TWI667860B - 植入式醫材遠距離無線充電強化結構 - Google Patents
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Abstract
本發明揭露一種植入式醫材遠距離無線充電強化結構，藉由強化結構的使用，使得植入式醫材的充電可於數公尺的範圍內進行，大幅提升了患者的生活品質並省去了手術置換電池的風險。本發明的無線充電強化結構包含了：一發射端，用以發射一能量訊號；一載體，設於相對發射端之一端；一植入式醫材，設置於發射端相對於載體之另一端；以及一強化模組，設於載體中；其中，能量訊號係由強化模組接受後轉換為一強化訊號，而植入式醫材接此強化訊號；另外，載體係設於一使用者的表皮外。
Description
本發明係關於一種植入式醫材遠距離無線充電強化結構。
使用植入式醫療設備治療疾病之技術已發展多年，例如使用深部腦刺激 （Deep Brain Stimulation, DBS）治療帕金森氏症與癲癇，或是使用心律調節器（Artificial Pacemaker）治療心臟疾病等。其中，主動式植入式醫療設備（Active Implantable Medical Device Directive, AIMD）均需要使用電池進行供電，以作為運作時動力之來源，然而，這些電池之蓄電量往往僅足夠供給植入式醫療器材使用5~10年，植入人體之電池一旦電量耗盡時，便需要進行手術取出置換，對於患者相當不便，亦需要負擔昂貴的手術費用，尤有甚者，罹患這些疾病的患者當中，老年人所佔之比例相當高，手術的風險也相對提升。
現有的技術已能透過無線傳輸之方式對這些主動式植入式醫療器材（AIMD）進行非接觸式的充電，目前最廣泛使用的就是使用感應線圈進行感應式（Inductive coupling）充電，利用一放置於植入式醫療器材中的接收線圈，並將進行供電之充電線圈放置於體外一貼近接收線圈之位置，如此便可輕易地對植入式醫療器材充電。然而，這些充電方式僅能在數公分之距離內進行，因此，患者往往需要使用背帶將含有充電線圈之訊號源背負於身上靠近植入式醫療器材之處，容易造成病患生活上與心理上的不適。
另一種廣泛使用的技術是使用諧振感應耦合（Resonant inductive coupling）之方式進行充電，該充電技術之較佳充電距離可達1~2公尺，然而為使充電線圈與感應線圈之頻率達到共振，常常需要將線圈設計得較大，對植入式醫療器材而言不甚實際，且其功率範圍較大，對人體健康容易造成疑慮，亦不易符合法規之規範。
為解決先前技術中所提及的課題，本發明提供了一種植入式醫材遠距離無線充電強化結構。
本發明的植入式醫材遠距離無線充電強化結構包含：一發射端，用以發射一能量訊號；一載體，設於相對該發射端之一端之使用者的表皮外；一植入式醫材，設置於發射端相對於載體之另一端；以及一強化模組，設於載體中；其中，能量訊號係由強化模組接受後轉換為一強化訊號，而植入式醫材接此強化訊號。
以上對本發明的簡述，目的在於對本發明之數種面向和技術特徵作一基本說明。發明簡述並非對本發明的詳細表述，因此其目的不在特別列舉本發明的關鍵性或重要元件，也不是用來界定本發明的範圍，僅為以簡明的方式呈現本發明的數種概念而已。
為能瞭解本發明的技術特徵及實用功效，並可依照說明書的內容來實施，茲進一步以如圖式所示的較佳實施例，詳細說明如後：
請參照圖1，圖1係本發明之實施例植入式醫材的無線充電示意圖。如圖所示，一發射端100發射並送出一能量訊號101，此能量訊號101於空間中傳播到達一使用者500之位置，並對標的504處的醫療器材進行充電，本實施例所稱之標的504即為植入於使用者500體內之醫療器材所在的部位或是患處，於本實施例中，發射端100所送出之能量訊號101可對多個標的504中醫療器材的同時進行充電，因此，當使用者500體內含有多個主動式植入醫療器材時，可透過本發明同時對這些主動式植入醫療器材進行充電。
