用于植入式医疗仪器的经皮闭环控制充电装置

摘要

用于植入式医疗仪器的经皮闭环控制充电装置属于植入式医疗仪器技术领域，其特征在于：它含有体外充电器和体内植入式医疗仪器。体外能量发射线圈为大尺寸扁平状磁芯线圈，体内能量接收线圈为空心线圈，采用中心轴平行的谐振电磁耦合方式，体外能量发射线圈发射电磁能量，体内能量接收线圈获得的电能通过体内充电控制电路为体内充电电池进行充电。通过脉冲位置调制方式通信进行闭环控制，以保证不同充电阶段植入式医疗仪器接收到的能量在正常范围内，有效控制发热，提高安全性，同时通过体内反馈参数进行效率计算，实现对位提示，提高充电效率。本发明的经皮无线充电方法，可经过钛外壳为植入式医疗仪器充电，充电过程安全、可靠，可应用于与脑深部刺激器应用功率等级相当的各类植入式医疗仪器。

说明书

技术领域

本发明涉及用于植入式医疗仪器的经皮闭环控制充电装置，属于植入式医疗仪器技术领域。

背景技术

植入式医疗仪器种类很多，应用范围也很广，如心脏起搏器、脑起搏器、肌肉刺激器、人工耳蜗等。各类植入式医疗仪器普遍价格高昂，但寿命大多较短。限制植入式医疗仪器寿命的主要因素是电池的容量，现有的植入式医疗仪器产品多采用高能量密度的锂原电池进行供电。一般植入式医疗仪器只有3到5年左右的寿命。一旦电池能量耗尽，患者便不得不重新接受手术，更换植入式医疗仪器，不仅为患者造成身体上的创伤，昂贵的价格也为患者带来巨大的经济压力。对于植入式医疗仪器，能量供应已经成为限制其发展的一个瓶颈问题。

为延长植入式医疗仪器的使用寿命，可充电的锂电池开始作为锂原电池的替代品应用于植入医疗领域。相对于锂原电池，锂充电电池以更小的体积、更轻的重量为植入式医疗仪器提供更长时间的电能支持。植入式医疗仪器植入患者体内，与体外充电装置间有皮肤等组织隔离，需要经皮无线充电方式，一般基于电磁耦合原理，利用电磁场穿透人体皮肤向植入式医疗仪器传递电能。

植入式医疗仪器一般使用生物相容性的金属钛密封，一方面形成了较强的电磁屏蔽，另一方面使得在体外很难对植入体内的钛外壳内部的线圈和电路准确定位。中国发明专利“可充电的脑深部刺激器”(申请号200410019937.X)给出的无线充电方案基于传统的变压器方式，发射线圈和接收线圈分别绕制于相同尺寸的“U”型磁芯上，要求将两个线圈的磁芯对正位置实现电磁耦合，但是，接收线圈被封装在植入式医疗仪器内部，其准确定位非常困难，发射线圈和接收线圈的磁芯很容易产生偏差，从而导致能量传输效率的大大降低，充电的稳定性无法得到保证；另外，U型结构磁芯要求磁芯具有较大的高度，很难实际应用于追求轻薄、小型化的植入式医疗仪器。美国发明专利申请“植入式医疗仪器能量传输和遥测驱动电路切换设计”(公开号US20050075693A1)给出一种植入式医疗仪器能量传输系统的设计，但和安全性密切相关的发热问题并没有从设计的角度根本解决，而是通过使用特殊材料来降低发热，增加了相应机械设计的复杂性和成本。PCT发明专利申请“闭环长距离充电”(公开号WO2009/055579A1)给出了一种闭环设计方法，旨在解决充电对病人日常活动的中断，但为了实现上述目的，该专利使用了多个体外能量发射线圈，通过闭环控制选择与体内能量接收线圈最接近的体外线圈组(可以为多个)与体内进行能量传递。该方法有两个最大的问题：一是发热问题，可以通过风扇等或者内部采用特殊材料来保证发热在规定范围内。第二是调节响应速度问题，因为需要不停进行闭环控制选择合适的体外能量发射线圈，这个过程耗时会比较长，可能会带来体内发热的问题，而且随着病人动作，这一过程还需要重复进行。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种能够满足植入式医疗仪器如脑深部刺激器要求的安全可靠的经皮无线闭环控制充电装置，体外采用扁平状磁芯线圈，体内采用空心线圈，实现从体外向植入体内的医疗仪器进行充电，通过闭环控制能够有效的控制体内接收能量的大小，防止体内医疗仪器温度过高对人体的影响，同时体外充电器通过电路设计即可保证不存在发热超过人体体温的问题。另外，能够通过充电效率计算来实现体内外线圈对位提示，提高充电效率，提高可靠性和安全性。闭环控制实现不同充电阶段体外向体内初始发射能量不同，在此基础上进一步通过闭环反馈对发射能量进行微调，实现快速调节，避免体内发热超过规定范围。在充电启动开始阶段，即初始对位期间，上述充电和与体内通信频次可以增加。本申请可以将充电器能量发射线圈固定在体内植入医疗仪器附近，病人可以活动。此外，本发明能在充电开始阶段，对体外通信线圈耦合到的信号进行采样(此时通信电路不用做通信功能)，快速反映体内充电状态，提高初始充电对位速度，避免初始对位速度慢带来的体内发热问题，提高可靠性和安全性。

