双路互备非接触式心脏起搏器电源系统

摘要

本发明公开一种双路互备非接触式心脏起搏器电源系统，属于非接触供电领域。包括两个体外供电装置和一个体内电能接受装置，两个体外供电装置通过无线信号收发电路传输信号，所述体外供电装置包括无线通信及控制模块和非接触供电模块。本发明中两个体外供电装置分别独立工作且彼此之间进行监控和通信，当检测到其中一个体外供电装置电压过低或过高之后，另外一个体外供电装置将立即切换到工作状态，这种相互备用的双电源供电方式，能够有效防止单电源供电失效造成起搏器停止工作并危及人身安全的事故，有效提高了心脏起搏器供电电源的可靠性。

说明书

技术领域

本发明属于非接触供电领域，具体涉及一种非接触式心脏起搏器供电技术。

背景技术

    目前，心脏起搏器普遍采用电池供电模式，电池存在电量耗尽的窘境。非接触电能传输技术可实现电能从体外电源向体内心脏起搏器的无接触传递，为心脏起搏器提供持续的电能供给。采用非接触供电的心脏起搏器电路，将大大减少心脏病人因更换电池而反复手术的痛苦，同时也可避免由于体内电池电量耗尽而造成的意外事故。

已有学者研究心脏起搏器供电的非接触电能传输系统，其研究成果均为1个体外供电装置和1个体内电能接收装置，由于没有备用的体外供电装置，一旦出现供电故障，如供电电池欠压、某些元件出现失效现象等，将导致体外供电装置无法继续向体内电能接收装置供电，由于没有备用电源，将导致心脏起搏器停止工作，从而出现危及病人生命的现象，其供电可靠性不高。

国内已经有不少关于非接触供电的专利。但是，对心脏起搏器供电电源的系统研究相对较少。国内也尚未见到有关双路互备非接触式心脏起搏器电源技术的论文发表和专利公开。

发明内容

    本发明要解决的技术问题是非接触供电的起搏器电源系统存在电能耗尽、可靠性不高的问题，提供一种具有双供电系统的双路互备非接触式心脏起搏器电源系统，有效提高了起搏器供电电源的可靠性。

本发明的技术方案是以下述方式实现的：一种双路互备非接触式心脏起搏器电源系统，包括两个体外供电装置和一个体内电能接受装置，两个体外供电装置通过无线信号收发电路传输信号，所述体外供电装置包括无线通信及控制模块和非接触供电模块，所述非接触供电模块包括电平转换与隔离电路，电平转换与隔离电路与MOS开关管相连，MOS开关管与高频电源装置相连，高频电源装置、MOS开关管与直流电源相连，直流电源与取样滤波电路相连，取样滤波电路与无线通信及控制模块内的A/D接口相连，高频电源装置与供电电感线圈、补偿电容相连，所述体内电能接受装置包括与供电电感线圈电磁场耦合的受电电感线圈，受电电感线圈与补偿电容、整流电路相连，整流电路与稳压电路相连。

所述无线通信及控制模块包括无线信号收发电路，无线信号收发电路与单片机相连，单片机与A/D接口、I/O接口相连，I/O接口和电平转换与隔离电路相连，A/D接口与取样滤波电路相连。

本发明中设置一个体内电能接受装置，两个体外供电装置。两个体外供电装置分别独立工作且彼此之间进行监控和通信，当检测到其中一个体外供电装置电压过低或过高之后，另外一个体外供电装置将立即切换到工作状态，这种相互备用的双电源供电方式，能够有效防止单电源供电失效造成起搏器停止工作并危及人身安全的事故，有效提高了心脏起搏器供电电源的可靠性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的使用装置示意图。

图3是单片机的软件流程图。

图4是供电电感线圈两端的工作电压与电流波形图。

图5是受电电感线圈两端的工作电压与电流波形图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括两个体外供电装置31，还包括体内电能接受装置5，两个体外供电装置31通过无线信号收发电路10相互通信，所述体外供电装置31包括无线通信及控制模块1和非接触供电模块2，所述非接触供电模块2包括电平转换与隔离电路15，电平转换与隔离电路15与MOS开关管16相连，MOS开关管16 与高频电源装置12相连，高频电源装置12、MOS开关管16与直流电源14相连，直流电源14与取样滤波电路11相连，取样滤波电路11与无线通信及控制模块1内的A/D接口7相连，高频电源装置12与供电电感线圈13、补偿电容17相连，所述体内电能接受装置5包括与供电电感线圈13配合的受电电感线圈27，受电电感线圈27与补偿电容26、整流电路28相连，整流电路28与稳压电路29相连。两个无线通信及控制模块1互相通信且分别检测、控制两个非接触供电模块2，自动切除输入电压欠压或过压的非接触供电模块2，并自动投入输入电压正常的非接触供电模块2，实现两个非接触供电模块2的相互备用。

所述无线通信及控制模块1是基于单片机9的控制模块，它包括无线信号收发电路10，无线信号收发电路10与单片机9相连，单片机9与A/D接口7、I/O接口8相连，I/O接口8和电平转换与隔离电路15相连，A/D接口7与取样滤波电路11相连。

本发明中，两个体外供电装置31是相互独立的，均可独立通过相应的供电电感线圈13向体内受电装置5传递电能，无需电线即可将电能由体外传递到体内。体内受电装置5将接收到的电能转换成直流电供给心脏起搏器30使用。