本發明之一實施例中，發射端100為無線射頻傳輸器，此發射端100所發出之能量訊號101為電磁訊號；本發明之另一實施例中，發射端100為紅外雷射傳輸器，此發射端100所發出之能量訊號101為具有指向性的紅外光訊號，其波長為700 ~900奈米，較佳的，此紅外光訊號之波長為800奈米；本發明之又另一實施例中，發射端100為超音波傳輸器，此發射端100所發出之能量訊號101為超音波訊號。本發明之一較佳實施例中，植入式醫材為一主動式植入醫療器材，且無線充電之工作距離為10公分到數公尺，使用者500可於一較大的空間內正常活動，不影響其生活。所述之主動式植入醫療器材可為心臟監測器、心臟起搏器、腦神經刺激器等需要外加電力供其運作之植入式醫療器材。
請同時參照圖1和圖2，圖2係本發明之實施例植入式醫材遠距離無線充電強化結構示意圖。由圖中可見，本發明之實施例植入式醫材遠距離無線充電強化結構包含：一發射端100，發射一能量訊號101；一載體200，設於相對該發射端100之一端之使用者500的表皮501外；一植入式醫材400，設置於發射端100相對於載體200之另一端；以及一強化模組300，設於載體200中；其中，能量訊號101由強化模組300接受後收集並轉換為一強化訊號，且植入式醫材400接收此強化訊號。
請同時參照圖1和圖2。本發明之一些實施例中，載體200為一飾品、一貼片、一黏性敷料、一磁吸附裝置或一晶片卡，使用者500可藉由於標的504附近佩戴一設有載體200之飾品，如項鍊、皮帶扣環、手環、腳環等，對能量訊號101進行強化並對標的504處的植入式醫材400充電。使用者500亦可藉由於標的504附近的表皮501處貼附一設有載體200之貼片或一黏性敷料，對能量訊號101進行強化並對標的504處的植入式醫材400充電。本發明載體200之實施樣態亦可為晶片卡、磁吸附裝置或任何便於攜帶於標的504附近的物品，不以此為限。此外，載體200更可以一陣列之樣態進行實施，藉以增加接收表面積，本發明不以此說明為限。
本發明之另一較佳實施例中，載體200為一織物，且強化模組300鑲嵌或內織於載體200內部。具體實施方式包含：利用一種以上含有導電材料之織線，藉由特殊織法縫製成一布面，並使此布面之某些區塊具有強化能量訊號101之功能，亦即此布面中這些特定區塊為本發明之強化模組300，而此含有導電材料之織線所製成之布面即為本發明之載體200，使用者500可於標的504附近穿戴一織有此載體200之衣物或帽子，對能量訊號101進行強化並對標的504處的植入式醫材400充電。
另一實施例中，載體200為一織物，強化模組300為複數個無線射頻天線陣列，並透過特殊織法將複數個無線射頻天線陣列織入載體200中，藉以強化電磁波型式之充電訊號。以上實施例之說明僅為求簡單闡述本發明之意念，通常知識者應明白任何簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明涵蓋之範圍內，不以本說明為限。
圖2之實施例中，載體200中設有一強化模組300，其中強化模組300可分為兩部分：接收器301與處理模組302。於某些實施樣態中，為使強化模組300對任何類型之接收器301所提供之能量訊號101（電磁訊號、紅外光訊號、超音波訊號…等）均可起強化之作用，強化模組300可為多個接收器301與處理模組302的組合。當能量訊號101為電磁訊號時，接收器301為複數個無線射頻天線陣列；當能量訊號101為紅外光訊號時，接收器301為一光伏元件；當能量訊號101為超音波訊號時，接收器301為一介質片。本發明之一實施例中，介質片包含複數層介質層，其中每層介質層的介質阻抗不同。
