[发明专利]基于电流变液超材料的体内植入器件无线电能传输系统

说明书

一种基于电流变液超材料的体内植入器件无线电能传输系统，包括发射模块、接收模块、电流变液超材料模块和直流电源，采用磁谐振耦合方式进行无线电能传输。电流变液超材料模块由电流变液超材料单元组成，可汇聚发射模块产生的磁场，提高无线电能传输效率。通过调节电流变液外加电场强度，改变电流变液介电常数，从而改变电流变液电磁超材料的共振频率和系统工作频率处的等效磁导率值，具有参数灵活可调的优点。

技术领域

本发明涉及一种体内植入器件的无线电能传输系统。

背景技术

体内植入器件在医学监测、药物输送、局部器官刺激等方面发挥着重要作用。电池寿命依赖于器件的使用频次和强度，电量达到使用阈值时必须更换。电池更换手术除了额外增加成本之外，更重要的是增加了病人手术感染的风险。无线电能传输可以避免体内植入器件电池更换带来的经济和健康问题。提高无线电能传输效率是体内植入器件无线电能传输亟待解决的问题。

专利“201210366827.5小尺寸谐振器以及磁耦合谐振无线能量传输”公开了一种用于无线电能传输的可植入体内的小尺寸谐振器。当能量传输距离大于接收设备和发射设备的尺寸时，系统能量传输效率严重下降。为了提高传输效率，采取了多种可行的措施。专利201280038109.3“可植入设备的无线能量传输”公开了一种针对植入设备的无线能量传输系统。源谐振器置于体外，产生振荡磁场。植入设备谐振器置于体内，捕获源谐振器产生的磁场。在源谐振器和植入设备谐振器之间加入中继谐振器，改善能量传输，提高效率。专利CN201610807943“基于超材料的可植入无线能量传输装置”公布了基于超材料的可植入无线能量传输装置，加入磁导率为负的超材料中继模块，对空间磁场进行汇聚，提高传输效率。但是，超材料设计加工完成后参数不可调。人体植入器件这样的小接收线圈无线电能传输系统对电磁超表面的普适性和灵活性提出了更高的要求。由于人体存在个体差异性、人体的动态性以及电磁场穿越多层组织衰减的不确定性，导致系统最优工作频率发生改变。固定参数的超材料一旦设计加工完成，参数不可调，难以对系统参数的变化做出动态反应，限制了超材料的普适性和调控的灵活性。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提出一种基于电流变液超材料的体内植入器件无线电能传输系统。本发明利用电流变液电参数随外加电场强度变化的特性，弥补超材料的共振频率和等效磁导率固定不变的不足，实现共振频率和等效磁导率的可调节性。

为了实现上述目的，本发明基于电流变液超材料的体内植入器件无线电能传输系统包括发射模块、接收模块、电流变液超材料模块和直流电源。电流变液超材料模块位于发射模块和接收模块之间。电流变液超材料模块将发射模块产生的磁场放大聚焦之后耦合到接收模块。直流电源和电流变液超材料模块连接。接收模块与体内植入器件电池相连，为体内植入器件供电。

所述的发射模块包括高频电源、发射谐振匹配电路和发射谐振线圈。发射模块用于高频电磁能量的发射，发射谐振线圈的共振频率等于系统工作频率。高频电源输出MHz高频信号。高频电源的输出端与发射谐振匹配电路的输入端连接。发射匹配电路用于调节发射谐振线圈的谐振频率，发射匹配电路的输出端和发射谐振线圈的输入端相连接。发射谐振线圈的正弦交变电流在周围空间激发电磁场。

所述的接收模块包括接收谐振线圈、接收谐振匹配电路、整流滤波电路和电池能量管理电路，用于高频电磁能量的接收。接收谐振线圈的共振频率等于系统工作频率。接收谐振线圈接收空间电磁场。接收谐振线圈的输出端和接收谐振匹配电路的输入端相连。接收谐振匹配电路用于调节接收谐振线圈的谐振频率。接收谐振匹配电路的输出端和整流滤波电路的输入端连接。整流滤波电路用于将高频交变能量转化成直流。整流滤波电路的输出端和电池管理电路的输入端连接。电池管理电路用于直流电能调理和电池充电管理。

所述的电流变液超材料模块用于汇聚发射模块产生的高频磁场，并将高频磁场耦合到接收模块。在系统工作频率附近，电流变液超材料模块的等效磁导率为负。电流变液超材料模块由n*n个电流变液超材料单元组成n行n列的平面阵列，n为大于等于1的整数。