为了实现上述发明目的，本发明采用如下的技术方案：用于植入式医疗仪器的经皮闭环控制的充电装置，其特征在于，包括体外充电器和体内植入式医疗仪器，其中：

体外充电器，包括充电部分和天线部分，其中

天线部分，有一个外壳，在该外壳内置有：体外通信线圈、体外能量发射线圈和一个体外能量发射线圈温度传感器，其中

体外能量发射线圈，是一种扁平状磁芯线圈，由一个发射线圈和同轴安置的磁芯组成，

体外能量发射线圈温度传感器，测量该体外能量发射线圈的温度；

体外通信线圈，是一种扁平状磁芯线圈，由一个通信线圈和同轴安置的磁芯组成，该磁芯与体外能量发射线圈所用磁芯为同一类型的磁芯；

充电部分，包括：供电电路、驱动放大电路、功率放大/接收电路、用电阻构成的电流采样电路、电源变换电路、通信/充电切换开关、电压采样电路、充电保护开关，以及第一微处理器，其中：

供电电路，设有：依次串接的保险丝和二极管，还有一个体外电池充电供电器，体外的可充电电池依次经所述保险丝、二极管和所述电压采样电路向所述第一微处理器供电，同时所述电压采样电路第一输出端和充电保护开关的电压检测端相连，所述电压采样电路的第二输出端和所述第一微处理器的电压采样输入端相连，外部的交流电源通过所述体外电池充电供电器接到所述电压采样电路输入端，同时，所述体外电池充电供电器经过所述保险丝向所述外部的可充电电池充电，

驱动放大电路，由一个驱动芯片组成，该驱动芯片的驱动控制信号输入端与所述第一微处理器的驱动控制信号输出端相连，

功率放大/接收电路，由四个功率场效应管以全桥拓扑方式相串接而成，该功率放大/接收电路的发射信号输入端与驱动放大电路的输出端相连，

电源变换电路，采用Buck或Boost或Sepic电路中的任何一种，该电源变换电路的输入端与所述电流采样电路的输出端相连，分别向所述第一微处理器输出电压信号，向驱动芯片和功率放大/接收电路供电，

充电保护开关，是一个CMOS电子开关，该充电保护开关控制端与所述第一微处理器输入端相连，充电保护开关输入端与电压采样电路输出端相连，充电保护开关输出端与电流采样电路输入端相连，

通信/充电切换切换开关，共有两个，其中

第一通信/充电切换开关，是一个CMOS电子开关，输入端与所述功率放大/接收电路的输出端相连，该第一通信/充电切换开关的输出端则与第一微处理器的PPM通信解码单元的输入端相连，所述第一通信/充电切换开关的控制端则与所述第一微处理器的通信/充电切换控制信号输出端相连，

第二通信/充电切换开关，是一个多路选择器，设有：通信接收信号输入端，与所述体外通信线圈的输出端相连，有一个功率放大/接收电路能量发射信号输出端，连接到所述体外能量发射线圈的输入端，另外有一个功率放大/接收电路能量发射信号输出端，连接到所述体外通信线圈的输入端，由所述第二通信/充电切换开关进行控制，所述第二通信/充电切换开关的控制端与所述第一微处理器的所述通信/充电切换控制信号的输出端相连，所述这两个通信/充电切换开关在所述第一微处理器控制下实现体外通信与充电之间的切换；

体内植入式医疗仪器包括：安置在一个钛壳内的下列各组成部分：第二微处理器，能量接收线圈、钛壳的和能量接收线圈的两个温度传感器、体内通信线圈、充电控制部件、充电电池、通信处理电路和治疗模块，其中：