於本發明之一實施例中，接收器301為複數個無線射頻天線陣列、介質片以及光伏元件的組合，並且處理模組302設有一訊號調控器，當能量訊號101為電磁訊號時，此訊號調控器指認該訊號，並對接收器301中之複數個無線射頻天線陣列發出指令，強化此能量訊號101並啟動處理模組302中之對應線路，對此強化訊號進行處理；當能量訊號101為紅外光訊號時，此訊號調控器指認該訊號，並對接收器301中之複數個光伏元件發出指令，強化此能量訊號101並啟動處理模組302中之對應線路，對此強化訊號進行處理；當能量訊號101為超音波訊號時，此訊號調控器指認該訊號，並對接收器301中之複數個介質片發出指令，強化此能量訊號101並啟動處理模組302中之對應線路，對此強化訊號進行處理。
請參照圖2並同時對照圖4。於本發明之一實施例中，接收器301為複數個無線射頻天線陣列、一介質片、一光伏元件，或是以上之任意組合；處理模組302包含：一無線射頻接收器304a，與接收器301連接；一阻抗匹配迴路305，與無線射頻接收器304a連接；一整流器306，與阻抗匹配迴路305連接；一升壓電路307，與整流器306連接；一電池保護電路308，與升壓電路307連接；一儲能裝置309，與電池保護電路308連接；以及一輸出模組303，與儲能裝置309連接。
請參照圖2並同時對照圖4。於本發明之一實施例中，接收器301為複數個無線射頻天線陣列、一介質片、一光伏元件，或是以上之任意組合；處理模組302包含：一壓電接收器304b，與接收器301連接；一阻抗匹配迴路305，與無線射頻接收器304a連接；一整流器306，與阻抗匹配迴路305連接；一升壓電路307，與整流器306連接；一電池保護電路308，與升壓電路307連接；一儲能裝置309，與電池保護電路308連接；以及一輸出模組303，與儲能裝置309連接。
請參照圖2並同時對照圖4。於本發明之一實施例中，接收器301為複數個無線射頻天線陣列、一介質片、一光伏元件，或是以上之任意組合；處理模組302包含：一光伏接收器304c，與接收器301連接；一阻抗匹配迴路305，與無線射頻接收器304a連接；一整流器306，與阻抗匹配迴路305連接；一升壓電路307，與整流器306連接；一電池保護電路308，與升壓電路307連接；一儲能裝置309，與電池保護電路308連接；以及一輸出模組303，與儲能裝置309連接。
請參照圖2並同時對照圖4。於本發明之一實施例中，接收器301為複數個無線射頻天線陣列，處理模組302包含：一無線射頻接收器304a，與複數個無線射頻天線陣列連接；一阻抗匹配迴路305，與無線射頻接收器304a連接；一整流器306，與阻抗匹配迴路305連接；一升壓電路307，與整流器306連接；一電池保護電路308，與升壓電路307連接；一儲能裝置309，與電池保護電路308連接；以及一輸出模組303，與儲能裝置309連接。
請參照圖2並同時對照圖4。於本發明之另一實施例中，接收器301為一介質片，處理模組302包含：一壓電接收器304b，與介質片連接；一阻抗匹配迴路305，與壓電接收器304b連接；一整流器306，與阻抗匹配迴路305連接；一升壓電路307，與整流器306連接 ;一電池保護電路308，與升壓電路307連接；一儲能裝置309，與電池保護電路308連接 ; 以及一輸出模組303，與儲能裝置309連接。於本發明一較佳實施例中，介質片為一種壓電介質片，更佳的實施例中，介質片可採用漸進式壓電介質層之組合，本發明並不加以限制。前述之漸進式壓電介質層含有不同之介質阻抗與穿透係數，藉由串聯與並聯，將能量訊號101之穿透率調整到理想之範圍。於一實施例中，透過此介質片，可將超音波能量訊號101調整到每平方公分600~900毫瓦之強度，於一最佳實施例中，更可將超音波能量訊號101調整到每平方公分700毫瓦之強度（700mW/cm
