CN201937342U - 一种用于植入式无线遥测的无线供能装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种用于植入式无线遥测的无线供能装置。该装置包括外部电路模块、相互电连接的植入式接收线圈和植入式内部电路模块，在待测对象体外置有多轴能量发射模块，多轴能量发射模块包括底座和固定于底座上表面的一个以上扁平状多轴耦合发射线圈组，各多轴耦合发射线圈组分别与外部电路模块电连接，每个所述多轴耦合发射线圈组由芯体和环绕于该芯体的两个以上线圈组成，并有两个以上线圈相互交叉且各个线圈互不重叠。本实用新型无线供能装置具有多轴向耦合特点，提高了植入式接收线圈的抗倾斜性；并可根据动物在饲养笼中的位置选择不同多轴耦合发射线圈组进行供能，提高供电效率；适用于小动物实验中为植入式无线遥测进行无线供能。

Description

一种用于植入式无线遥测的无线供能装置

技术领域

本实用新型属于植入式无线供能领域，特别涉及动物实验中自由活动状态下小动物植入式无线遥测的无线能量供应。

背景技术

随着IC（集成电路）技术和MEMS（微机电系统）技术的发展，植入式无线遥测由于其没有束缚、测量准确和实时监测等优点在生物医学领域得到广泛应用，主要有植入式温度检测、植入式血压检测、植入式血糖检测等。这些植入式设备即可植入人体进行健康监护，也可植入小动物（如大鼠）体内进行长期的科学实验。

由于该类设备植入体内，更换电池需要手术将其取出，带来额外的创伤和费用，极为不变，因此植入式设备的能量供应成为该类研究的一个关键问题。目前植入式供能领域的研究主要有：无线电磁耦合供能，利用生物体内的葡萄糖进行化学反应供能，根据压电效应利用生物体自身运动的机械能等。其中无线电磁耦合供能是目前研究最多和应用最广泛的一种。无线电磁耦合供能通过功率放大器驱动外部发射线圈产生电磁场，体内的植入式接收线圈通过电感耦合的方式获取能量，如中国实用新型专利“用于植入式医疗设备的电磁感应供能装置”（申请号200710093224.1）和“用于生物植入体的高效能无线供能装置”（申请号200810036568.3）。

目前的无线电磁耦合供电一般要求发射线圈和植入式接收线圈同轴平行放置，以保证电磁耦合效率，但在动物实验中，无线遥测的小动物处于自由活动状态，常使植入其体内的植入式接收线圈发生倾斜而无法与外部发射线圈保持同轴平行，电磁耦合效率低，甚至导致植入式无线遥测设备不工作。

实用新型内容

针对现有技术的上述不足，本实用新型所要解决的技术问题是提供一种用于植入式无线遥测的无线供能装置，该装置具有抗植入式接收线圈倾斜性，提高电磁耦合效率。

本实用新型解决其技术问题所采取的技术手段是：其用于植入式无线遥测的无线供能装置包括外部电路模块、相互电连接的植入式接收线圈和植入式内部电路模块，在待测对象体外置有多轴能量发射模块，所述多轴能量发射模块包括底座和固定于底座上表面的一个以上扁平状多轴耦合发射线圈组，各多轴耦合发射线圈组分别与所述外部电路模块电连接，每个所述多轴耦合发射线圈组由芯体和环绕于该芯体的两个以上线圈组成，并有两个以上所述线圈相互交叉且各个线圈互不重叠。

进一步地，本实用新型在一个以上的所述多轴耦合发射线圈组中，相邻线圈之间的夹角为5～30°。

进一步地，本实用新型一个以上的所述多轴耦合发射线圈组是由五个线圈组成。

进一步地，本实用新型所述多轴耦合发射线圈组中的第一线圈为水平线圈，第二线圈和第三线圈的交叉处的连接线与第四线圈和第五线圈的交叉处的连接线垂直。

进一步地，本实用新型所述第一线圈位于第二线圈和第三线圈之间，且第一线圈位于第四线圈和第五线圈之间。

进一步地，本实用新型所述第一线圈位于第二线圈、第三线圈、第四线圈和第五线圈的上方，或者所述第一线圈位于第二线圈、第三线圈、第四线圈和第五线圈的下方。

进一步地，本实用新型所述植入式内部电路模块还含有依次电连接的能量监控模块、无线发射模块和发送天线，所述外部电路模块还含有相互电连接的无线接收模块和接收天线。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

（1）多轴耦合发射线圈组中相互交叉的线圈在同一个功率源驱动下产生同步电磁场，各个线圈产生的电磁场相互交叉，形成多轴向电磁场，植入式接收线圈通过电磁感应接收该多轴向的交叉电磁场的能量，在植入式接收线圈与水平面所成的一定倾斜角度（0~30°）范围内，该电磁场的磁感应强度基本恒定，植入式接收线圈与多轴耦合发射线圈组中不同轴向的发射线圈进行电感耦合，具有多轴向耦合的特点，当植入式接收线圈发生倾斜时，接收线圈的耦合能量基本保持恒定，从而使无线供能保持稳定，提高了植入式接收线圈抗倾斜性。

