一种无线电能传输的可植入式左心室辅助系统

摘要

本发明公开了一种无线电能传输的可植入式左心室辅助系统，包括体内模块和体外模块，体内模块与体外模块之间无任何传输线；所述的体外模块包括强电供电单元、供电端功率变换单元、谐振变换单元、松耦合变压器的原边线圈，供电端弱电供电单元、供电端控制器、开关管驱动单元、光耦隔离单元、电流采样单元、供电端信号调理单元、保护单元、电池状态显示模块以及用于接收电池状态信息的解调器；所述的体内模块包括松耦合变压器的副边线圈、受电端谐振变换单元、受电端功率变换单元及受电端控制器、电池充电管理模块、电池、调制器和血泵。本发明结构简单紧凑，体积小、重量轻，避免了在患者皮下钻导线孔。

说明书

技术领域

本发明属于一种医疗器械，具体涉及一种无线电能传输的可植入式左心室辅助系统。

背景技术

左心室辅助装置系统（Left Ventricular Assist Devices System,简称：LVADS）主要用于治疗冠状动脉粥样硬化性心脏病、高血压性心脏病、心肌病等充血性心力衰竭的病人。LVADS是将血液从病人的左心室抽出，经血泵加压输送至主动脉的装置。该装置由泵主体、控制系统和供电系统三大部分组成。其用途是部分或完全代替心脏功能维持血液循环；其一减轻心脏负荷，增加冠脉流量，使衰竭的心脏得以在低代谢、卸负荷的状态下恢复功能；其二是保证全身重要生命器官的灌注，防治多器官功能衰竭，以保证进一步治疗之有效。

现有的左心室辅助装置系统的体内部分与体外部分通过连接线连接，患者需要永久随身携带电池包，由于具有连接线，需用在手术时在患者皮下钻导线孔，增加了术后感染的风险，不利于患者恢复。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提供了一种结构简单紧凑，体积小、重量轻的无线电能传输的可植入式左心室辅助系统，避免了在患者皮下钻导线孔，更易于将血泵植入体内；大大提高患者生活自由度，无感染风险，提高了患者术后愈合速度，降低患者术后维护成本。

本发明包括如下技术方案：

一种无线电能传输的可植入式左心室辅助系统，包括体内模块和体外模块，体内模块与体外模块之间无任何传输线；所述的体外模块包括强电供电单元、供电端功率变换单元、谐振变换单元、松耦合变压器的原边线圈，供电端弱电供电单元、供电端控制器、开关管驱动单元、光耦隔离单元、电流采样单元、供电端信号调理单元、保护单元、电池状态显示模块以及用于接收电池状态信息的解调器；

所述的体内模块包括松耦合变压器的副边线圈、受电端谐振变换单元、受电端功率变换单元及受电端控制器、电池充电管理模块、电池、调制器和血泵；

强电供电单元的输出端分别与供电端功率变换单元、供电端弱电供电单元和保护单元相连；供电端功率变换单元分别与谐振变换单元的输入端、开关管驱动单元的输出端相连；谐振变换单元的输出端分别与松耦合变压器的原边线圈、解调器和电流采样单元相连；强电供电单元将市电整流为直流电，所述直流电具有母线电流和母线电压；强电供电单元分别将母线电流和母线电压输入至保护电路，并将产生的直流电分别输入至供电端功率变换单元和供电端弱电供电单元；供电端弱电供电单元将接收的直流电进行功率变换以便为光耦隔离单元、供电端控制器、保护单元、信号调理单元供电；供电端功率变换单元在开关管驱动单元的控制下将接收的直流电转换为高频交流电，并将所述高频交流电输入至谐振变换单元；谐振变换单元将接收的高频交流电进行调理获得功率因数更高的高频交流电，并将所述功率因数更高的高频交流电输入至松耦合变压器的原边线圈；松耦合变压器的原边线圈将接收的功率因数更高的高频交流电发送至松耦合变压器的副边线圈；

电流采样单元将采集的所述功率因数更高的高频交流电的电流i_ac输入至信号调理单元，信号调理单元对电流i_ac进行调理后获得调理后的电流i_dc，调理后的电流i_dc输入至供电端控制器；供电端控制器根据所述调理后的电流i_dc输出用于调整开关管驱动单元的控制信号；保护单元根据所述母线电流、母线电压和直流电流i_dc输出保护信号至供电端控制器，供电端控制器根据所述保护信号确定是否对功率变换单元进行保护；供电端控制器输出的控制信号通过光耦隔离单元发送至开关管驱动单元；

