[其他]透过皮肤传输电能和数据的宽带感应耦合器

说明书

本发明一般涉及电子医疗仪器的领域，特别地，本发明提出了一种不需破坏施用对象的皮肤而透过其皮肤传输电能和信息数据的方法及其装置。

随着在人的皮下植入电子装置这种技术应用的不断增长，人们越来越迫切地希望能够不穿破皮肤向植入体内的装置传输电能和数据。一种先前采用的典型传输途径是利用穿过皮肤的插头，该插头能输送电能，但必须刺破皮肤才能使插头联及刺激器。而皮肤上的创口却给病菌的入侵提供了潜在的通道，因此危及人和植入物的安全。另一种采用的方法是植入电池，遗憾的是，许多使用情况所要求的安培小时数远大于一个电池所能够提供的，除非经常更换所植入的电池。

运用感应耦合器就没有上面的这些局限性，这是因为它能从体外的电源获取电能而保持皮肤不受损伤。对于医疗用途，一个感应耦合器通常包含两个扁平线圈，其中一个植入体内而另一个在体外。两个线圈组成一个能够传送能量的互感器。感应耦合器现已用来向植入体内的刺激器传送电能和信息数据。有关这方面的实例可参阅：M.Soma的博士论文“可植入体内的多路神经刺激器之设计和创造”“（Design    and    Fabrication    of    an    Implantable    Multi-Channel    Neural    Stimulator”）博士论文，1980年6月;T.Gheewala的博士论文“一种利用集成电路技术制成的可植入体内的CMOS听觉假体”（“ACMOS    Implantable    Anditory    Prosthesis    Using    Inteyrated    Circuit    Technology”），斯坦福大学，1976年3月;以及E.S.Hochmair的题为：“为改善透过皮肤传输信号和电能之准确性的系统最佳化技术”的论文（“System    Optimization    for    Improved    Accuracy    in    Transcutaneous    Signal    and    Power    Transmission”），IEEE（电气与电子工程师协会）生物医学技术会刊，第BME-31号，第2期，177～186页，1984年2月。

然而，上述先有技术成果中所研究的感应耦合器存在着它们固有的难点，过去的这些耦合器在提供传输效率、带宽以及对偏差的不敏感度等方面都存在问题。

本发明的目的之一就是提出一种改进的新型感应耦合器。

本发明的另一个目的就是提出这样一种耦合器，当线圈之间因相对位移而产生耦合偏差时，此偏差对该耦合器的增益影响不大。

本发明还有一个目的在于提出一种耦合器，这种耦合器具有比较宽的频带宽度。

传输效率是设计这种耦合系统时需要着手解决的主要问题之一。效率之所以成为主要问题，是因为发送器电源的轻便程度限制着被植入者的活动自由。如果透皮肤耦合器的效率不高，那么一个功率需求不大的植入物就可能使发送器要耗费很多电能才能满足其要求。如果系统需求过多的电能，那么被植入者就必须带着一个很大的电池包。例如，上文提到的博士论文中所讨论的那种耦合系统，就需要一个大小与砖块相仿的电池包，该电池包还必须每八小时充一次电。

因此，本发明的目的之一就是提供一种体积足够小而效率足够高的耦合系统，以供人方便地携带，并且用上它后能进行日常的活动。

过去的感应耦合器之所以效率低，是因为用以补偿耦合线圈不同轴的装置效率不高。如图1所示，线圈之间能相互移动。当它们移动时，其增益（电压增益、电流增益、跨导增益或跨阻增益，取决于输入和输出电路）就变化，这是由于它们的耦合率决定于它们的相对位置。许多应用场合要求稳定的内部电源，因此，必须稳定接收线圈的输出。

如果增益的变化太大，那么大部分接收到的电能不是用于刺激器，而是耗费在与接收线圈相联的电压稳定器上。

解决这个问题的最常用的方法是几何法，它以牺牲耦合量来换取耦合偏差的减小。这种方法采用一个比内植线圈大的外部线圈。只要小线圈在大线圈的园周范围之内，两个线圈所共有的磁力线便基本上相同，并且耦合量也将保持完全不变。线圈的横向移动甚至倾斜一些仅仅对它们的增益产生较小的影响。这种方法为上文提及的参考资料之一或更多的场合所采用。

遗憾的是，几何法除了效率低之外，它对线圈的间距也很敏感。对于小间距（近场），耦合量随间距的增加按比例下降。如果线圈间距增加一倍，则增益下降一半。因此，这种方法只是部分地降低了耦合增益对线圈位置的敏感程度。