一种具有自屏蔽功能的视觉假体无线供电系统及其控制方法

摘要

本发明公开了一种具有自屏蔽功能的视觉假体无线供电系统及其控制方法，属于生物医学工程领域。一种具有自屏蔽功能的视觉假体无线供电系统，包括植入式视觉假体，视觉假体无线供电系统包括体外电能发射端装置、体外漏磁场调控装置和植入式电能接收端装置，其中，体外电能发射端装置，用于在空间中产生高频交变磁场，向植入式电能接收端装置传输能量；体外漏磁场调控装置，用于检测并产生抵消磁场，以屏蔽体外电能发射端装置在人体面部产生的漏磁场，降低电磁辐射；植入式电能接收端装置，用于接收体外电能发射端装置发出的能量，向植入式视觉假体供电。本发明避免了传统的有线传输中导线接口引起的生物组织感染、排异反应等问题，降低了手术风险。

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有自屏蔽功能的视觉假体无线供电系统及其控制方法，属于生物医学工程领域。

背景技术

对于由视觉系统损伤而造成的一些眼部疾病，可以利用微电流刺激视神经组织来恢复失明患者视力。随着相关技术的发展，植入式医疗装置—视觉假体，成为了一种有效的治疗方案。该方案可以绕开人体视觉通路中受损伤部分，通过植入的刺激电极产生微电流来刺激未受损的神经组织，从而达到修复视觉的目的。

视觉假体的体内植入部分，如数据接收单元，微电流刺激控制器和刺激电极等等，均需要稳定的能量供给才能正常工作，传统的体内供能设备一般采用植入式蓄电池。受限于电池有限的能量密度和较短的使用寿命，患者通常需要在安装视觉假体的一段时间后定期进行二次手术来更换植入式蓄电池，这一方面增加了患者需要承担的手术风险，另一方面提高了手术费用，并增加了患者的痛苦。无线电能传输技术的发展则为上述问题提供了良好的解决方案。该技术以磁场为媒介，通过体外发射线圈，将能量以无线的方式经过皮肤传入体内的接收线圈中，进而实现植入式视觉假体的稳定供能。

目前，国内外学者围绕应用于视觉假体的无线供电系统展开了相关研究。专利[公开号CNIO2813999A]提出了一种具备功率自适应调节功能的视觉假体无线传输系统，通过预测植入刺激电极需要的能量来调节发射线圈的输入功率。专利[公开号CNIO3272329]提出了一种具有无线能量传输功能的人工视觉假体装置，通过其内置控制器可以在无线充电切断时调用植入蓄电池为视觉假体装置供电。文献[视觉假体中能量无线传输系统设计[D].西安理工大学,2019.]设计了一种用于视觉假体的无线供电系统，通过增加体内数据反向传输单元，可以实时监测植入式视觉假体的充电状态。但是，现有技术重点关注于无线供电系统的传输功率，传输效率等基本功能，忽略了无线供电系统在正常工作时产生的电磁辐射对人体的危害，没有考虑相关的电磁屏蔽措施，使得患者在充电过程中面部完全暴露在高频的电磁环境下。一方面，线圈产生的漏磁场会在人体组织中产生热效应，损害较为敏感的器官或组织。另一方面，高频漏磁场可能会对植入式微电流刺激控制器和刺激电极等设备产生电磁干扰，影响其正常工作。

发明内容

本发明提出了一种具有自屏蔽功能的视觉假体无线供电系统及其控制方法，针对现有研究中存在的不足之处，本发明通过发射线圈和接收线圈之间的互感耦合，通过无线的方式为植入式视觉假体供电，避免了传统的有线传输中导线接口引起的生物组织感染、排异反应等问题，降低了手术风险。同时，通过磁场检测线圈和主动屏蔽线圈，在系统正常工作过程中可以有效地屏蔽耦合线圈产生的漏磁场，实现聚焦主磁通，降低漏磁通的目的，从而降低系统对人体和植入电子设备产生的电磁辐射，实现无线供电系统的自屏蔽功能。

