CN102201703A - 诊疗系统无线供能方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种胶囊诊疗系统磁共振式无线供能方法和装置。本发明的典型特色是利用磁场共振技术来实现向体内胶囊诊疗系统高效供能的目的。整套装置由体外和体内两部分组成。体外部分主要包括通讯电路、控制电路、驱动电路、激励线圈、自谐振发射线圈等。体内部分主要包括三维自谐振接收线圈、三维能量输出线圈、整流滤波电路、负载、采样电路、模数转换电路、通讯电路等。其功效在于：能量转化效率高，对人体安全，使用方便。
Description
技术领域
本发明涉及一种胶囊诊疗系统磁共振式无线供能方法和装置，属于医疗电子领域。
背景技术
随着电子技术的飞速发展，胶囊内窥镜的功能不断增强，同时功耗也越来越大。采用传统的电池供能方式已不能满足微系统大功耗的需求，能量供给问题已成为制约胶囊诊疗系统实际大规模应用的主要技术“瓶颈”之一。使用无线供能技术是解决这一问题的有效途径。
目前，基于胶囊内窥镜系统的无线供能技术是利用体内外电磁感应耦合的原理实现的。这种供能方式存在以下弊端：(1)传输距离短，一般不超过2cm；(2)传输效率低，特别是随着距离的增大和接收线圈面积的减小，效率急剧下降；(3)对两耦合线圈的位置关系要求非常苛刻，一旦失配，效果立即变差。这些固有的弊端，限制了电磁感应式无线供能技术在胶囊式诊疗系统上的普遍应用。探索适用于医疗领域的无线供能技术是时代的需求。
2007年，麻省理工学院的Marin Soljai教授所领导的研究团队利用磁共振技术完成了一项长达2米的无线电力传输实验，传输效率高达45％。基于磁共振原理的无线供能技术，具有传输距离远、效率高、方向性要求不高、低电磁辐射、受周围环境影响小等突出优点，在医疗领域具有极大的潜在应用。2009年，Fei Zhang所在的研究小组率先展开了磁共振式无线供能技术在医疗传感器和植入式电子装置上的应用研究[1]。其后，加拿大不列颠哥伦比亚大学的Anil Kumar等人也报道了他们在“磁共振式无线供能技术在植入式电子装置上应用”的研究成果[2]。但是，对于胶囊式诊疗系统的磁共振式无线供能技术 尚未有人涉及。本发明将详细介绍一种胶囊诊疗系统磁共振式无线供能方法和装置。
发明内容
本发明提供一种胶囊诊疗系统磁共振式无线供能方法和装置，用来解决目前胶囊诊疗系统电磁感应式无线供能效率低下，能量发射端高电压、笨重等使用不便的问题。
本发明所涉及的装置由体外和体内两部分组成。体外部分主要包括通讯电路、控制电路、驱动电路、激励线圈、自谐振发射线圈等。体内部分主要包括三维自谐振接收线圈、三维能量输出线圈、整流滤波电路、负载、采样电路、模数转换电路、通讯电路等。
本发明中体外控制电路分别与通讯电路和驱动电路相连，控制电路的主要作用是对体内反馈出来的采样信号进行处理，并根据反馈信号的强度控制驱动电路作用于激励线圈激发出电磁场。自谐振发射线圈与激励线圈并行放置。体内三维自谐振接收线圈与三维能量输出线圈均正交缠绕在同一个圆柱形磁芯上并一一对应平行放置。输出线圈与谐振电容一起组成谐振电路用于接收磁场能量，感应出交流电。整流电路的作用是将感应到的交流电转变为直流电，经过滤波电路后将杂波滤除。采样电路的作用是对感应到的电压信号进行采样，并通过通讯链路发送到体外。
本发明中激励线圈、自谐振发射线圈、自谐振接收线圈和输出线圈均是由多股李兹线绕制而成，主要是为了降低线圈自身的欧姆损耗，提高谐振电路的品质因数。自谐振能量发射线圈和自谐振能量接收线圈可为纯线圈结构、也可为线圈与电容的组合结构，采用线圈与电容的组合结构可简化线圈结构，降低谐振频率。激励线圈与驱动电路上的谐振电容所组成的谐振腔、能量输出线圈与接收电路上的谐振电容所组成谐振腔的谐振频率与自谐振发射线圈、自谐振接收线圈的自谐振频率一致。激励线圈与驱动电路上的谐振电容相匹配、能量输出线圈与接收电路上的谐振电容相匹配，达到谐振状态，主要是为了消除电 路中阻抗的虚部，提高能量传输效率。自谐振发射线圈与自谐振接收线圈具有共同的自谐振频率主要是为了形成磁场共振，达到利用磁隧道效应实现能量高效传输的目的。