2） ，此強度不僅提供了一足夠高的充電能量，亦是符合人體使用之安全規範的能量強度。
請參照圖2並同時對照圖4。於本發明之另一實施例中，接收器301為一光伏元件，處理模組302包含：一光伏接收器304c，與光伏元件連接；一阻抗匹配迴路305，與光伏接收器304c連接；一整流器306，與阻抗匹配迴路305連接；一升壓電路307，與整流器306連接 ;一電池保護電路308，與升壓電路307連接；一儲能裝置309，與電池保護電路308連接 ; 以及一輸出模組303，與儲能裝置309連接。
請參照圖3，圖3係本發明之實施例植入式醫材遠距離無線充電強化結構示意圖。本發明之實施例植入式醫材遠距離無線充電強化結構包含：一發射端100，發射一能量訊號101；一載體200，設於相對發射端100之另一端；一植入式醫材400，設置於發射端100相對於載體200之另一端；以及一強化模組300，設於載體200中；其中，能量訊號101由強化模組300接受後轉換為一強化訊號，且植入式醫材400接收此強化訊號；載體200設於一使用者500的表皮501外，植入式醫材400設於使用者500的表皮501內一標的組織502b中，標的組織502b視治療種類而定，可為一肌肉層、一骨骼、一臟器，亦可為一腔室。
由圖3中可見，能量訊號101係透過設於表皮501外之載體200，經過強化模組300強化後，對位於標的組織502b中的植入式醫材400進行充電。本實施例中，強化模組300包含兩部分，分別為附著體300a與微針模組300b，其中附著體300a可以是銅箔、金箔或其他複合材質之導電薄膜所製成的貼片或貼布等可貼附於人體表面的結構。而微針模組300b為一實心或空心之圓錐狀構造，與附著體300a連接。藉此，微針模組300b可穿入使用者500之表皮層501。較佳的，強化模組300中之微針模組300b部分係由一高分子材質製成之圓錐體、三角錐體或多角柱錐體微針陣列構成。在其他可能的實施例中，微針模組300b中的每個錐體微針亦可以是一嵌有金屬帶、金屬環或金屬線之圓錐狀或圓盤狀結構，本發明不加以限制。於一實施例中，強化模組300中之微針模組300b部分藉由其特殊構造對能量訊號101進行強化；此外，在較佳的實施例中，微針模組300b可穿入表皮層501下約100微米（μm）之位置，達到將強化訊號引入使用者500之體內最佳的功效。而本發明之一最佳實施例中，強化模組300中之微針模組300b部分為微型針狀天線構成，同時具有天線之強化聚焦能量之功能，亦具有將能量導引入體內之功能，於另一最佳實施例中，強化模組300中之微針模組300b部分為嵌有金屬帶、金屬環或金屬線之圓錐狀天線結構所構成。強化模組300特化之實施樣態藉由本圖闡述之，然而通常知識者應明白任何簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明涵蓋之範圍內，不以本說明為限。
請參照圖4，圖4係本發明之實施例強化模組部分示意圖。由圖中可知，本發明之強化模組300包含:一無線射頻接收器304a、一壓電接收器304b以及一光伏接收器304c；一阻抗匹配迴路305，與無線射頻接收器304a、壓電接收器304b以及光伏接收器304c連接；一整流器306，與阻抗匹配迴路305連接；一升壓電路307，與整流器306連接；一電池保護電路308，與升壓電路307連接；一儲能裝置309，與電池保護電路308連接；以及一輸出模組303，與儲能裝置309連接。本發明另一較佳實施例中，接收器301為複數個無線射頻天線陣列、一介質片、一光伏元件之任意組合，接收器301與圖4中所示的無線射頻接收器304a、壓電接收器304b以及光伏接收器304c連結，用以接收多重訊號源（Multi-source）並進行強化，對植入式醫材400進行充電。