能量接收线圈，呈扁平状，大小和重量都小于所述体外能量发射线圈，但两者呈中心轴平行放置，用于接收所述能量发射线圈输出的电磁能量，

充电控制部件，由整流滤波电路、充电控制电路、充电电池和第二微处理器依次串联构成，其中：

整流滤波电路，输入端与所述能量接收线圈的输出端相连，把电磁能量由交流信号转换为直流信号，

充电控制电路，采用芯片MCP73841，输入端与所述整流滤波电路的输出端相连，而充电电压采样信号输入/出端、电池温度采样信号输入/出端以及充电电流输出端与所述充电电池的对应端相连，

充电电池，输出端与所述第二微处理器的电压信号输入端相连，

通信电路，输出端与所述第二微处理器的PPM编解码单元的输入端互连，该通信电路与所述体内通信线圈互连，接收所述体外通信线圈发射的信号，或者向体外通信线圈发射信号；

治疗模块，输入端与所述第二微处理器的治疗信号输出端相连；

第二微处理器，设有：钛壳温度信号输入端、能量接收线圈温度输入端，以及从所述充电控制电路输出的充电电量采样信号的输入端和充电电池的温度信号的输入端，此外，还有一个来自所述整流滤波电路的输出电压信号的输入端，

所述充电控制电路分下述三个阶段对所述充电电池进行充电控制：按充电电池电压小于设定值以下的预充电、恒流充电以及达到所要求的充电电压后的充电，在充满后停止充电，并把充满后的充电电压和所述充电电池的温度由所述第二微处理器通过体内的所述通信电路、体内通信线圈后发往体外，同时也把所述钛壳温度、能量接收线圈温度发往体外，所述第一微处理器在通信阶段收到了经体外通信线圈、所述功率放大/接收电路和PPM通信解码电路发来的由所述植入式医疗仪器发出的各信号后，用显示方式提示用户如何调整所述体外能量发射线圈的位置和角度，以实现更好的电磁耦合状态以提高充电效率，一旦充电已满，或者是体外能量发射线圈的温度、能量接收线圈的温度超过正常范围时，则所述第一微处理器通过充电保护开关切断供电以停止能量发射。

进一步的，所述体内能量接收线圈采用空心线圈，置于钛壳内部。所述体外能量发射线圈采用扁平状磁芯线圈，并且体外能量发射线圈和体内能量接收线圈采用中心轴平行方式放置，通过效率计算提示线圈对位状况，提高了充电的稳定性及可靠性。尤其，在充电初始阶段，通过提示可以快速实现线圈耦合对位，防止体内能量接收线圈温度短时间急剧升高，有效保证安全性。在不同充电阶段，根据通信反馈信息做闭环控制，自动调整体外能量发射线圈的发射强度，有效控制体内线圈的接收能量，从而保证体内装置发热在正常范围内。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：(1)本发明的经皮无线充电装置能够穿过皮肤和钛壳对植入人体的医疗仪器进行充电，延长了植入式医疗仪器的使用寿命，减轻了患者再次手术的痛苦和经济负担；(2)减小了植入式医疗仪器的尺寸和重量，从而减小了植入式医疗仪器作为人体内的异物对患者身体的不良影响，改善了患者的生活质量；(3)通过闭环控制能够有效的控制充电过程中体内接收能量的大小，防止体内装置温度过高对人体的影响，提高安全性；(4)能够通过充电效率反馈，实现体、内外线圈对位自动提示，提高充电效率，提高可靠性和安全性；(5)能在充电初始对位过程中，体外通信电路不用做通信功能，而是对充电过程中其上耦合到的信号进行采样，可以快速反映体内充电状态，提高初始充电对位速度，避免初始对位速度慢带来的体内发热问题，提高可靠性和安全性；(6)全国有上千万可使用植入式医疗仪器的患者，本发明具有极高的经济效益和社会效益。

附图说明

图1是本发明的整体示意图。

图2是本发明的体外发射线圈和体内接收线圈电磁耦合示意图。

图3是充电总体设计原理示意图。

图4是本发明的体内部分原理框图。

图5是闭环控制示意图。

图6是充电各阶段能量发射示意图。

图7是充电过程中充电和通信时序分配图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的用于植入式医疗仪器的经皮无线充电装置的实施方式做出详细说明。