松耦合变压器的副边线圈将接收的电能发送至受电端谐振变换单元、受电端谐振变换单元进行无功功率补偿后发送至受电端功率变换单元，受电端功率变换单元进行电能变换后发送至受电端控制器；受电端控制器通过电池充电管理模块向电池充电，同时受电端控制器与血泵相连，以便控制血泵的运转；电池向血泵供电，血泵用于辅助心脏工作；

电池输出的电池状态信息通过调制器调制后发送至受电端控制器，受电端控制器根据调制后的电池状态信息控制受电端功率变换单元使得受电端功率变换单元输出搭载电池状态信息的高频交变的电流，所述搭载电池状态信息的高频交变的电流通过受电端谐振变换单元和副边线圈发送至原边线圈，原边线圈与供电端谐振变换单元将接收的搭载电池状态信息的高频交变的电流发送至解调器，通过解调器进行解调获得解调后的电池状态信息，解调后的电池状态信息送入供电端控制器，通过供电端控制器控制电池状态显示模块显示电池状态信息，以便进行及时充电。

所述受电端控制器根据调理后的电流i_dc输出电池充满状态信息至电池状态显示模块。

所述用于调整开关管驱动单元的控制信号为PWM信号，所述受电端控制器根据调理后的电流i_dc输出用于调整开关管驱动单元的控制信号的方法如下：判断当前周期的i_dc是否大于前一周期的值；

如果当前周期的i_dc大于前一周期的值时，判断当前频率是否大于前一个周期的频率，如果大于前一个周期的频率，则提高PWM信号的工作频率，如果小于前一个周期的频率，则降低PWM信号的工作频率；

如果当前周期的i_dc小于前一周期的值时，判断当前频率是否大于前一个周期的频率，如果大于前一个周期的频率，则降低PWM信号的工作频率，如果小于前一个周期的频率，则提高PWM信号的工作频率。

所述供电端功率变换单元包括电感L、电容C和功率管Q；电容C的一端与功率管Q的集电极相连，电容C的另一端与功率管Q的发射极两端，电感L的一端作为输入，电感L的另一端与功率管的集电极相连；功率管Q的基极与开关管驱动单元的输出端相连；电容C的两端分别与谐振变换单元的输入端相连。

所述的松耦合变压器的原边线圈和副边线圈均为匝数为15匝、直径为50mm的多股绞合线线圈。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明中所涉及的无线电能传输技术，利用了电磁感应式无线电能传输技术，体外模块与体内模块相互之间无任何电线连接，分别处于患者的体内与体外。患者摆脱了可植入式左心室辅助系统体内部分与体外部分的连接线，避免了在患者皮下钻导线孔，更易于将血泵植入体内；大大提高了患者生活自由度，无感染风险，提高了患者术后愈合速度，降低了患者术后维护成本；结构简单，可实现高速，长期和连续运行。本发明具有结构简单紧凑，运行可靠，维护方便，效率高，患者无感染风险，不影响患者日常生活等特点，尤其是体积小和重量轻，特别适用于对体积，重量和温升都有苛刻要求的左心室辅助系统。

本发明通过信息、能量同载波传输，不仅可以减小系统装置体积，还能避免无线信息收发模块与无线能量传输线圈之间的干扰，使得系统工作更加稳定。

附图说明

图1为无线电能传输的可植入式左心室辅助系统组成示意图。

图2为单功率管谐振变换电路示意图。

图3为信号调理单元示意图。

图4为保护单元示意图。

图5为频率跟踪算法示意图。

具体实施方式

下面就结合附图对本发明做进一步介绍。

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本发明的无线电能传输的可植入式左心室辅助系统，包括体内模块和体外模块，体内模块与体外模块之间无任何传输线；所述的体外模块包括强电供电单元、供电端功率变换单元、谐振变换单元、松耦合变压器的原边线圈，供电端弱电供电单元、供电端控制器、开关管驱动单元、光耦隔离单元、电流采样单元、供电端信号调理单元、保护单元、电池状态显示模块以及用于接收电池状态信息的解调器；所述的体内模块包括松耦合变压器的副边线圈、受电端谐振变换单元、受电端功率变换单元、受电端控制器、电池充电管理模块、电池、调制器和血泵。