本發明中之儲能裝置309為一充電電池、一超級電容或其組合；優選的，儲能裝置309為一鋰鐵電池（Lithium iron phosphate），鋰鐵電池為一安全性較高的電池，沒有過熱或爆炸的疑慮，並且其輸出功率高，可達1000次以上之回充回放。本實施例中，升壓電路307中更含有一開關電路，此開關電路可為含有電晶體之線路；更精確來說前述電晶體可以為金屬氧化物半導體場效電晶體（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）。而升壓電路307與儲能裝置309連接。強化模組300可透過升壓電路307中之開關電路選擇性地的對儲能裝置309中的充電電池與超級電容元件進行充電，或是切換至直接將強化訊號輸出以供使用者500體內之植入式醫材400進行充電。
請參照圖5，圖5係本發明之實施例輸出模組示意圖。由圖中可知，輸出模組303包含：一直流 / 交流轉換電路310，與儲能裝置309連接； 一感應線圈313，與直流 / 交流轉換電路310連接；以及一交流訊號控制電路311，與直流 / 交流轉換電路310及一交流訊號產生器312連接。本發明之另一實施例中，感應線圈313之樣態可為強化模組300中之微針模組300b上所鑲嵌或纏繞之金屬線或金屬環，或是一體地作為強化模組300上之特化結構。另一實施例中，感應線圈313為強化模組300上之圓錐狀、三角錐體或多面錐體微型針狀天線結構，此微型針狀天線結構穿入表皮501中，並於植入式醫材400上設置一匹配的圓錐狀、三角錐體或多面錐體天線結構作為接收端的實施樣態，據此，強化模組300的輸出模組303與植入式醫材400的接收端作為一匹配之發送／接收天線對，藉以最佳化能量的傳遞強度與轉換效率。此外，感應線圈313的實施樣態不以圖式或說明上所闡述的樣態為限。
請參照圖6，圖6係本發明之實施例植入式醫材遠距離無線充電之流程圖。本實施例之植入式醫材遠距離無線充電技術包含: S1. 發射端100發射一能量訊號101；S2.一設於體表外之載體200藉由接收器301接收能量訊號101，並強化該能量訊號101；S3.該載體200將該強化後之強化訊號儲存於一儲能裝置309中；S4. 該載體200藉由輸出模組303將強化訊號傳送給一設於體表內之醫療器材400。其中，該載體200亦可選擇不將強化訊號儲存於儲能裝置309中，直接藉由輸出模組303將強化訊號傳送給一設於體表內之醫療器材400。
本發明的植入式醫材遠距離無線充電技術，藉由無線充電強化結構的使用，使得植入式醫材的終生使用變得可能，患者無須再進行高價與高風險的手術進行電池的置換，當植入式醫材需要充電的時候，使用者無須再背負一累贅的充電元件，並且在充電的過程中，患者可以於一較大之區域範圍內自由活動，維持正常的生活作息，對患者的生活品質與心理健康助益匪淺。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即依本發明申請專利範圍及說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明涵蓋之範圍內。
100‧‧‧發射端
101‧‧‧能量訊號
200‧‧‧載體
300‧‧‧強化模組
300a‧‧‧附著體
300b‧‧‧微針模組
301‧‧‧接收器
302‧‧‧處理模組
303‧‧‧輸出模組
304a‧‧‧無線射頻接收器
