專利名稱：用于植入式無線遙測的無線供能裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于植入式無線供能領(lǐng)域，特別涉及動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中自由活動(dòng)狀態(tài)下小動(dòng)物植 入式無線遙測的無線能量供應(yīng)。
背景技術(shù)：
隨著IC (集成電路)技術(shù)和MEMS (微機(jī)電系統(tǒng))技術(shù)的發(fā)展，植入式無線遙測由 于其沒有束縛、測量準(zhǔn)確和實(shí)時(shí)監(jiān)測等優(yōu)點(diǎn)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，主要有植入式 溫度檢測、植入式血壓檢測、植入式血糖檢測等。這些植入式設(shè)備即可植入人體進(jìn)行健康監(jiān) 護(hù)，也可植入小動(dòng)物(如大鼠)體內(nèi)進(jìn)行長期的科學(xué)實(shí)驗(yàn)。由于該類設(shè)備植入體內(nèi)，更換電池需要手術(shù)將其取出，帶來額外的創(chuàng)傷和費(fèi)用，極 為不變，因此植入式設(shè)備的能量供應(yīng)成為該類研究的一個(gè)關(guān)鍵問題。目前植入式供能領(lǐng)域 的研究主要有無線電磁耦合供能，利用生物體內(nèi)的葡萄糖進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)供能，根據(jù)壓電效 應(yīng)利用生物體自身運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能等。其中無線電磁耦合供能是目前研究最多和應(yīng)用最廣泛 的一種。無線電磁耦合供能通過功率放大器驅(qū)動(dòng)外部發(fā)射線圈產(chǎn)生電磁場，體內(nèi)的植入式 接收線圈通過電感耦合的方式獲取能量，如中國發(fā)明專利“用于植入式醫(yī)療設(shè)備的電磁感 應(yīng)供能裝置”(申請(qǐng)?zhí)?007100932 . 1)和“用于生物植入體的高效能無線供能裝置”(申 請(qǐng)?zhí)?200810036568. 3)。目前的無線電磁耦合供電一般要求發(fā)射線圈和植入式接收線圈同軸平行放置，以 保證電磁耦合效率，但在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，無線遙測的小動(dòng)物處于自由活動(dòng)狀態(tài)，常使植入其體 內(nèi)的植入式接收線圈發(fā)生傾斜而無法與外部發(fā)射線圈保持同軸平行，電磁耦合效率低，甚 至導(dǎo)致植入式無線遙測設(shè)備不工作。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種用于植入式無 線遙測的無線供能裝置，該裝置具有抗植入式接收線圈傾斜性，提高電磁耦合效率。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采取的技術(shù)手段是其用于植入式無線遙測的無線供能 裝置包括外部電路模塊、相互電連接的植入式接收線圈和植入式內(nèi)部電路模塊，在待測對(duì) 象體外置有多軸能量發(fā)射模塊，所述多軸能量發(fā)射模塊包括底座和固定于底座上表面的一 個(gè)以上扁平狀多軸耦合發(fā)射線圈組，各多軸耦合發(fā)射線圈組分別與所述外部電路模塊電連 接，每個(gè)所述多軸耦合發(fā)射線圈組由芯體和環(huán)繞于該芯體的兩個(gè)以上線圈組成，并有兩個(gè) 以上所述線圈相互交叉且各個(gè)線圈互不重疊。進(jìn)一步地，本發(fā)明在一個(gè)以上的所述多軸耦合發(fā)射線圈組中，相鄰線圈之間的夾 角為5 30°。進(jìn)一步地，本發(fā)明一個(gè)以上的所述多軸耦合發(fā)射線圈組是由五個(gè)線圈組成。進(jìn)一步地，本發(fā)明所述多軸耦合發(fā)射線圈組中的第一線圈為水平線圈，第二線圈 和第三線圈的交叉處的連接線與第四線圈和第五線圈的交叉處的連接線垂直。
進(jìn)一步地，本發(fā)明所述第一線圈位于第二線圈和第三線圈之間，且第一線圈位于 第四線圈和第五線圈之間。進(jìn)一步地，本發(fā)明所述第一線圈位于第二線圈、第三線圈、第四線圈和第五線圈的 上方，或者所述第一線圈位于第二線圈、第三線圈、第四線圈和第五線圈的下方。進(jìn)一步地，本發(fā)明所述植入式內(nèi)部電路模塊還含有依次電連接的能量監(jiān)控模塊、 無線發(fā)射模塊和發(fā)送天線，所述外部電路模塊還含有相互電連接的無線接收模塊和接收天 線。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是
