15为支撑柱，16为线圈引出端，17为线圈引入端，18为支撑针座，19为支撑针，20为绝缘套筒。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案作进一步详细描述。

本发明的总体结构设计如图1所示。由发射线圈1、发射谐振电路6构成装置在人体环境4之外的部分，用于电磁能量的发射。由浮动式线圈支撑架2、接收线圈3、整流滤波电路5构成人体环境4之内的部分，用于电磁能量的接收及整流滤波，从而能够为介入器件提供稳定的直流电压。发射谐振电路6的输出连接发射线圈1，发射谐振电路6用于产生正弦波，激励发射线圈1产生交变磁场。接收线圈3置于浮动式线圈支撑架2内，接收线圈3的中心轴线平行于发射线圈1的中心轴线，接收线圈3的输出连接整流滤波电路5。

本发明的核心特征为接收线圈3的浮动式线圈支撑架2，其结构如图2所示，其中，(a)为侧视图；(b)为俯视图。浮动式线圈支撑架2由外环7、中环8、内环9构成，支撑着由磁芯11、绕组12及配重10构成的接收线圈3。绕组12为多层密绕螺线管，管中心插入磁芯11，可提高磁通量，圆柱型铜质配重10较磁芯11密度大，粘接在绕组12内，并压紧磁芯11。接收线圈3由于配重10的存在，其重心位于几何中心偏下，并位于轴线上。内环9紧套在接收线圈3外，内环9与中环8之间通过两个对称分布的环间支撑13实现点接触，中环8与外环7之间也通过两个对称分布的环间支撑13实现点接触，两个中内环之间环间支撑13的连线与两个中外环之间环间支撑13的连线相互垂直。

本发明采用的环间支撑13，使内环9与中环8之间、中环8与外环7之间均为点接触，可提供接收线圈3绕X轴和Y轴的两个转动自由度。在如图2所示的坐标系中，由接收线圈3与内环9合成的整体可以绕中环8的Y轴在中环8内连续转动，中环8可以绕外环7的X轴在外环7内连续转动。在自然状况下，接收线圈3的轴线总是垂直于水平面，这种姿态是一种稳定的平衡。当接收线圈3姿态变化时，其重心偏离轴线，由于配重10较磁芯11密度大的多，因此会产生力矩使得接收线圈3绕X轴或Y轴转动，回复到平衡状态。由于接收线圈3能够在中环8和外环7中连续回转，所以不论线圈浮动机构在任何位姿，总能保证接收线圈3的轴线垂直于水平面。

本发明中的一个关键技术在于浮动机构中接收线圈3的连续回转的实现，其引出线如图3所示，在中环8的内壁对称设置两段中环引线14，中环引线14的一端与中内环的环间支撑13相连，中环引线14的另一端与中外环的环间支撑13相连。

如果从接收线圈3直接引出两条缆线，就会阻碍接收线圈3的运动。在本发明中，接收线圈3的两条引出线先从内环9分别通过两个中内环的环间支撑13引到中环8，再分别沿两段中环引线14引到两个中外环的环间支撑13，然后通过两个中外环的环间支撑13引到外环7，再从外环7引出。

中环引线14采用细小的漆包线，使用瞬干胶粘接在中环8内壁上。

本发明中非常重要的一个特征就是利用了支撑机构作为引线端子来实现接收线圈3的引线引出，其详细结构可以外环7和中环8之间的环间支撑13为例来说明，如图4所示。

中外环的环间支撑13包括支撑针座18、支撑针19和支撑柱15，支撑针座18安装在中环的绝缘套筒20中，支撑柱15安装在外环的绝缘套筒20中，支撑针19固定于支撑针座18的中心，支撑针19的针尖伸入支撑柱15前端面开的锥形凹槽并顶住支撑柱15。支撑针座18和支撑柱15上均开有V字槽，来自中环引线14的接收线圈引线的引入端17绕在支撑针座18的V字槽内，接收线圈引线的引出端16绕在支撑柱15上的V字槽内，并从外环引出。

为了保证一定的机械强度，外环7和中环8采用金属材料加工，中环的绝缘套筒与外环的绝缘套筒用来保证接收线圈引出线的绝缘，分别与外环7和中环8使用强力粘结剂连接。支撑针座18和支撑柱15均为金属材料加工。

本发明内环9和中环8之间的环间支撑13的结构与中环8和外环7之间的环间支撑13类似。

如此，四个支撑机构分别将接收线圈3的引出线经由内环9、中环8、外环7引出，连接到整流滤波电路5，将接收线圈3耦合到的能量经整流滤波电路5产生可对外工作的直流稳压电源。

本发明的装置可以通过空间交变电磁场耦合的方式传输能量，电磁场的频率控制在10KHz～100KHz的范围内，外部发射线圈1轴线垂直于水平面，其频率连续可调，当达到谐振时将获得最大的发射功率。

Claims (2)

1.一种面向人体介入式运动器件的电磁能量无线传输装置，包括由发射线圈(1)、发射谐振电路(6)构成装置的体外部分，由接收线圈(3)、整流滤波电路(5)构成的体内部分，其特征在于体内部分的接收线圈(3)置于浮动式线圈支撑架(2)内，接收线圈(3)的中心轴线平行于发射线圈(1)的中心轴线；浮动式线圈支撑架(2)由外环(7)、中环(8)、内环(9)构成，接收线圈(3)设置配重(10)使线圈的重心位于几何中心之下，并位于轴线上；内环(9)紧套在接收线圈(3)外，内环(9)与中环(8)之间、中环(8)与外环(7)之间分别各自通过两个对称分布的环间支撑(13)实现点接触，两个中内环之间环间支撑(13)的连线与两个中外环之间环间支撑(13)的连线相互垂直；在中环(8)的内壁对称设置两段中环引线(14)，中环引线(14)的一端与中内环的环间支撑(13)相连，中环引线(14)的另一端与中外环的环间支撑(13)相连；接收线圈(3)的两条引出线从内环(9)分别通过两个中内环的环间支撑(13)引到中环(8)，再分别沿两段中环引线(14)引到两个中外环的环间支撑(13)，然后通过两个中外环的环间支撑(13)引到外环(7)，再从外环(7)引出，连到整流滤波电路(5)。

2、根据权利要求1的面向人体介入式运动器件的电磁能量无线传输装置，其特征在于所述环间支撑(13)包括支撑针座(18)、支撑针(19)和支撑柱(15)，支撑针座(18)安装在一个环的绝缘套筒(20)中，支撑柱(15)安装在相邻环的绝缘套筒(20)中，支撑针(19)固定于支撑针座(18)的中心，支撑针(19)的针尖伸入支撑柱(15)前端面开的锥形凹槽并顶住支撑柱(15)；支撑针座(18)和支撑柱(15)上均开有V字槽，接收线圈(3)引出线的引入端(17)绕在支撑针座(18)的V字槽内，接收线圈引出线的引出端(16)绕在支撑柱(15)上的V字槽内。

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