基于经皮能量传输的无线体内充电系统

摘要

一种应用于人工肛门括约肌假体的基于经皮能量传输的无线体内充电系统，包括：无线能量发射端和无线能量接收端，其中：无线能量发射端由逆变电路及发射线圈组成，无线能量接收端由LC谐振回路、整流滤波电路和负载电路组成。本发明易于小型化，质量轻便，便于植入，使整个人工肛门括约肌系统更加人性化。

说明书

技术领域

本发明设计一种医疗器械技术领域的装置，具体是一种适用于人工肛门括约肌的基于经 皮能量传输的无线体内充电系统。

背景技术

大便失禁是临床上常见的一种病症，据资料统计成年人的发病率高达2%，65岁以上者 发病率可达7%，实际上这种病症的发病率常因患者羞于求医而被低估。大便失禁是指肛管括 约肌失去对粪便及气体排出的控制能力，它容易造成多种并发症，不仅给患者带来极大痛苦， 而且给护理工作带来诸多困难，随着人口老龄化趋势的发展，大便失禁已经成为临床急需解决 的病症之一。

人工肛门括约肌是使用人造器官-人工肛门括约肌模拟正常肛门外括约肌的生理功能来 治疗大便失禁病症。国外在临床上已经将人工肛门括约肌(Artificial Anal Sphincter)用于外科治 疗大便失禁病症，并取得良好的效果。但能量供给问题一直是上述设备的“瓶颈”，早期体外拖 缆式供电方式因其术后的高感染率和并发症已被淘汰，对于大功耗移植设备传统电池供电也因 体积大寿命短而无法得到广泛应用。随着经皮能量传输（transcutaneous energy transfer,TET） 技术的不断发展，基于TET的充电电池供电成为此类设备的最佳选择，其安全性和便捷性不言 而喻。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN103296778A，公开日2013-09-11， 记载了一种无线能量传输系统，通过将无线能量传输系统的磁共振发射模块和磁共振接收模块 的共振线圈设计为平面螺旋导电线圈，调节线圈的螺旋圈数、线圈外径以及螺旋间距，对平面 螺线导电线圈的固定频率进行一定的调节，使平面螺线导电线圈的固有频率与系统工作频率完 全匹配，进而较大地提高能量传输效率。但该技术所设计的线圈较多，4个线圈的位置相对固 定，参数调节复杂，抗干扰性较低，不适用于植入式人工脏器的供电方式。

中国专利文献号CN103222199A，公开日2013-07-24，公开了一种用于无线电力发射 以为可嵌入可充电装置充电的设备，其包括：接收器，其经配置以从所述可嵌入可充电装置接 收所储存电力状态；以及发射器，其经配置以基于所述所储存电力状态而无线发射电力以为所 述可嵌入可充电装置充电。但该技术并未涉及到能量线圈的设计规范和要求，不适用于人工肛 门括约肌的无线电力。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于经皮能量传输的无线体内充电系 统，成功避免体外拖缆式供电方式的高感染率和并发症；并解决了传统TET系统需要随身佩戴 造成的诸多不便；其中的平面二维螺线磁芯线圈易于移植佩戴，传输效率高，使整个植入式人 工肛门括约肌系统更加人性化。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：包括：无线能量发射端和无线能量接 收端，其中：无线能量发射端由逆变电路及发射线圈组成，无线能量接收端由LC谐振回路、 整流滤波电路和负载电路组成。

所述的LC谐振回路由接收线圈和补偿电容组成；补偿电容大小为：其中： f为无线能量传输频率，L为线圈的电感值。

所述的负载电路包括：稳压电路、充电电路和括约肌假体。

所述的发射线圈和接收线圈均为：铁氧体磁环作为衬底、磁芯凸台、绕制于铁氧体磁环 上的二维螺旋线圈，该二维螺旋线圈由若匝多股Litz绞线组成，每匝绞线可由不同股数不同线 径的单根Litz线组成。

所述的括约肌假体包括：若干竖直排布的指节机构和收放执行机构，其中：指节机构为 圆环形结构且包括若干依次转动连接的指节件，收放执行机构包括：驱动绳、两个卷扬轮和与 充电电路的输出端相连的微型电机，其中：驱动绳顺次穿过指节机构的各个指节件，驱动绳一 端固定在末端指节件上，另一端穿过卷扬轮上设置的圆形孔，并固定在卷扬轮上，两个卷扬轮 与微型电机相连，通过卷扬轮实现驱动绳的收放，进而带动各个指节件沿径向收缩或扩张，实 现指节机构整体内径的变化。

