[发明专利]植入式自适应无线电源传输方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及涉及无线通信、射频电子电路、无线能量传感、自动控制以及植入式生物医用电子学等交叉领域，具体涉及一种基于PWM（脉宽调制）误差采样与LSK（负载键控）调制无线反馈机制的植入式自适应无线电源传输方法及系统。

背景技术

近年来随着科技发展，电子信息技术、自动控化技术与生物、医学等领域的融合日渐深入，以生物医用为目的的植入式生物医用电子学已成为一个新兴的热点领域，植入式生物医用电子设备在生物电子和医学诊断等方面的研究扮演着越来越来重要的角色。植入式生物医学电子技术可以使医生对人体的脑电波、神经信号等生物体的电生理活动进行实时准确的监测，在保证医生可以对病人进行准确、可靠治疗的同时，促进如人脑控制假肢、修复脊椎恢复肢体运动、癌变肿瘤监测治疗、人工视网膜修复、人工耳蜗等生物医学前沿技术领域的发展，为提高人类对生物体及自身的认识，提高人类健康水平及促进全球生态和谐发展与共存起到了重要作用。

植入式电子设备都面临如何高效、稳定地供电这个关键问题。传统的办法是在植入式设备中内置电池或者采用有线供电的技术手段。采用内置电池方式会使植入式设备无法获得长时间的使用寿命，而且在植入式设备体积、电池的化学污染、生物排异等方面也存在问题；采用有线供电方式会导致生物体的检测创口因长期保持开放而易受细菌感染，而且无法对生物体在无束缚、无麻醉的日常条件下的生物电信号进行监测与研究。如果采用无线供电方式，则可以解决上述技术手段存在的不足，它能够透过皮肤将能量源源不断地供应给体内的植入式电子设备。因此，业界迫切需要一种安全、可靠的无线供电技术，保证与促进神经科学、智能假肢、脊椎修复等生物医学方面的前沿领域向更广泛、深入的方向发展。

目前，关于无线电源的传输问题国内外均处于起步研究阶段，其传输可分为三种基本方式，一种是基于传统电磁波理论，直接将射频电波通过天线及匹配网络整流转化为电能，该方式在无线供电功率方面存在不足，难以用于需要mW级电能供给的植入式系统中；另一种是利用电磁场共振的方式，虽然此方式在无线传输距离上具有优势，但至少需要4个大体积的电磁谐振线圈，因此由于体积上的限制，该方法目前还难以用于植入式生物医用领域；最后一种是采用得较多的感应耦合方案（ICPT），利用电磁感应原理在近距离的耦合线圈之间进行能量传输，这种方案可以传输数毫瓦至几十毫瓦的能量，但是发送距离需要进一步提高。

纵观上述三种无线电源传输方式，均存在植入体内设备接收的能量会随着无线传输距离的变化而变化问题。若接收的能量不足，会使体内植入式电子设备无法工作。对此目前的解决办法是，在体外无线电源发射端辐射出足够冗余的无线电能以保证体内设备工作所需，但这样作极可能导致体内设备接收的电能过剩，使体内设备以过度热耗散的形式让生物体组织感到不适，甚至造成生物体组织损坏。

本专利申请主要针对如脑电、神经及生物电行为信号的无线采集与监控、智能假肢、脊椎修复、膀胱刺激等生物医用植入式电子设备的无线供电需求，采用一种新的技术手段，实现无线供电功率的自适应调节功能，保证生物医用植入式设备安全、可靠地工作，并与生物体和谐共存，推动我国尖端生物医疗电子方面自主知识产权的发展。

发明内容

本发明的目的克服现有技术存在的上述不足，提供一种基于PWM（脉宽调制）误差采样与LSK（负载键控）调制无线反馈机制的植入式自适应无线电源传输方法及系统，以便安全、可靠地满足生物医用植入式电子设备及系统所需的无线供电需求，具体技术方案如下。

植入式自适应无线电源传输方法，该方法基于PWM误差采样与LSK调制，通过一个体外无线电源发射单元及一个体内的无线电源接收与恢复单元实现，体外无线电源发射单元发射的能量通过无线电磁耦合方式传递到体内；体内的无线电源接收与恢复单元将无线电能恢复为直流电源，为体内其他植入设备供电；由传输距离变化及负载变化引起的直流电源的波动变化量通过PWM误差采样与LSK调制技术无线反馈到体外无线电源发射单元，并通过体外LSK解调与嵌入的MCU数字控制技术实现根据植入体内设备对所需电量的变化进行体外无线电源发射功率的自适应调节。