强电供电单元的输出端分别与供电端功率变换单元、供电端弱电供电单元和保护单元相连；供电端功率变换单元分别与谐振变换单元的输入端、开关管驱动单元的输出端相连；谐振变换单元的输出端分别与松耦合变压器的原边线圈、解调器和电流采样单元相连；强电供电单元将市电整流为直流电，所述直流电具有母线电流和母线电压；强电供电单元分别将母线电流和母线电压输入至保护电路，并将产生的直流电分别输入至供电端功率变换单元和供电端弱电供电单元；供电端弱电供电单元将接收的直流电进行功率变换以便为光耦隔离单元、供电端控制器、保护单元、信号调理单元供电；供电端功率变换单元在开关管驱动单元的控制下将接收的直流电转换为高频交流电，并将所述高频交流电输入至谐振变换单元；谐振变换单元将接收的高频交流电进行调理获得功率因数更高的高频交流电，并将所述功率因数更高的高频交流电输入至松耦合变压器的原边线圈；松耦合变压器的原边线圈将接收的功率因数更高的高频交流电发送至松耦合变压器的副边线圈。

电流采样单元将采集的所述功率因数更高的高频交流电的电流i_ac输入至信号调理单元，信号调理单元对电流i_ac进行调理后获得调理后的电流i_dc，调理后的电流i_dc输入至供电端控制器；供电端控制器根据所述调理后的电流i_dc输出用于调整开关管驱动单元的控制信号；保护单元根据所述母线电流、母线电压和直流电流i_dc输出保护信号至供电端控制器，供电端控制器根据所述保护信号确定是否对功率变换单元进行保护；供电端控制器输出的控制信号通过光耦隔离单元发送至开关管驱动单元。

松耦合变压器的副边线圈将接收的电能发送至受电端谐振变换单元、受电端谐振变换单元进行无功功率补偿后发送至受电端功率变换单元，受电端功率变换单元进行电能变换后发送至受电端控制器；受电端控制器通过电池充电管理模块向电池充电，同时受电端控制器与血泵相连，以便控制血泵的运转；电池向血泵供电，血泵用于辅助心脏工作；

电池输出的电池状态信息通过调制器调制后发送至受电端控制器，受电端控制器根据调制后的电池状态信息控制受电端功率变换单元使得受电端功率变换单元输出搭载电池状态信息的高频交变的电流，所述搭载电池状态信息的高频交变的电流通过受电端谐振变换单元和副边线圈发送至原边线圈，原边线圈与供电端谐振变换单元将接收的搭载电池状态信息的高频交变的电流发送至解调器，通过解调器进行解调获得解调后的电池状态信息，解调后的电池状态信息送入供电端控制器，通过供电端控制器控制电池状态显示模块显示电池状态信息，以便进行及时充电。

本发明中的所有组成单元均采用硬件电路搭建。

为了减小系统体积，所述的供电端功率变换单元由单功率管谐振变换电路组成，该功率变换单元具有开关损耗小，变换效率受发射线圈与接收线圈距离影响较小。如图2所示，所述供电端功率变换单元包括电感L、电容C和功率管Q；电容C的一端与功率管Q的集电极相连，电容C的另一端与功率管Q的发射极两端，电感L的一端作为输入，电感L的另一端与功率管的集电极相连；功率管Q的基极与开关管驱动单元的输出端相连；电容C的两端分别与谐振变换单元的输入端相连。

为了增加系统功率容量及无功功率补偿，将高频交流电通过谐振变换单元调理，使得得到的高频交流电具有更高的功率因数。

强电供电单元输出的信号经供电端弱电供电单元进行功率变换，以便达到供电端控制器、光耦隔离单元、供电端信号调理单元和保护单元所需功率等级。供电端弱电供电单元分别与供电端控制器、光耦隔离单元、供电端信号调理单元和保护单元相连并提供电能。为了隔离强电与弱电之间的电磁干扰，供电端控制器输出的PWM信号经过光耦隔离单元，通过开关管驱动单元与供电端功率变换单元相连并控制功率变换单元的功率管Q工作。

如图3所示，信号调理单元包括两个运算放大器Q₁与Q₂、两个二极管D₁与D₂、和多个电阻，其中两个二极管的型号为SMBYT01-400，两个运算放大器的型号均选为TL084。通过对电流i_a采样，通过二阶低通滤波器加电压提升，将正负变化的交流信号提升为单极性的0～3.3V范围内的信号i_dc，接入供电端控制器。供电端控制器一方面可以根据所述信号i_dc调整所述PWM信号的频率；另一方面可以根据信号i_dc的值向电池状态显示模式输出电池充满信息。