技术效果

与现有技术相比，本发明系统小型化、质量轻，体内线圈植入腰部皮下，充电时将体外 发射线圈置于体内线圈上方，贴紧皮肤，打开体外发射系统便可对体内电池充电，冲完电后即 可移除体外发射系统，减少拖缆式和电池供电的高感染率和寿命短的缺点，使得人工肛门括约 肌方便人性化。此外，针对不同的充电过程中等效负载电阻的变化，系统无需复杂的控制电路， 依靠自身的阻抗特性响应即可保证体内接收电压均在安全范围内变化。

附图说明

图1为经皮能量传输系统示意图。

图2为充电电路示意图。

图3为二维螺旋线圈示意图。

图4为发射接收线圈截面图。

图5为人工肛门括约肌假体结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，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，本实施例包括：无线能量发射端1和无线能量接收端2，其中：无线能量 发射端由逆变电路及发射线圈8组成，无线能量接收端由LC谐振回路、整流滤波电路和负载 电路组成。

所述的LC谐振回路由接收线圈9和补偿电容组成，

所述的负载电路包括：稳压电路、充电电路和括约肌假体3。

所述的负载电路中，充电电路的输出端设有充电电池4。

如图2所示，所述的充电电路的输出端分别与括约肌假体3和充电电池4相连，该充电 电路内置BQ24072充电芯片，向600mA/4.2V充电锂电池进行充电，其中：充电电流设为 120mA，负载电路工作电流20mA，则输入电流需140mA，L7805-5V稳压芯片最小输入电压 6.5V，则最小输入功率约910mW。

如图3所示，所述的发射线圈8和接收线圈9均为包括：铁氧体磁环作为衬底5、磁芯 凸台7、绕制于铁氧体磁环5上的二维螺旋线圈6。

所述的二维螺旋线圈6由多股litz绞线组成，即由多股不同线径单根litz线编织而成， 以增加磁场强度，提高能量传输能力。

如图4所示，本实施例中的无线能量发射端中的发射线圈8的外径为60mm，厚5m， 凸台直径8mm厚3mm；LC谐振回路中的接收线圈9外径35mm，厚1mm，凸台直径5mm， 厚1mm，发射线圈8与接收线圈9同轴相对设置且绕线均大于两层。

进一步地，发射线圈8使用140股0.06mm（AWG42）线规litz线，接收线圈使用24 股0.06mm（AWG42）线规litz线，其线径满足：其中： d为单股litz线线径，δ为趋肤深度，μ0为真空磁导率，μr为磁性材料相对磁导率，σ为磁性 材料电导率。

根据图4所示的双层线圈的设计，在有效距离10～30mm，经皮能量传输系统最大传输 效率和接收功率分别为2400mW（23mm，54%）和81%（11mm，870mW）。体内电压变化 范围为6.2～17.6V，未超出安全范围。

如图5所示，所述的括约肌假体3包括：若干竖直排布的指节机构10和收放执行机构 11，其中：指节机构10为圆环形结构且包括若干依次转动连接的指节件12，收放执行机构11 包括：驱动绳（图中未示出）、两个卷扬轮13和与充电电路的输出端相连的微型电机14，其中： 驱动绳顺次穿过指节机构10的各个指节件12，驱动绳一端固定在末端指节件12上，另一端 穿过卷扬轮13上设置的圆形孔，并固定在卷扬轮13上，两个卷扬轮13与微型电机14相连， 通过卷扬轮13实现驱动绳的收放，进而带动各个指节件12沿径向收缩或扩张，实现指节机构 10整体内径的变化。

所述的驱动绳在每个指节结构上设有两根，分别设置于指节件12的两侧，从而整体上 分别位于指节结构的内径侧和外径侧且对应控制缩和控制放。

所述的位于指节机构10的首端和尾端的两个指节件12分别与卷扬轮13转动连接。

所述的指节件12的结构为：中部为长方形主体，前端和末端为用于转动连接的连接部 15，两侧为设置驱动绳的穿线孔16。

所述的连接部15为开有通孔17的耳板结构，不同指节件12的两个耳板结构分别由插 销件相连。