如图1所示，本发明的用于植入式医疗仪器的经皮闭环控制充电装置，由体外充电器和体内植入式医疗仪器14组成；其中体外充电器由充电部分10和天线部分39组成。天线部分39包括体外通信线圈11、体外能量发射线圈13和体外通信线圈和体外能量发射线圈共用磁芯12等；植入式医疗仪器钛壳14内部包括体内通信线圈15、能量接收线圈16、充电控制电路17、充电电池18等。

内置磁芯12的体外能量发射线圈13和体内能量接收线圈16通过电磁耦合实现经皮肤和钛外壳14的电磁能量传递。植入体内的能量接收线圈16所占空间较小，以减轻植入式医疗仪器的体积和重量。对于体外能量发射线圈13和磁芯12的限制较少，可以通过改变线圈匝数和磁芯形状、大小，调整体外能量发射线圈的激励电压和频率等，来提高发射功率以及能量发射线圈和能量接收线圈之间的耦合效率，从而提高体内能量接收线圈所能获得的能量。体外通信线圈11和体内通信线圈15通过耦合方式进行体内外信号传递，用于体、内外信息双向传递。

如图2所示，用于植入式医疗仪器的经皮闭环控制充电装置的体外能量发射线圈13为磁芯线圈，12为所述磁芯，磁芯的使用可以调节电感量、匝数等和能量传输效率密切相关的参数，以提高耦合效率。本申请所述装置的磁芯12和体外能量发射线圈13不存在发热超出人体能承受的正常范围的问题，无需采用特殊材料散热，安全简单。体内能量接收线圈16为空心线圈，接收线圈和发射线圈采用中心轴平行方式放置。所述植入体内的能量接收线圈16要求放入钛壳内并且占用空间较小，体外的能量发射线圈13为扁平状，其面积略大于体内能量接收线圈16，其内部是1块扁平状的圆柱磁芯12。所述体外能量发射线圈及磁芯形状设计为扁平状且重量较轻主要为了充电过程中方便定位。当体外能量发射线圈13相对于体内能量接收线圈16发生中心轴偏移的时候，本装置在位置容差为1cm的范围内均能保证耦合效果较好，体内植入医疗仪器的发热在正常范围内，同时，体外能量发射线圈13，磁芯12和体内能量接收线圈16温度在正常范围内。线圈耦合的容差性和充电的稳定性得到保证。当线圈的位置发生变化时，充电系统通过效率显示给出对位提示，保证充电过程中高的充电效率。相比已有技术，在不同充电阶段，通过闭环控制调整体外能量发射线圈的发射功率，保证体内植入式医疗仪器发热在正常范围内，充电操作更为简单，充电过程更为稳定、安全。

如图3所示，用于植入式医疗仪器的经皮闭环控制充电装置的体外充电器部分包括充电部分10和天线部分39。

其中，能量发射线圈13置于天线外壳39内，天线外壳内还包括体外通信线圈11，磁芯12，体外能量发射线圈温度传感器31。充电过程中天线外壳39贴近植入体内的植入式医疗仪器进行充电，充电距离1.5cm左右。体外通信线圈11用于体内、外双向通信，通信距离大于充电距离。能量发射线圈温度传感器31的温度采样信号送入第一微处理器32做过温保护判断，当温度超出正常范围，微处理器会通过充电保护开关38切断充电过程。

充电部分10包括供电电路300、驱动放大电路37、功率放大/接收电路33、电流采样电路301、电源变换电路34、通信/充电切换开关330和331、电压检测302、充电保护开关38，PPM通信解码电路35，以及第一微处理器32等。供电电路300所示，可以由生活所用的交流电源或者可充电电池为充电器供电。具有负载均分功能，即当交流电源插入时，交流电源一方面直接给充电器供电，一方面给可充电电池充电；当交流电源不连接时，由可充电电池供电。交流体外电池充电器采用变压器隔离结构。

功率放大接收电路33主要由构成全桥拓扑的四个功率场效应管组成，第一微处理器32发出的不同的驱动脉冲信号，经过驱动放大电路37(驱动芯片为TC4424)后，实现功率放大电路或者通信接收电路。

第一微处理器32发出两路相位差180度的驱动脉冲信号，频率8kHz-38kHz，经过驱动放大电路37中的驱动芯片形成带死区的驱动脉冲驱动功率放大/接收电路33中的全桥拓扑的四个功率场效应管，输出发射能量，驱动芯片具有集成的供电电路，设计简单可靠，激励体外能量发射线圈13产生电磁场，向体内发射能量。在发射能量的过程中，通信线圈11定时接收从体内发出的充电状态等信号，通信频率为100-200kHz。在通信充电切换电路信号作用下，开关331使体外通信线圈11与功率放大接收电路33连通，开关330使PPM通信解码电路35与功率放大接收电路33连通，通过功率放大接收电路33接收到的通信信号经过35处理后被传送至第一微处理器32后进行计算，进而在显示单元30显示当前的体内充电状态，显示充电效率，提示用户如何调整体外能量发射线圈13的位置和角度，达到更好的电磁耦合状态以提高充电效率。微处理器32根据当前的充电状态判断是否继续供电，如电池电量已满或植入式医疗仪器所测温度超过正常范围或者体外能量发射线圈13温度超过正常范围则切断充电器供电、停止充电。