(1)多軸耦合發(fā)射線圈組中相互交叉的線圈在同一個(gè)功率源驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生同步電磁場， 各個(gè)線圈產(chǎn)生的電磁場相互交叉，形成多軸向電磁場，植入式接收線圈通過電磁感應(yīng)接收 該多軸向的交叉電磁場的能量，在植入式接收線圈與水平面所成的一定傾斜角度((T30° ) 范圍內(nèi)，該電磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度基本恒定，植入式接收線圈與多軸耦合發(fā)射線圈組中不同 軸向的發(fā)射線圈進(jìn)行電感耦合，具有多軸向耦合的特點(diǎn)，當(dāng)植入式接收線圈發(fā)生傾斜時(shí)，接 收線圈的耦合能量基本保持恒定，從而使無線供能保持穩(wěn)定，提高了植入式接收線圈抗傾 斜性。(2)通過能量監(jiān)控反饋方式選擇耦合效率最高的多軸耦合發(fā)射線圈組發(fā)射電磁 波，對(duì)植入式無線遙測設(shè)備進(jìn)行精確定點(diǎn)供能，減小空余空間范圍的能量損耗，提高供能效率。(3)植入式接收線圈和植入式內(nèi)部電路模塊的體積小、重量輕，適合于小動(dòng)物進(jìn)行 植入式無線遙測實(shí)驗(yàn)。


圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖2是本發(fā)明多軸耦合發(fā)射線圈組的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是圖2的分解圖4是本發(fā)明外部電路模塊的具體連接關(guān)系示意圖； 圖5是本發(fā)明植入式內(nèi)部電路模塊及植入式接收線圈的連接關(guān)系示意圖； 圖6是本發(fā)明外部電路模塊連接示意圖7是本發(fā)明植入式內(nèi)部電路模塊及植入式接收線圈連接示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)的說明。圖1所示為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖，本發(fā)明用于植入式無線遙測的無線供能裝 置包括外部電路模塊1、多軸能量發(fā)射模塊2、植入式接收線圈3和植入式內(nèi)部電路模塊4。 外部電路模塊1和多軸能量發(fā)射模塊2置于待測對(duì)象外部，植入式接收線圈3和植入式內(nèi) 部電路模塊4則置于待測對(duì)象內(nèi)部。多軸能量發(fā)射模塊2包括底座6和固定于底座6上表 面的扁平狀多軸耦合發(fā)射線圈組5。多軸耦合發(fā)射線圈組5可以是一個(gè)或兩個(gè)以上，基本覆 蓋底座6的上表面。如圖1所示的本實(shí)施例中采用了四個(gè)多軸耦合發(fā)射線圈組5。各多軸耦合發(fā)射線圈組5分別與外部電路模塊1電連接，由此，外部電路模塊1給多軸耦合發(fā)射線 圈組5提供能量，各多軸耦合發(fā)射線圈組5發(fā)射電磁能量。植入式接收線圈3和植入式內(nèi) 部電路模塊4電連接，植入式接收線圈3接收電磁能量而產(chǎn)生交流電，植入式內(nèi)部電路模塊 4將此交流電轉(zhuǎn)換為直流電。 圖2所示為本發(fā)明多軸耦合發(fā)射線圈組的結(jié)構(gòu)示意圖。各多軸耦合發(fā)射線圈組5 由扁平狀的芯體7和環(huán)繞于該芯體7的兩個(gè)以上線圈組成，其中，有兩個(gè)以上線圈相互交叉 且各個(gè)線圈互不重疊。 如圖2和圖3所示，本實(shí)施例中采用了五個(gè)線圈，五個(gè)線圈S(TS4相互交叉環(huán)繞在 芯體7上。其中，第一線圈SO為水平線圈，第二線圈Sl和第三線圈S2在A、B兩處相交，第 四線圈S3和第五線圈S4在C、D兩處相交，并且連接線AB與連接線⑶垂直，由此使多軸耦 合發(fā)射線圈組所產(chǎn)生的交叉電磁場均勻?qū)ΨQ，植入式接收線圈3在與水平面成的一定傾斜 角度的情況下接收電磁能量保持基本恒定。此外，如圖2和圖3所示第一線圈SO位于第二 線圈Sl和第三線圈S2之間，同時(shí)第一線圈SO位于第四線圈S3和第五線圈S4之間。作為本發(fā)明的另一種實(shí)施方式，如圖4所示，第一線圈SO位于第二線圈Si、第三 線圈S2、第四線圈S3和第五線圈S4的上方。