304b‧‧‧壓電接收器
304c‧‧‧光伏接收器
305‧‧‧阻抗匹配迴路
306‧‧‧整流器
307‧‧‧升壓電路
308‧‧‧電池保護電路
309‧‧‧儲能裝置
310‧‧‧直流 / 交流轉換電路
311‧‧‧交流訊號控制電路
312‧‧‧交流訊號產生器
313‧‧‧感應線圈
400‧‧‧植入式醫材
500‧‧‧使用者
501‧‧‧表皮
502‧‧‧脂肪組織
503‧‧‧標的組織
504‧‧‧標的
S1~S4‧‧‧步驟
（圖1）本發明之實施例植入式醫材的無線充電示意圖 （圖2）本發明之一實施例植入式醫材遠距離無線充電強化結構示意圖 （圖3）本發明之另一實施例植入式醫材遠距離無線充電強化結構示意圖 （圖4）本發明之實施例強化模組部分示意圖 （圖5）本發明之實施例輸出模組示意圖 （圖6）本發明之實施例植入式醫材遠距離無線充電之流程圖
Claims (11)
- 一種植入式醫材遠距離無線充電強化結構，包含：一發射端，發射一能量訊號；一載體，設於相對該發射端之一端之使用者的表皮外；一植入式醫材，設置於該發射端相對於該載體之另一端；以及一強化模組，設於該載體中，該強化模組包含至少一接收器，且該至少一接收器係選自於由複數個無線射頻天線陣列、一介質片、一光伏元件及其組合所組成之群組之一；其中，該能量訊號由該強化模組接受後轉換為一強化訊號，且該植入式醫材接收該強化訊號。
- 如請求項1所述之植入式醫材遠距離無線充電強化結構，該發射端為無線射頻傳輸器、紅外雷射傳輸器或超音波傳輸器。
- 如請求項1所述之植入式醫材遠距離無線充電強化結構，其中該植入式醫材為一主動式植入醫療器材。
- 如請求項1所述之植入式醫材遠距離無線充電強化結構，其中該載體為一飾品、一貼片、一黏性敷料、一磁吸附裝置或一晶片卡。
- 如請求項4所述之植入式醫材遠距離無線充電強化結構，其中該載體更為一織物，且該強化模組鑲嵌或內織於該載體內部。
- 如請求項1所述之植入式醫材遠距離無線充電強化結構，其中該強化模組更包含：一無線射頻接收器，與該複數個無線射頻天線陣列連接；一阻抗匹配迴路，與該無線射頻接收器連接；一整流器，與該阻抗匹配迴路連接；一升壓電路，與該整流器連接；一電池保護電路，與該升壓電路連接；一儲能裝置，與該電池保護電路連接；以及一輸出模組，與該儲能裝置連接。
- 如請求項6所述之植入式醫材遠距離無線充電強化結構，其中該儲能裝置為一充電電池、一超級電容或其組合。
- 如請求項7所述之植入式醫材遠距離無線充電強化結構，其中該輸出模組包含：一直流/交流轉換電路，與該儲能裝置連接；一感應線圈，與該直流/交流轉換電路連接；以及一交流訊號控制電路，與該直流/交流轉換電路及一交流訊號產生器連接。
- 如請求項1所述之植入式醫材遠距離無線充電強化結構，其中該至少一接收器為該介質片，該介質片包含複數層介質層；其中，每個該複數層介質層的介質阻抗不同。
- 如請求項9所述之植入式醫材遠距離無線充電強化結構，其中該強化模組更包含：一壓電接收器，與該介質片連接；一阻抗匹配迴路，與該壓電接收器連接；一整流器，與該阻抗匹配迴路連接；一升壓電路，與該整流器連接；一電池保護電路，與該升壓電路連接；一儲能裝置，與該電池保護電路連接；以及一輸出模組，與該儲能裝置連接。
- 如請求項1所述之植入式醫材遠距離無線充電強化結構，其中該強化模組更包含：一光伏接收器，與該光伏元件連接；一阻抗匹配迴路，與該光伏接收器連接；一整流器，與該阻抗匹配迴路連接；一升壓電路，與該整流器連接；一電池保護電路，與該升壓電路連接；一儲能裝置，與該電池保護電路連接；以及一輸出模組，與該儲能裝置連接。
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