[发明专利]面向人体介入式运动器件的电磁能量无线传输装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种电磁能量无线传输装置，尤其涉及一种面向人体介入式运动器件的基于电磁场耦合远离的无线能量传输装置，属于机、电技术和临床医学领域。

背景技术

人体介入式医疗器件，包括长期植入式器件，如人工心脏、人造肛门，也包括中短期过程式器件，如微型电子胶囊式内窥镜、胶囊式胃肠动力检测装置、机器人内窥镜等，均为提高人们的健康水平、预防疾病等发挥了举足轻重的作用。

目前，这些装置的能量供应分为缆线供能和电池供能两种。前者，由于缆线对器件运动的阻碍，限制了介入器件的灵活性和适用性；后者，由于无创介入的需要，能提供用来安装电池的空间非常狭小，所以电池供能容量非常有限，直接影响了介入器件的工作时间，对于需要更多能量的运动型器械来说，其容量远远不够，这些都给介入器械的临床应用带来了非常大的困难。因此，研究无线的可持续地对介入器件进行供能的装置十分迫切和必要。

在临床医学上，微波频谱的能量传输技术比较成熟，并已经应该于工业场合，但由于人体对特定电磁频率的吸收作用，该项技术对于人体来说并不适用。目前大多使用较低频段的电磁场耦合或者光电耦合原理进行无线供能，集中在经皮能量传输层面上，能量发射场经过皮肤浅表层，到达接受装置。电磁经皮能量传输系统(Transcutaneous Energy Transmission System，TETS)中，接收线圈埋于皮肤下，两线圈间距离一般不超过2cm，线圈的尺寸差别不大，耦合程度较高。光耦合系统将光能收集元件埋于皮肤浅层，使用特定频段的光线照射时，内部植入器件因光电作用而产生电能，经收集后对外供能。以上两种系统对于深埋在人体腔道或者在其中运动的器件很难进行能量供应。而且，能量传输的高度方向敏感性，使得这两种系统只能运用于相对人体静止的介入器件的能量供应，而对于介入式运动型装置，例如机器人内窥镜系统，这种能量供应方式就无法应用了。韩国学者提出了一种基于电磁耦合原理，并应用于人体介入运动器件的供能装置(Proceeding of 2005 IEEE&EMBS，pp809-813)。其两个接收线圈两两夹角呈90度，实验测试表明耦合系数较低，接收到的能量非常有限。考虑到线圈本身的尺寸，实用的三维正交线圈绕制非常困难。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种面向人体介入式运动器件的电磁能量无线传输装置，改善电磁耦合系数，提高传输效率，能够对人体深处的介入运动器件进行持续的无线缆的能量供应。

为了达到上述目的，本发明考虑到发射线圈和接收线圈在轴线平行时，将获得较高的电磁耦合系数，提出了一种基于电磁耦合原理的无线能量传输装置，包括由发射线圈、发射谐振电路构成的体外部分，由接收线圈、浮动式线圈支撑架及整流滤波电路构成的体内部分。接收线圈设置配重使其重心位于几何中心之下并位于轴线上，浮动式线圈支撑架有内、中、外三个环，两环之间由环间支撑连接。环间支撑中，支撑针紧密插入支撑针座，在绝缘套筒的保护下固定在一个环上，支撑柱在绝缘套筒的保护下固定在相邻的环上，支撑针与支撑柱点接触。接收线圈的引线通过支撑针、支撑针座以及支撑柱引出。接收线圈在偏心重力的作用下，自适应的保持在一种姿态，由此总能最多的接收到来自体外发射线圈的磁通量，从而提高了耦合系数。

本发明的面向人体介入式运动器件的电磁能量无线传输装置具体结构包括由发射线圈、发射谐振电路构成装置的体外部分，由接收线圈、整流滤波电路构成的体内部分，体内部分的接收线圈置于浮动式线圈支撑架内，接收线圈的中心轴线平行于发射线圈的中心轴线。浮动式线圈支撑架由外环、中环、内环构成，接收线圈设置配重使线圈的重心位于几何中心之下并位于轴线上。内环紧套在接收线圈外，内环与中环之间、中环与外环之间分别各自通过两个对称分布的环间支撑实现点接触，两个中内环之间环间支撑的连线与两个中外环之间环间支撑的连线相互垂直。在中环的内壁对称设置两段中环引线，中环引线的一端与中内环的环间支撑相连，中环引线的另一端与中外环的环间支撑相连。接收线圈的两条引出线从内环分别通过两个中内环的环间支撑引到中环，再分别沿两段中环引线引到两个中外环的环间支撑，然后通过两个中外环的环间支撑引到外环，再从外环引出，连到整流滤波电路。