此外，第一線圈SO也可以位于第二線圈Si、 第三線圈S2、第四線圈S3和第五線圈S4的下方(參見圖5)。在以上兩種結(jié)構(gòu)中，第一線圈 SO可以與其他線圈交叉，也可以不與其他線圈交叉。在本發(fā)明中，相鄰線圈之間的夾角可以在5 30°范圍內(nèi)任意選取，只要使最終交 叉形成的多軸耦合發(fā)射線圈組呈扁平狀即可。圖6所示為本發(fā)明外部電路模塊連接示意圖，其中，外部電路模塊1包括處理模塊 8、振蕩模塊9、功率放大器10、多路選擇開關(guān)11、RF接收模塊12和接收天線13。接收天線 13、RF接收模塊12、處理模塊8和多路選擇開關(guān)11依次電連接，接收天線13接收來自植入 式內(nèi)部電路模塊4發(fā)送的反饋信息，該反饋信息包含植入式內(nèi)部電路模塊4的直流電壓值， RF接收模塊12將接收到的反饋信息發(fā)送給處理模塊8 ；處理模塊8接收該反饋信息，得到 植入式內(nèi)部電路模塊4的直流電壓值，并將該電壓值與歷史電壓值比較，判斷供電情況，并 據(jù)此發(fā)送控制信號(hào)以控制多路選擇開關(guān)11。振蕩模塊9、功率放大器10和多路選擇開關(guān)11 依次電連接；多路選擇開關(guān)11的每一路開關(guān)分別對(duì)應(yīng)地與一個(gè)多軸耦合發(fā)射線圈組5電連 接，且各多軸耦合發(fā)射線圈組5內(nèi)的各個(gè)線圈相互并聯(lián)。振蕩模塊9產(chǎn)生的振蕩信號(hào)經(jīng)過功 率放大器10放大后形成大功率振蕩電流，該振蕩電流通過多路選擇開關(guān)11傳輸?shù)蕉噍S耦 合發(fā)射線圈組5，從而發(fā)射電磁波。RF接收模塊12為RF接收芯片構(gòu)成的接收電路。處理 模塊8由單片機(jī)或DSP芯片構(gòu)成。振蕩模塊9為LC振蕩電路或DDS芯片構(gòu)成的信號(hào)源。如圖7所示為本發(fā)明植入式內(nèi)部電路模塊及植入式接收線圈連接示意圖，植入式 內(nèi)部電路模塊4包括整流濾波電路14、穩(wěn)壓電路15、能量監(jiān)控模塊16、RF發(fā)射模塊17和發(fā) 射天線18。植入式接收線圈3、整流濾波電路14和穩(wěn)壓電路15依次電連接，植入式接收線 圈3通過電感耦合方式接收多軸耦合發(fā)射線圈組5發(fā)射的電磁能量，產(chǎn)生交流電，整流濾波 電路15將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，穩(wěn)壓電路16對(duì)該直流電進(jìn)行穩(wěn)壓，產(chǎn)生穩(wěn)定的直流電。能 量監(jiān)控模塊16、RF發(fā)射模塊17和發(fā)射天線18依次電連接，能量監(jiān)控模塊16還與整流濾波 電路14電連接。其中，能量監(jiān)控模塊16由AD采樣電路和低功耗處理器構(gòu)成，檢測整流濾 波電路14產(chǎn)生的直流電的電壓值，并將該值通過RF發(fā)射模塊17和發(fā)射天線18無線發(fā)送，反饋給外部電路模塊1。本發(fā)明無線供能裝置的具體工作過程如下
將植入式接收線圈3和植入式內(nèi)部電路模塊4植入到待測對(duì)象內(nèi)(如大鼠體內(nèi))，將大 鼠置于飼養(yǎng)籠中，大鼠可在飼養(yǎng)籠內(nèi)自由活動(dòng)，飼養(yǎng)籠底面為長方形，飼養(yǎng)籠置于多軸能量 發(fā)射模塊2上，飼養(yǎng)籠底面不超出多軸能量發(fā)射模塊2上表面。處理模塊8通過輪詢方式控制多路選擇開關(guān)11輪流選通，對(duì)各個(gè)多軸耦合發(fā)射線 圈組5輪流供電，同時(shí)接收反饋信息。植入式接收線圈3通過電感耦合方式接收電磁能量， 由整流濾波電路15產(chǎn)生直流電，能量監(jiān)控模塊16檢測該直流電壓，并將該電壓值通過RF 發(fā)射模塊17和發(fā)射天線18發(fā)送，接收天線13和RF接收模塊12接收該反饋信息，并將該 信息發(fā)送給處理模塊8，處理模塊8記錄該電壓值，通過一次循環(huán)，處理模塊8得到各個(gè)多軸 耦合發(fā)射線圈組5分別供電時(shí)植入式接收線圈3反饋的電壓值，最大反饋電壓值所對(duì)應(yīng)的 多軸耦合發(fā)射線圈組5為耦合效率最高線圈組；處理模塊8控制多路選擇開關(guān)11連接該線 圈組和功率放大器10，在接下來的一段時(shí)間多路選擇開關(guān)11保持該連接。由于動(dòng)物走動(dòng)使 植入式接收線圈3位置發(fā)生變化，當(dāng)植入式接收線圈3向處理模塊8反饋的電壓值降低為 最大反饋電壓值的一半，此時(shí)重復(fù)輪詢操作，找到最佳供電效率的多軸耦合發(fā)射線圈組5， 繼續(xù)供電。可見，使用本發(fā)明無線供能裝置，即使植入式接收線圈發(fā)生傾斜，也能使接收線 圈的耦合能量基本保持恒定，從而使無線供能保持穩(wěn)定，提高了植入式接收線圈抗傾斜性。 并且，通過能量監(jiān)控反饋方式選擇耦合效率最高的多軸耦合發(fā)射線圈組發(fā)射電磁波，對(duì)植 入式接收線圈3進(jìn)行精確定點(diǎn)供能，減小空余空間范圍的能量損耗，提高供能效率。
