[发明专利]为人工心脏提供电源的能量无线定向传递系统

说明书

技术领域

本发明属于生物医学工程领域，涉及一种为人工心脏提供电源的定向无线能量传递系统。

背景技术

人工心脏已经逐渐成为了治疗心力衰竭的有效方法之一，但是在传统的人工心脏系统中，大多数采用内置电池或者经皮导线的方式来向体内的人工心脏传送能量。但是不管是内置电池储能或者通过经皮导线能量传送都存在一些弊病。这些弊病主要表现在：对于内置电池方式，由于目前电池技术限制，不可能长时间为人工心脏系统提供能量，同时由于将整个人工心脏系统植入人体，增加了人体内部的异物体积，因此了人体的排异反应的可能性大大增加，因此这类系统只适合短期辅助，不能够长时间连续运行；而经皮导线能量传递方式虽然可以解决系统连续运行的问题，但是由于导线会穿过人体皮肤，因此极其容易造成感染和排异反应，严重影响病人的生活质量。为了解决这些问题，专利200510079657.2采用电磁感应原理设计了经皮能量传递初级线圈，实现了无线能量传递。为了提高能量传递效率，专利200510079656.8设计了双次级线圈，提高了能量收集效率。专利201410510726X采用自适应控制方式主动增加发射功率，提高传递能量数值。专利2009801158823采用多个物理上可调的发射天线，以满足不同传递距离下传递能量的需求。虽然上面的发明能够在一定程度上解决人工心脏的无线能量传递问题，仍然存在以下不足。首先，上述能量发明技术对于传递距离敏感，当传输距离变化时，能量传递效率衰减明显。第二，上述发明均采用非定向电磁场，从而增加了对周围环境的电磁场污染。上述这些问题限制了人工心脏无线能量传递系统的效率、可靠性与安全性。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了定向无线能量传递系统，特别针对人工心脏，为其提供电源。

一种为人工心脏提供电源的能量无线定向传递系统，包括高频磁场激发装置，相位控制装置，发射天线阵列，接收天线，能量转换装置。其中，所述高频磁场激发装置产生相位可调的高频交变电场；所述发射天线阵列将高频电场转换为高频电磁场；所述相位控制装置检测所述接收天线的位置变化，进而调整发射天线阵列中各个天线的电磁场相位；所述接收天线植入体内，接收电磁场能量；所述能量转换装置将所述接收天线接收的交变电磁场能量变为电场能量，并通过整流滤波成为直流电，供给人工心脏运行。

所述发射天线阵列由两个以上的面状天线组成，该天线由导电金属缠绕而成，其形状为对称几何形状。

所述的相位控制装置由信号采集部分、负载谐波检测模块、主控模块与相位调节模块组成，其中所述信号采集部分采集发射天线阵列中各个天线的输入电流与电压信号；所述负载谐波检测模块提取接收天线的功率互感信号；所述主控模块与相位调节模块根据所述输入电流与电压信号、所述功率互感信号计算系统的传递效率，并根据优化理论计算出使传递效率最优的相位组合，然后调整发射天线阵列中各个天线输出信号的相位参数。

作为优选，所述发射天线阵列采用3×3矩阵排列，每个天线为匝数20匝、直径50mm的圆线圈，采用直径0.5mm的铜线缠绕而成；所述体内接受天线为匝数40匝、直径20mm的圆线圈，采用直径0.5mm的铜线缠绕而成。

利用本发明，定向提高人工心脏附近的电磁场强度，并且减弱其他区域的电磁场强度，从而实现提高人工心脏无线能量传递系统的效率、可靠性与安全性。

附图说明

图1是本发明为人工心脏提供电源的能量无线定向传递系统的优选实施例的结构示意图。

图2为图1所示实施例中高频磁场激发装置的电路图。

图3为图1所示实施例中相位控制装置的信号采集部分的电压输入电路图。

图4为图1所示实施例中相位控制装置的信号采集部分的电流输入电路图。

图5为图1所示实施例中相位控制装置的负载谐波检测模块电路图。

图6为本发明为人工心脏提供电源的能量无线定向传递系统的工作流程图。

图中：1、外驱动电源，2、高频磁场激发装置，3、相位控制装置，4、发射天线阵列，5、人体皮肤，6、接收天线，7、能量转换装置，8、人工心脏。

具体实施方式

下面结合一个实施例及附图对本发明的做进一步详细说明。

本发明的能量无线传递系统可以将外驱动电源1转化为人体内的人工心脏8的电源。本发明的能量无线传递系统由位于体外的高频磁场激发装置2、相位控制装置3、发射天线阵列4和位于体内的接收天线6、能量转换装置7五部分组成。在本实施例中，