一种具有自屏蔽功能的视觉假体无线供电系统，包括植入式视觉假体，所述视觉假体无线供电系统包括体外电能发射端装置、体外漏磁场调控装置和植入式电能接收端装置，其中，

所述体外电能发射端装置，用于在空间中产生高频交变磁场，向所述植入式电能接收端装置传输能量；

所述体外漏磁场调控装置，用于检测并产生抵消磁场，以屏蔽所述体外电能发射端装置在人体面部产生的漏磁场，降低电磁辐射；

所述植入式电能接收端装置，用于接收所述体外电能发射端装置发出的能量，向所述植入式视觉假体供电。

进一步的，所述体外电能发射端装置，包括E类放大器、补偿电路和发射线圈，所述E类放大器的输出端与所述补偿电路连接，所述补偿电路的输出端与所述发射线圈连接，其中，

所述E类放大器，用于输出MHz级别的高频电压；

所述补偿电路，用于补偿所述发射线圈的自感，消除系统中的无功功率；

所述发射线圈，用于在通入高频电流后，在空间中激发高频磁场。

进一步的，所述体外漏磁场调控装置，包括主动屏蔽线圈、磁场检测线圈、信号转换装置、DSP控制器、单元控制电路和屏蔽线圈补偿电路，所述磁场检测线圈、信号转换装置、DSP控制器、单元控制电路、屏蔽线圈补偿电路和主动屏蔽线圈依次连接，其中，

所述磁场检测线圈，用于检测所述发射线圈发出的电压信号；

所述信号转换装置，用于将检测到的电压信号转换为磁场信号；

所述DSP控制器和单元控制电路，用于根据所述磁场信号，控制主动屏蔽线圈导通；

所述主动屏蔽线圈，用于被所述单元控制电路控制导通，产生抵消磁场。

进一步的，所述视觉假体无线供电系统还包括眼罩，所述磁场检测线圈和主动屏蔽线圈均集成于所述眼罩中。

进一步的，所述磁场检测线圈设有多个，安装于所述眼罩靠近人体一侧，为矩形或圆形，所述多个线圈中各线圈的尺寸相同，所述磁场检测线圈的输出端连接位于所述眼罩外部的所述信号转换装置；所述主动屏蔽线圈设有多个，且均安装于所述眼罩外侧，所述主动屏蔽线圈与磁场检测线圈的安装位置一一对应；每个主动屏蔽线圈分别与所述补偿电路连接。

进一步的，所述植入式电能接收端装置通过手术植入于人体内部，包括接收线圈、补偿电路、整流电路、植入式电池、微电极刺激控制器和刺激电极，其中，所述接收线圈、补偿电路、整流电路、植入式电池、微电极刺激控制器和刺激电极依次连接，其中，

所述接收线圈，用于在高频磁场中感应出高频电压；

所述补偿电路，用于补偿所述接收线圈的自感，减小所述接收线圈的感抗；

所述整流电路，用于把交流电能转化为直流电能；

所述植入式电池，用于储存电能；

所述微电极刺激控制器，用于产生控制信号控制所述刺激电极；

所述刺激电极，用于对视觉神经进行修复。

进一步的，所述补偿电路采用串联补偿。

进一步的，所述整流电路为不控整流电路。

一种具有自屏蔽功能的视觉假体无线供电系统的控制方法，基于上述的一种具有自屏蔽功能的视觉假体无线供电系统，所述控制方法包括以下步骤：

步骤1、初始化系统，令k＝0，并给体外电能发射端装置中的E类放大器供电，发射线圈产生磁场，其中，k表示计算步长，满足k＝0,1,2,3…；

步骤2、读取n个磁场检测线圈中各个线圈中的感应电压值U

步骤3、通过信号转换装置，将磁场检测线圈中的电压信号U

步骤4：对比磁场信号B

步骤5：基于确定的磁场超标的区域，通过DSP控制器和单元控制电路，导通该区域的主动屏蔽线圈；

步骤6：判断所有的主动屏蔽线圈是否全部开启，若存在未开通的主动屏蔽线圈，则重复步骤2至步骤5，直到所有的磁场信号均小于规定的磁场最大限值；若所有主动屏蔽线圈均已导通，令k＝k+1；