（2）通过能量监控反馈方式选择耦合效率最高的多轴耦合发射线圈组发射电磁波，对植入式无线遥测设备进行精确定点供能，减小空余空间范围的能量损耗，提高供能效率。

（3）植入式接收线圈和植入式内部电路模块的体积小、重量轻，适合于小动物进行植入式无线遥测实验。

附图说明

图1 是本实用新型的整体结构示意图；

图2 是本实用新型多轴耦合发射线圈组的结构示意图；

图3 是图2的分解图；

图4 是本实用新型外部电路模块的具体连接关系示意图；

图5 是本实用新型植入式内部电路模块及植入式接收线圈的连接关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作详细的说明。

图1所示为本实用新型的整体结构示意图，本实用新型用于植入式无线遥测的无线供能装置包括外部电路模块1、多轴能量发射模块2、植入式接收线圈3和植入式内部电路模块4。外部电路模块1和多轴能量发射模块2置于待测对象外部，植入式接收线圈3和植入式内部电路模块4则置于待测对象内部。多轴能量发射模块2包括底座6和固定于底座6上表面的扁平状多轴耦合发射线圈组5。多轴耦合发射线圈组5可以是一个或两个以上，基本覆盖底座6的上表面。如图1所示的本实施例中采用了四个多轴耦合发射线圈组5。各多轴耦合发射线圈组5分别与外部电路模块1电连接，由此，外部电路模块1给多轴耦合发射线圈组5提供能量，各多轴耦合发射线圈组5发射电磁能量。植入式接收线圈3和植入式内部电路模块4电连接，植入式接收线圈3接收电磁能量而产生交流电，植入式内部电路模块4将此交流电转换为直流电。

图2所示为本实用新型多轴耦合发射线圈组的结构示意图。各多轴耦合发射线圈组5由扁平状的芯体7和环绕于该芯体7的两个以上线圈组成，其中，有两个以上线圈相互交叉且各个线圈互不重叠。

如图2和图3所示，本实施例中采用了五个线圈，五个线圈S0~S4相互交叉环绕在芯体7上。其中，第一线圈S0为水平线圈，第二线圈S1和第三线圈S2在A、B两处相交，第四线圈S3和第五线圈S4在C、D两处相交，并且连接线AB与连接线CD垂直，由此使多轴耦合发射线圈组所产生的交叉电磁场均匀对称，植入式接收线圈3在与水平面成的一定倾斜角度的情况下接收电磁能量保持基本恒定。此外，如图2和图3所示第一线圈S0位于第二线圈S1和第三线圈S2之间，同时第一线圈S0位于第四线圈S3和第五线圈S4之间。

作为本实用新型的另一种实施方式，如图4所示，第一线圈S0位于第二线圈S1、第三线圈S2、第四线圈S3和第五线圈S4的上方。此外，第一线圈S0也可以位于第二线圈S1、第三线圈S2、第四线圈S3和第五线圈S4的下方（参见图5）。在以上两种结构中，第一线圈S0可以与其他线圈交叉，也可以不与其他线圈交叉。

在本实用新型中，相邻线圈之间的夹角可以在5~30°范围内任意选取，只要使最终交叉形成的多轴耦合发射线圈组呈扁平状即可。

图6所示为本实用新型外部电路模块连接示意图，其中，外部电路模块1包括处理模块8、振荡模块9、功率放大器10、多路选择开关11、RF接收模块12和接收天线13。接收天线13、RF接收模块12、处理模块8和多路选择开关11依次电连接，接收天线13接收来自植入式内部电路模块4发送的反馈信息，该反馈信息包含植入式内部电路模块4的直流电压值，RF接收模块12将接收到的反馈信息发送给处理模块8；处理模块8接收该反馈信息，得到植入式内部电路模块4的直流电压值，并将该电压值与历史电压值比较，判断供电情况，并据此发送控制信号以控制多路选择开关11。振荡模块9、功率放大器10和多路选择开关11依次电连接；多路选择开关11的每一路开关分别对应地与一个多轴耦合发射线圈组5电连接，且各多轴耦合发射线圈组5内的各个线圈相互并联。振荡模块9产生的振荡信号经过功率放大器10放大后形成大功率振荡电流，该振荡电流通过多路选择开关11传输到多轴耦合发射线圈组5，从而发射电磁波。RF接收模块12为RF接收芯片构成的接收电路。处理模块8由单片机或DSP芯片构成。振荡模块9为LC振荡电路或DDS芯片构成的信号源。