本发明中驱动电路作用于激励线圈产生交变电磁场，激励线圈和自谐振发射线圈通过电磁感应方式进行能量传输，在磁场的作用下，自谐振发射线圈与自谐振接收线圈共振，引发磁场隧道效应，形成高效磁场能量传输通道，自谐振接收线圈与能量输出线圈间通过感应的方式进行能量传输。尽管本发明中，激励线圈和自谐振发射线圈以及自谐振接收线圈和能量输出线圈间仍是以感应的方式进行能量传输，但是由于自谐振发射线圈与激励线圈以及自谐振接收线圈和能量输出线圈间的距离非常短，传输能量的主体是磁场共振方式，与电磁感应式无线供能技术相比，整个系统的能量传输效率仍会大大提高。
与电磁感应式无线供能技术相比，本发明只采用几匝激励线圈，所激发的电场覆盖的空间范围要小得多，而远离激励线圈的地方，电场迅速衰减，本发明主要是依靠磁场来传送能量的，但与人体组织发生热作用的电场，而不是磁场，本发明对人体所造成的伤害要比电磁感应式无线供能技术对人体所造成的伤害小得多。
附图说明
附图1本发明的工作原理框图；
附图2本发明所涉及的无线能量传输路径；
附图3本发明所涉及的体外发射线圈结构一实施例图；
附图4本发明所涉及的体外发射线圈结构的另一实施例图；
附图5本发明所涉及的体内三维接收线圈截面图。
具体实施方式
下面结合附图，详细说明本发明的具体实施方式
本发明所涉及的装置由体外和体内两部分组成。体外部分主要包括通讯电路、控制电路、驱动电路、激励线圈、自谐振发射线圈等。体内部分主要包括三维自谐振接收线圈、三维能量输出线圈、整流滤波电路、负载、采样电路、模数转化电路、通讯电路等。体外控制电路分别与通讯电路和驱动电路相连，驱动电路与激励线圈相连，自谐振发射线圈与激励线圈并行穿戴在人体身上。体内部分三维自谐振接收线圈与三维能量输出线圈均正交缠绕在同一个圆柱形磁芯上并一一对应平行放置，能量接收线圈与接收电路的谐振电容相连。整流滤波电路与负载相连。电压采样电路分别和整流滤波电路、通讯电路相连。
将激励线圈和自谐振发射线圈穿戴于人体上部。当胶囊诊疗系统进入人体后，体外控制器向驱动电路发出指令以一个初始功率作用于激励线圈激发出一定频率的电磁场。在磁场的作用下，自谐振发射线圈与自谐振接收线圈共振，引发磁场隧道效应，将能量高效传送到自谐振接收线圈，能量输出线圈以感应的方式捕获到磁场后感应出交流电压，经整流滤波后为负载提供直流电能。采样电路对感应到的电压信号进行采样，通过模数转化后通过通讯链路发送到体外。体外的通讯电路接收到反馈信号后，传送到控制电路，控制电路根据反馈信号的强度及时调整驱动电路的功率，以满足负载对电压和功率的需求。
本发明只阐述了较佳的实施例，凡是对本发明的改动或由本发明所延伸出来的实时方式均是本发明的保护范围。
Claims (5)
1.本发明提供一种胶囊诊疗系统磁共振式无线供能方法和装置。由体外能量发射部分和体内能量接收部分构成。体外部分主要包括通讯电路、控制电路、驱动电路、激励线圈、自谐振发射线圈等。体内部分主要包括三维自谐振接收线圈、三维能量输出线圈、整流滤波电路、负载、采样电路、通讯电路等。
2.如权利要求1所述体外能量发射线圈，其特征在于是由激励线圈和自谐振发射线圈两部分组成，激励线圈与驱动电路相连，自谐振发射线圈与激励线圈并行放置。
3.如权利要求1所述体内能量接收线圈，其特征在于由三维自谐振接收线圈和三维能量输出线圈组成。三维自谐振接收线圈和三维能量输出线圈均正交缠绕在同一圆柱形磁心上，且自谐振接收线圈与能量输出线圈一一对应并平行放置。
4.如权利要求1、2、3所述自谐振能量发射线圈和自谐振能量接收线圈，其特征在于可为纯线圈结构，也可为线圈与电容的组合结构。
5.如权利要求1、2、3、4所述体内和体外的线圈，其特征在于均采用多股李兹线绕制而成。
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