步骤7：判断k是否大于1，若k>1，表明所有主动屏蔽线圈均开启时系统漏磁辐射仍超过标准，此时输出磁场超标信号，并关闭体外电能发射端装置中的E类放大器；若k≤1,则重返步骤2，检测各个线圈中磁场信号，直至所有的磁场信号均小于规定的磁场最大限值。

进一步的，步骤3中所述的电压信号转换为磁场信号的方法具体如下：

高频磁场环境下，单个磁场检测线圈中的感应电压有效值U的表达式满足：

U＝ω·Φ＝ω·B

式中ω表示系统的工作角频率，Φ表示穿过磁场检测线圈的总的磁通量，B

因此，穿过磁场检测线圈的平均磁感应强度通过下式计算：

通过上式，将磁场检测线圈中测量得到的电压信号转换为磁场信号。

本发明的主要优点是：本发明可以通过无线的方式为植入式视觉假体供电，避免了传统的采用有线充电方式的视觉假体中因导线接口引起的生物组织感染、排异反应等问题，减少了患者需要承担的手术风险和手术费用。同时，系统中的磁场检测线圈可以在系统工作过程中实时检测面部漏磁辐射大小，并控制主动屏蔽线圈产生抵消磁场，从而进行磁场调控，降低系统工作过程中对人体面部组织和植入电子设备产生造成的电磁辐射，提高系统的电磁安全性。此外，主动屏蔽线圈采用阵列式线圈结构，各线圈控制独立，可以实现磁场调控的模块化，准确地针对电磁辐射超标区域进行控制。

附图说明

图1为本发明所述的一种具有自屏蔽功能的视觉假体无线供电系统的系统框图；

图2为本发明所述的体外漏磁场调控装置的结构示意图；

图3为本发明所述的磁场检测线圈的结构示意图；

图4为本发明所述的主动屏蔽线圈的结构示意图；

图5为本发明所述的一种具有自屏蔽功能的视觉假体无线供电系统的控制方法的流程图。

其中，1为体外电能发射端装置；2为体外漏磁场调控装置；21为体外漏磁场调控装置的外侧面；22为体外漏磁场调控装置的内侧面；3为植入式电能接收端装置；4为磁场检测线圈；5为主动屏蔽线圈。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明所述的具有自屏蔽功能的视觉假体无线供电系统，它由三部分组成，第一部分为体外电能发射端装置1，第二部分为体外漏磁场调控装置2，第三部分为植入式电能接收端装置3；所述体外电能发射端装置1的功能为在空间中产生高频交变磁场，向电能接收端装置3传输能量；所述体外漏磁场调控装置2的功能为检测并产生抵消磁场来有效地屏蔽发射线圈在人体面部产生的漏磁场，降低电磁辐射；所述植入式电能接收端装置3通过手术植入与人体内部，其功能为接收能量，向植入式视觉假体供电；

其中，所述体外电能发射端装置1包括E类放大器，补偿电路和发射线圈；其中，E类放大器采用直流电源供电，输出端与补偿电路连接，输出幅值恒定的MHz级别的高频电压，为发射线圈提供恒定的功率输入；补偿电路的输出端连接发射线圈，根据系统电路特性，可以采用串联补偿、并联补偿及复合补偿，其作用为补偿发射线圈的自感，消除系统中的无功功率；同时，补偿网络的谐振频率与系统的工作频率保持一致；所述发射线圈采用多匝利兹线绕制的圆形线圈或矩形线圈，其线圈匝数由发射电流和植入电池所需的充电电压共同决定；发射线圈中通入有效值恒定的高频电流，在空间中产生高频磁场，向视觉假体供电；