PPM通信解码电路35由滤波电路、整形电路和脉宽拓展电路组成。

如图4所示，用于植入式医疗仪器的经皮闭环控制充电装置的体内部分包括第二微处理器41，体内能量接收线圈16、钛壳和能量接收线圈温度传感器44、体内通信线圈15、充电控制部件(包括整流滤波电路40、充电控制电路17、充电电池18和第二微处理器41)、充电电池、通信处理电路和治疗模块。

电池18给治疗模块42及第二微处理器41和通信电路43供电。充电控制电路17具有低功耗、小体积、高电压调节精度、电池温度监测、安全充电时间定时等特点，可选用微芯公司的MCP73841充电管理控制器。体内能量接收线圈16与体外能量发射线圈经过皮肤和钛外壳实现电磁耦合，感应出同频的电信号，经整流滤波电路40后得到直流电压信号，该直流电压反馈信号45送入第二微处理器41经通信电路43，体内通信线圈15，传输到体外，用来做闭环能量控制，以保证体内接收能量在正常范围内。直流电压信号通过充电控制电路17对充电电池18进行充电，充电过程总共经历电压小于一定值时的预充、恒流充电、达到要求电压后的恒压充电三个阶段，充电控制电路17在充电电池18充满后自动停止充电，以保护电池。充电控制电路17定时对充电状态进行监测，对充电过程所处的阶段做出判断，并将相应的信息包括充电电池的电量以及电池温度等通过所述体内通信线圈15发射到体外。植入式医疗仪器钛外壳温度及体内能量接收线圈温度44，充电电压反馈45，通过第二微处理器41，通信电路43，通过体内通信线圈15发射到体外。包括体内通信线圈15、通信电路43和第二微处理器41在内的通信电路为经皮双向通信通道。

图5所示为闭环控制示意图。整个充电装置由功率部分50，控制部分51组成。充电器电路10通过体外能量发射线圈13发射能量，体内能量接收线圈16接收能量。体内能量接收线圈16接收信号经整流、滤波电路得到直流电压信号，该直流信号、电池电压、电流和温度等经体内微处理器41采样后，在充电停止期间，经体内通信线圈15发射到体外，体外微处理器32做闭环运算，用来做闭环能量控制，实时调整体外能量发射线圈13的发射强度，以保证体内接收能量在正常范围内，保证充电的安全性，同时对效率情况进行计算，对体、内外线圈的对位情况进行提示，以保证充电过程高效率和稳定性。

图6是充电各阶段体外能量发射示意图。体外微处理器32根据体内充电状态反馈信息判断充电所处的不同阶段，根据充电阶段的不同，体外微处理器32控制体外能量发射线圈13的发射强度，进而调整了体内能量接收线圈16上的接收能量，从而保证体内接收能量在正常范围内。在预充、恒流和恒压阶段，体外发射强度如61，62和63所示，闭环控制系统会根据实际充电状态反馈信息在各个阶段微调发射强度，保证体内植入医疗仪器温度在合理范围内。

图7是充电过程中充电、通信时序分配图。充电采用高幅值、低频率，通信采用低幅值、高频率。充电过程间隔会进行体内外通信交换信息。

在充电启动开始阶段，即初始对位期间，上述充电和与体内通信频次可以增加。同时，充电过程中体外通信线圈11此时不用做通信功能，其上耦合到的电压信号在充电过程中被微处理器32采样，根据耦合到的电压幅值大小来反映体内充电情况。利用充电过程中耦合到通信线圈上的电压信号能够快速反映体内充电状态，提高初始充电对位速度，避免初始对位速度慢带来的体内发热问题，提高可靠性和安全性。

上述方式只是本发明优选的实施方式，对于本领域内的普通技术人员而言，在本发明公开的用于植入式医疗仪器的经皮无线充电装置的基础上，很容易想到将其应用于各种仪器系统，而不仅限于本发明具体实施方式所描述的系统结构，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。