[发明专利]用于生物植入体的可控高效能无线供能装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种生物医学工程技术领域的装置，具体来说，是一种用于生物植入体的可控高效能无线供能装置。

背景技术

目前科学家们研发出越来越多的生物医学装置，可以帮助各类有身体器官缺陷的患者，如人工耳蜗，人工心脏，人工视觉假体等，这些装置都有一个共同点，就是它们都植入在患者体内，对这些装置的能量驱动，早先采用电池内置或者将电线引入体内的方法，但容易造成电池电量突然耗竭或身体伤口感染的危险，给患者带来很大困扰。

因此，电能的无接触传输技术应运而生，并越来越多地被人们关注，因为无接触传输技术不需电线，避免了诸多如水，热，化学腐蚀等不利环境因素的影响，国外已将这一技术应用到许多方面，如在工业应用及高要求的生活用品应用中，其中，医学植入式装置在电能的安全传输方面则提出了更为迫切的要求。目前的无接触传输方式，主要采用电磁感应的原理，采用初次级线圈耦合的方式进行电能传输，只将接收电路植入患者体内，便携式地携带一个电能发生装置，可放在口袋里，别于腰间，或者像帽子般戴在头上，就可以通过线圈耦合感应安全地给体内的装置提供能量。同时，生物医学应用的特殊性也给无线电能传输技术在安全性，可靠性，体积方面提出了更高的要求。

经由现有技术的文献检索发现，天津大学精密仪器与光电子工程学院阮三元《基于MSP430的可充电脑起搏器设计》(《电子技术应用》2005年31卷7期)一文中，在体外无线供能部分采用了单端反激变换器，用以将直流电能转换成为交流电能，通过线圈耦合向颅内供能，具有一定的效率及可操作性。单端反激变换器以UC3842电流型脉宽调制器进行控制，UC3842芯片是一种单端隔离式电流型脉宽调制集成电路，其外接元件少，外围电路简单，价格便宜，最高工作频率可达500kHz，可作为电流型脉宽调制器，但其输入电压较大。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种用于生物植入体的可控高效能无线供能装置，使其在成本及电路复杂程度基本不变的前提下，在传输频率，可控性及能量传输效率方面均大大改善了现有技术水平，降低了能量传输损耗及传输相同能量所需的时间，为实现生物植入物的体外无线供能提供了可能。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括四个模块：单片机控制模块、电压转换及放大模块、线圈耦合传输模块、体内整流稳压模块。其中：所述单片机控制模块产生PWM波控制电压转换及放大模块的输出频率及效率；所述的电压转换及放大模块主要由Class-E功率放大电路搭建而成，Class-E放大电路由单片机控制模块产生的PWM波作为驱动信号，接收3-5V的直流电信号，将其转换并放大成交流电输出给线圈耦合传输模块；所述线圈耦合传输模块将输入的交流电，通过无线电能感应由体外到体内的体内整流稳压模块；所述体内整流稳压模块以线圈耦合传输模块感应得到的交流电为输入，将交流电通过整流，滤波，稳压至稳定的3.3V直流电，为植入体内的医学仪器供能。

所述的单片机控制模块，为整个无线功能系统的起始部分，由单片微型控制器(MCU)及其周边支持电路组成，MCU通过在线编程工具烧录汇编语言程序控制PWM模块寄存器，PWM波在第9脚(P3.5)和第十脚(GND)间输出，输出幅度为3.3V(pk-pk)，占空比50％，频率在1.8MHz和100KHz之间，所输出的方波脉冲作为Class-E放大电路的输入信号，控制无线供能系统的频率和波形。

所述的Class-E放大电路接收单片机控制模块发出的PWM波控制信号，其频率即为ClassE放大电路转换的交流电的频率。Class-E放大电路将开关信号送入放大晶体管以控制电路开闭，从而对后续电路产生谐振，经一级电容器滤波，再由二级的电容器与初级线圈串联构成的谐振电路进行谐振放大，将输入的直流电压转化为交流电由线圈耦合传输模块的初级线圈输出。Class-E放大电路主要由单片机控制模块产生的PWM波充当放大晶体管的开关，在后面的谐振电路中提供合适的振荡频率，当频率与二级电容及线圈耦合传输模块的线圈的电路的固有频率匹配时，将直流电转化成为交流电的效率最高。