如图2和图3所示，所述体外漏磁场调控装置2包括集成有磁场检测线圈4和主动屏蔽线圈5的眼罩和外部信号转换装置，DSP控制器，单元控制电路和屏蔽线圈补偿电路组成；其中磁场检测线圈4安装于眼罩的内表面22，与眼罩外部的信号转换装置和DSP控制器连接，通过读取磁场检测线圈3中的电压信号，在信号转换装置转换为磁场信号，从而通DSP控制器来控制主动屏蔽线圈4中各线圈的导通来产生抵消磁场；

进一步地，所述磁场检测线圈4为多个矩形或圆形线圈，安装于眼罩内侧22，共包含n个独立的子线圈，其中n为正整数；各子线圈尺寸完全相同，其输出端连接眼罩外部的信号转换装置；

如图2和图4所示，所述主动屏蔽线圈5安装于眼罩外侧21，共包含n个独立的子屏蔽线圈，其中n为正整数；所述主动屏蔽线圈5的结构为矩形或圆形线圈，与磁场检测线圈4的结构相同，且各子屏蔽线圈的安装位置与磁场检测线圈4的位置相对应；每个主动屏蔽线圈分别与补偿电路连接，之后连接单元控制电路；其中控制单元电路并联于E类功率放大器的输出端，从而保证主动屏蔽线圈5中的电流相位与发射线圈中的电流相位同相；

进一步地，在无线供电系统工作过程中，患者需要佩戴眼罩，从而实现磁场检测和漏磁场屏蔽功能；

所述植入式电能接收端装置3通过手术植入与人体内部，包括接收线圈，补偿电路，整流电路，植入电池，微电极刺激控制器和刺激电极；其中，接收线圈的轴线与发射线圈平行，接收线圈的面积为S，且小于发射线圈的面积；发射线圈产生磁场在接收线圈中感应出高频电压后，经补偿电路和整流电路向植入式电池供电，之后通过微电极刺激控制器产生控制信号，通过刺激电极对视觉神经进行修复；

进一步地，本发明所述的接收端补偿电路采用串联补偿，其作用为补偿接收线圈的自感，减小接收端感抗，补偿电路的谐振频率与系统的工作频率一致；

进一步地，本发明所述的整流电路为不控整流电路；

本发明还提供了一种具有自屏蔽功能的视觉假体无线供电系统的控制方法，其流程图如图5所示，其特征在于：

本发明所述的具有自屏蔽功能的视觉假体无线供电系统的控制方法分为以下7个基本步骤：

步骤1：初始化系统，令k＝0，并给体外电能发射端装置中的E类放大器供电，发射线圈产生磁场；

步骤2：读取n个磁场检测线圈中各个线圈中的感应电压值U

步骤3：通过信号转换装置，将磁场检测线圈中的电压信号U

步骤4：对比磁场信号B

步骤5：基于确定的磁场超标的区域，通过DSP控制器和单元控制电路，导通该区域的主动屏蔽线圈；

步骤6：判断所有的主动屏蔽线圈是否全部开启，若存在未开通的主动屏蔽线圈，则重复步骤2至步骤5，直到所有的磁场信号均小于规定的磁场最大限值；若所有的主动屏蔽线圈均已导通，令k＝k+1；

步骤7：判断k是否大于1，若k>1，表明所有主动屏蔽线圈均开启时系统漏磁辐射仍超过标准，此时输出磁场超标信号，并关闭体外电能发射端装置中的E类放大器；若k≤1,则重返步骤2，检测各个线圈中磁场信号，直至所有的磁场信号均小于规定的磁场最大限值；

具体实施方式二

本实施方式对实施方式一作进一步说明。本发明所述的具有自屏蔽功能的视觉假体无线供电系统的控制方法中，步骤3所述的电压信号转换为磁场信号的方法具体如下

高频磁场环境下，单个检测线圈中的感应电压有效值U的表达式满足：

U＝ω·Φ＝ω·B

式中ω表示系统的工作角频率，Φ表示穿过磁场检测线圈的总的磁通量，B

因此，穿过检测线圈的平均磁感应强度可以通过下式计算：

通过上式可以将检测线圈中测量得到的电压信号转换为磁场信号。