如图7所示为本实用新型植入式内部电路模块及植入式接收线圈连接示意图，植入式内部电路模块4包括整流滤波电路14、稳压电路15、能量监控模块16、RF发射模块17和发射天线18。植入式接收线圈3、整流滤波电路14和稳压电路15依次电连接，植入式接收线圈3通过电感耦合方式接收多轴耦合发射线圈组5发射的电磁能量，产生交流电，整流滤波电路15将交流电转换为直流电，稳压电路16对该直流电进行稳压，产生稳定的直流电。能量监控模块16、RF发射模块17和发射天线18依次电连接，能量监控模块16还与整流滤波电路14电连接。其中，能量监控模块16由AD采样电路和低功耗处理器构成，检测整流滤波电路14产生的直流电的电压值，并将该值通过RF发射模块17和发射天线18无线发送，反馈给外部电路模块1。

本实用新型无线供能装置的具体工作过程如下：

将植入式接收线圈3和植入式内部电路模块4植入到待测对象内（如大鼠体内），将大鼠置于饲养笼中，大鼠可在饲养笼内自由活动，饲养笼底面为长方形，饲养笼置于多轴能量发射模块2上，饲养笼底面不超出多轴能量发射模块2上表面。

处理模块8通过轮询方式控制多路选择开关11轮流选通，对各个多轴耦合发射线圈组5轮流供电，同时接收反馈信息。植入式接收线圈3通过电感耦合方式接收电磁能量，由整流滤波电路15产生直流电，能量监控模块16检测该直流电压，并将该电压值通过RF发射模块17和发射天线18发送，接收天线13和RF接收模块12接收该反馈信息，并将该信息发送给处理模块8，处理模块8记录该电压值，通过一次循环，处理模块8得到各个多轴耦合发射线圈组5分别供电时植入式接收线圈3反馈的电压值，最大反馈电压值所对应的多轴耦合发射线圈组5为耦合效率最高线圈组；处理模块8控制多路选择开关11连接该线圈组和功率放大器10，在接下来的一段时间多路选择开关11保持该连接。由于动物走动使植入式接收线圈3位置发生变化，当植入式接收线圈3向处理模块8反馈的电压值降低为最大反馈电压值的一半，此时重复轮询操作，找到最佳供电效率的多轴耦合发射线圈组5，继续供电。可见，使用本实用新型无线供能装置，即使植入式接收线圈发生倾斜，也能使接收线圈的耦合能量基本保持恒定，从而使无线供能保持稳定，提高了植入式接收线圈抗倾斜性。并且，通过能量监控反馈方式选择耦合效率最高的多轴耦合发射线圈组发射电磁波，对植入式接收线圈3进行精确定点供能，减小空余空间范围的能量损耗，提高供能效率。

Claims (7)

1.一种用于植入式无线遥测的无线供能装置，包括外部电路模块（1）、相互电连接的植入式接收线圈（3）和植入式内部电路模块（4），其特征是：在待测对象体外置有多轴能量发射模块（2），所述多轴能量发射模块（2）包括底座（6）和固定于底座（6）上表面的一个以上扁平状多轴耦合发射线圈组（5），各多轴耦合发射线圈组（5）分别与所述外部电路模块（1）电连接，每个所述多轴耦合发射线圈组（5）由芯体和环绕于该芯体的两个以上线圈组成，并有两个以上所述线圈相互交叉且各个线圈互不重叠。

2.根据权利要求1所述的用于植入式无线遥测的无线供能装置，其特征是：在一个以上的所述多轴耦合发射线圈组中，相邻线圈之间的夹角为5～30°。

3.根据权利要求1或2所述的用于植入式无线遥测的无线供能装置，其特征是：一个以上的所述多轴耦合发射线圈组是由五个线圈组成。

4.根据权利要求3所述的用于植入式无线遥测的无线供能装置，其特征是：所述多轴耦合发射线圈组中的第一线圈为水平线圈，第二线圈和第三线圈的相交处的连接线与第四线圈和第五线圈的相交处的连接线垂直。

5.根据权利要求4所述的用于植入式无线遥测的无线供能装置，其特征是：所述第一线圈位于第二线圈和第三线圈之间，且第一线圈位于第四线圈和第五线圈之间。

6.根据权利要求4所述的用于植入式无线遥测的无线供能装置，其特征是：所述第一线圈位于第二线圈、第三线圈、第四线圈和第五线圈的上方，或者所述第一线圈位于第二线圈、第三线圈、第四线圈和第五线圈的下方。

7.根据权利要求1所述的用于植入式无线遥测的无线供能装置，其特征是：所述植入式内部电路模块（4）还含有依次电连接的能量监控模块（16）、无线发射模块（17）和发送天线（18），所述外部电路模块（1）还含有相互电连接的无线接收模块（12）和接收天线（13）。

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