權(quán)利要求
1.一種用于植入式無線遙測的無線供能裝置，包括外部電路模塊(1)、相互電連接的 植入式接收線圈(3)和植入式內(nèi)部電路模塊(4)，其特征是在待測對(duì)象體外置有多軸能量 發(fā)射模塊(2 )，所述多軸能量發(fā)射模塊(2 )包括底座(6 )和固定于底座(6 )上表面的一個(gè)以 上扁平狀多軸耦合發(fā)射線圈組(5)，各多軸耦合發(fā)射線圈組(5)分別與所述外部電路模塊 (1)電連接，每個(gè)所述多軸耦合發(fā)射線圈組(5)由芯體和環(huán)繞于該芯體的兩個(gè)以上線圈組 成，并有兩個(gè)以上所述線圈相互交叉且各個(gè)線圈互不重疊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于植入式無線遙測的無線供能裝置，其特征是在一個(gè)以 上的所述多軸耦合發(fā)射線圈組中，相鄰線圈之間的夾角為5 30°。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于植入式無線遙測的無線供能裝置，其特征是一個(gè) 以上的所述多軸耦合發(fā)射線圈組是由五個(gè)線圈組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于植入式無線遙測的無線供能裝置，其特征是所述多軸 耦合發(fā)射線圈組中的第一線圈為水平線圈，第二線圈和第三線圈的相交處的連接線與第四 線圈和第五線圈的相交處的連接線垂直。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于植入式無線遙測的無線供能裝置，其特征是所述第一 線圈位于第二線圈和第三線圈之間，且第一線圈位于第四線圈和第五線圈之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于植入式無線遙測的無線供能裝置，其特征是所述第一 線圈位于第二線圈、第三線圈、第四線圈和第五線圈的上方，或者所述第一線圈位于第二線 圈、第三線圈、第四線圈和第五線圈的下方。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于植入式無線遙測的無線供能裝置，其特征是所述植入 式內(nèi)部電路模塊(4)還含有依次電連接的能量監(jiān)控模塊(16)、無線發(fā)射模塊(17)和發(fā)送天 線(18)，所述外部電路模塊(1)還含有相互電連接的無線接收模塊(12)和接收天線(13)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種用于植入式無線遙測的無線供能裝置。該裝置包括外部電路模塊、相互電連接的植入式接收線圈和植入式內(nèi)部電路模塊，在待測對(duì)象體外置有多軸能量發(fā)射模塊，多軸能量發(fā)射模塊包括底座和固定于底座上表面的一個(gè)以上扁平狀多軸耦合發(fā)射線圈組，各多軸耦合發(fā)射線圈組分別與外部電路模塊電連接，每個(gè)所述多軸耦合發(fā)射線圈組由芯體和環(huán)繞于該芯體的兩個(gè)以上線圈組成，并有兩個(gè)以上線圈相互交叉且各個(gè)線圈互不重疊。本發(fā)明無線供能裝置具有多軸向耦合特點(diǎn)，提高了植入式接收線圈的抗傾斜性；并可根據(jù)動(dòng)物在飼養(yǎng)籠中的位置選擇不同多軸耦合發(fā)射線圈組進(jìn)行供能，提高供電效率；適用于小動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中為植入式無線遙測進(jìn)行無線供能。
文檔編號(hào)H02J17/00GK102122846SQ20101059421
公開日2011年7月13日 申請(qǐng)日期2010年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月18日
發(fā)明者葉學(xué)松, 周聰聰, 方璐, 梁波, 王鵬 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)