如图2所示，心脏起搏器通常安装在病人体内的左肩下，两个体外供电装置的供电电感线圈13分别安装于病人的左前胸和左后背，均可以非接触方式独立向体内受电电感线圈27传递电能。体内电能接收装置与心脏起搏器30安装在一起。

本发明中，控制电路各硬件模块与软件的工作原理如下：

无线通信及控制模块1中的单片机9为CC2530芯片（内嵌增强型8051核），负责运算和处理。无线通信及控制模块1由单片机9、无线信号收发电路10及外围电路组成，无线通信及控制模块1可在市场上直接购买。A/D接口7、I/O接口8是单片机9的引出脚。在试验电路中通过分压电阻取样，运算放大器LM358滤波得到稳定的模拟量。当A/D接口7采样到来自取样滤波电路11的模拟电压信号后，由单片机9自动转化为数字量，该数字量与直流电源14的电压成正比，经过数字滤波（采样4次后去平均值）传送给单片机9，单片机9根据该数字量的大小判断直流电源14是否欠压。

两个体外供电装置的单片机9通过无线信号收发电路10相互通讯。数据的内容主要是地址信息、A/D采样转换后的数字量、闭合或切断MOS开关管。通讯方式可以采用点对点通讯或物联网协议栈方式。

无线通信及控制模块1闭合或切断MOS开关管16的命令，由单片机9通过向I/O接口写1或0来实现的，写1表示闭合命令，写0表示断开命令。当I/O接口接到写1命令，I/O接口8引脚的输出电压为高电平，通过电平转换与隔离电路15将该信号转换为驱动MOS开关管16导通的驱动电压（10~15V）。当I/O接口8接到写0命令，I/O接口8引脚的输出电压为低电平，通过电平转换与隔离电路15将该信号转换为关闭MOS开关管16的驱动电压（0V或4V以下）。

由供电电感线圈13向受电电感线圈27以电磁场耦合方式传递电能，受电电感线圈27感应到的电流经整电路28整流得到直流电压，经过稳压电路29得到稳定的直流电压，这个直流电压供给起搏器30。

补偿电容17、26分别用来补偿供电电感线圈13和受电电感线圈27的无功功率损耗，且能提高从供电电感线圈13到受电电感线圈27的电磁场耦合能量的传输距离。

图3为单片机9的软件流程图。本发明中包含两个立体的体外供电装置31，通过编写程序设定其中一个为第一体外供电装置，另一个为第二体外供电装置。第一体外供电装置中的单片机、I/O接口、直流电源等相应的称为第一单片机、第一I/O接口、第一直流电源；而第二体外供电装置中的单片机、I/O接口、直流电源等相应的称为第二单片机、第二I/O接口、第二直流电源。

第一体外供电装置中，其包含的第一单片机9在上电时先检查第一直流电源的输出电压，如果第一直流电源欠压，向第二单片机发送第一直流电源欠压信息并向第一I/O接口写0；如果第一直流电源电压正常，再判断与第二单片机是否通讯成功，如果不成功，则向第一I/O接口写1；如果通讯成功，则需要进一步判断第二直流电源电压是否正常，如果第二直流电源欠压，则向第一I/O端口写1；如果第二直流电源电压正常，再判断第一I/O接口是否为高电平，不论是不是高电平，都维持原来的I/O接口的状态，然后将第一直流电源14电源电压的采样值、第一I/O接口的电平状态发送到第二单片机9；如此周而复始的不断循环。

当通讯刚成功时，如果第一、第二直流电源电压均正常，则第一单片机向第一I/O接口写高电平1，即发出闭合第一MOS开关管的命令；第二单片机向第二I/O接口写低电平0，即发出断开第二MOS开关管的命令。除此区别之外，二个体外供电装置的流程图基本相同。

单片机的I/O接口是双向端口，通过设定可作为输出接口使用，当接口输出1表示在该引脚输出高电平3.3V，经过光耦隔离与电平转换，从光耦输出10~15V的高电平驱动MOS开关管16，这时MOS开关管相当于一根导线上的开关闭合，MOS开关管上端与高频电源装置连接、下端与直流电源连接；当接口输出0表示在该引脚输出低电平0V，经过光耦隔离与电平转换，从光耦输出0V左右的低电平关闭MOS开关管，这时MOS开关管相当于一根导线上的开关断开，也就切断了高频电源装置与直流电源的连接。

在本发明中，高频电源装置采用推挽谐振方法将直流电转化成交流电，试验电路中该交流电频率为58kHz，然后通过线圈耦合方式将电能传递到体内，由受电电感线圈接收电磁能量并转化为电能。试验结果表明，进一步提高交流电频率可以提高从供电电感线圈13到受电电感线圈27的电磁场耦合能量的传输距离。

试验数据表明，体外供电装置的直流电源电压为18V较好，欠压值设定在17V，体外供电装置的直流电源输出电流，空载为50mA~60mA，保护电流设定为100 mA。正常的心脏起搏器用电电流仅为几十μA。为了提高可靠性，稳压电路29的稳压芯片选用LM2576HV-3.3V，其耐压值为60V，该芯片自带过压保护功能，当受电电感线圈27受到强磁场瞬时干扰时，采用过压保护的办法自动切断稳压电路的输出以防止电路遭受破坏，干扰消失后自动投入运行。LM2576HV-3.3V的引脚5为过压输入端。

本发明的双路互备非接触式心脏起搏器电源系统有较高的供电可靠性。