保护电路由母线电流过流保护电路、原边谐振电流过流保护电路，母线欠压保护电路三部分组成。设定母线电流大于母线电流阈值时，产生过流保护信号；原边谐振电流峰值超过原边谐振电流阈值时，产生过流保护信号，直流母线电压低于直流母线电压阈值时，产生欠压保护信号，三路保护信号经过与非门后送到供电端控制器的功率驱动保护中断入口，继而控制器直接封锁所有PWM信号，保护电路上的元器件不被损坏。由于患者在呼吸及运动过程中，会改变发射线圈与接收线圈之间距离，造成系统电气特性变化(例如线圈电流i_ac的变化)。需要设计相应的原边谐振电流过流保护电路，来保证系统正常运行。原边谐振电流过流保护电路由滞回比较器构成，如图4所示，当经过调理的线圈电流i_dc过流时，产生原边谐振电流过流保护信号。图中R₆的电阻为变阻器，在电路中根据过流保护的阈值调节电阻值。当信号低于这个阈值时，信号经运算放大后输出，当信号超过阈值时，输出电平翻转。滞回比较器输出原边谐振电流过流保护信号。母线电流过流保护电路，母线欠压保护电路与原边谐振电流过流保护电路类似，再此不再详细描述。

为了将体内的电池状态信息发送回体外模块，通过调制器将电池状态信息搭载到交变电流中，并传回体外模块中。受电端控制器的作用是控制血泵运转在期望工况下。受电端功率变换单元对接收的电能进行变换后发送至受电端控制器，受电端控制器通过电池充电管理模块向电池充电，电池向血泵供电。同时受电端控制器与血泵相连，以便控制血泵的运转，来维持心脏正常运作。

在植入式左心室辅助系统中，对体内部分的体积要求非常严格，以往的无线电能传输系统，大都用独立的无线收发模块来进行体内部分与体外部分之间的信息通讯。这种方式不仅增加了体内部分的体积，并且容易受到传输能量的松耦合变压器的电磁干扰而发送错误的信息，造成整个系统工作不稳定甚至不能工作。本发明将体内模块的电池状态信息通过调制器，将信息搭载到高频交变的电流中，原边线圈接收到交变电流后，通过解调器将信息还原后送入供电端控制器中，通过供电端控制器控制电池状态显示模块显示电池状态信息，所述电池状态信息一般为电池欠电信息，以便提醒用户进行及时充电。

用户在进行无线充电的过程中，由于体内体外线圈的距离随着呼吸、线圈摆放位置、皮肤厚度不同时期的不同，会影响传输效率。无线电能传输技术研究结果表明，当工作频率与谐振频率相等时，系统传输效率最高。而原边线圈电流实时反映工作频率与谐振频率的偏差，因此，优选地，采用图5所述的频率跟踪算法实时地调整工作频率，使得系统传输效率最高；并且该算法在不增加系统硬件的情况下，达到对系统的控制。具体方法如下：判断当前周期的idc大于前一周期的值；当当前周期的idc大于前一周期的值时，判断当前频率是否大于前一个周期的频率，如果大于前一个周期的频率，则提高工作频率，如果小于前一个周期的频率，则降低工作频率；当当前周期的idc小于前一周期的值时，判断当前频率是否大于前一个周期的频率，如果大于前一个周期的频率，则降低工作频率，如果小于前一个周期的频率，则提高工作频率；从而获得使得系统达到最大效率传输状态的PWM脉冲控制信号。

由于体内部分需要植入患者体内，要求体积小，效率高，发热量少。所述的松耦合变压器选用在高频情况下趋肤效应及邻近效应小的多股绞合线（litz）。具有体积小，散热好等优点。所述的松耦合变压器具体由两个15匝、直径为50mm的litz线圈组成。

在第一次使用时，需要给电池充电，将体外模块接上交流电，然后将体外模块贴近皮肤，通过体外模块向体内模块的电池充电；通过体内模块的电池充电管理模块控制电池充电的不同状态（依次为恒流充电、恒压充电、涓流充电三种状态）。当电池充电在涓流充电状态，原边i_ac接近于零，当原边i_ac在接近于零状态下保持15分钟以上，可以认为电池已经充满，此时在电池状态显示模块输出电池充满的信息，用户可以拿掉体外模块，从而可以只利用体内电池对血泵进行供电。当体内电池没电时，通过体外模块的电池状态显示模块进行显示，以便提醒用户将体外模块贴近皮肤，继续为电池充电。

本发明未详细描述的内容属于本领域公知常识。