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基于數字線圈對陣列的人工心臟信號能量傳遞方法及傳遞紙.pdf

摘要
申請專利號:

CN201210002749.0

申請日:

2012.01.06

公開號:

CN102553006B

公開日:

2014.12.10

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):A61M 1/12申請日:20120106|||公開
IPC分類號: A61M1/12 主分類號: A61M1/12
申請人: 浙江大學
發明人: 阮曉東; 傅陽; 胡亮; 傅新
地址: 310027 浙江省杭州市西湖區浙大路38號
優先權:
專利代理機構: 杭州求是專利事務所有限公司 33200 代理人: 林懷禹
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201210002749.0

授權公告號:

102553006B||||||

法律狀態公告日:

2014.12.10|||2012.09.19|||2012.07.11

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明公開了一種基于數字線圈對陣列的人工心臟信號能量傳遞方法和傳遞紙。發射紙和接收紙上均按矩陣形式陣列分別布置有相同的m*n線圈對,線圈相互對應排列;發射紙上線圈與供能模塊相連,接收紙上線圈與信號解調模塊和合并單元相連。發射紙上每對數字線圈對有且僅有一個線圈傳遞能量,不同數字線圈通電分表代表信號0和1,m*n對線圈一次完成m*n位信號的傳遞。對接收紙上m*n對線圈所傳輸電能進行收集與匯總,進行整流后,實現為人工心臟供電,同時對m*n對線圈中的每個線圈進行電信號檢測,獲得所傳遞的信號。本發明在不影響能量傳輸效率的基礎下高速傳遞信號,電路結構簡單,成本低,有利于植入式人工心臟擺脫經皮電纜的束縛。

權利要求書

1.一種基于數字線圈對陣列的人工心臟信號能量傳遞方法,其特征在于,該方法的步驟如下:電源模塊(5)、信號控制模塊(6)及驅動電路(7)組成供能模塊,為發射紙(8)提供電能,發射紙和接收紙上按矩陣式陣列有n*m對數字線圈對,發射紙上數字線圈對將電能以電磁波形式發射出去,同時將信號0,1集成在能量上一起傳輸;接收紙(9)上的數字線圈通過磁耦合共振接收到電磁能并將之轉化成電能,分為兩路,一路經合并單元(11)將能量組合匯總后通過整流電路穩定的為人工心臟供電,另一路信號解調模塊(10)解調得到所傳送的信號,實現人工心臟信號能量的無線同路傳輸。2.根據權利要求2所述的一種基于數字線圈對陣列的人工心臟信號能量傳遞方法,其特征在于:所述的供能模塊的電源頻率與所述數字線圈固有頻率相同,安裝時發射紙和接收紙上相應配對的數字線圈中心線空間上相互重合,通過磁耦合共振,接收紙上的數字線圈僅能接收到發射紙上所相應配對線圈所傳遞的能量。3.根據權利要求1所述的一種基于數字線圈對陣列的人工心臟信號能量傳遞方法,其特征在于:所述的發射紙上按矩陣式陣列有n*m對數字線圈為am*n、bm*n,每對發射紙上數字線圈有且僅有一個數字線圈傳遞能量,aij通電bij不通,代表該對數字線圈傳遞的信號為0,相反的,bij通電aij不通,代表該對數字線圈傳遞的信號為1,那么m*n對數字線圈對同時能傳遞m*n位信號;所述的接收紙上按矩陣式陣列有n*m對數字線圈Am*n、Bm*n,利用電源并聯均流技術對接收紙上數字線圈能量進行組合匯總,實現為人工心臟供電;通過檢測,當接收端線圈有電信號,就能判斷出接收紙上數字線圈所配對的傳遞紙上的數字線圈有無通電,Aij檢測到電信號Bij沒有,代表該對線圈接收到的信號為0,相反的,Bij檢測到電信號Aij沒有,代表該對線圈接收到的信號為1,那么m*n對線圈對同時能接收到m*n位信號。4.一種基于數字線圈對陣列的人工心臟信號能量傳遞紙,其特征在于:包括發射紙(11)和接收紙(12),發射紙(11)和接收紙(12)上均按矩陣形式陣列分別布置有相同的m*n數字線圈對,每對數字線圈均由兩個相同線圈組成,發射紙(11)上數字線圈與接收紙(12)上數字線圈一一配對,相互對應排列;發射紙(11)上數字線圈經排線、排線接口與供能模塊相連,接收紙(12)上數字線圈經另一排線、另一排線接口與信號解調模塊(13)和合并單元(14)相連。5.根據權利要求4所述的一種基于數字線圈對陣列的人工心臟信號能量傳遞紙,其特征在于:所述的發射紙(8)和接收紙(9)上均按矩陣形式陣列分別布置的m*n線圈對中m為1行以上,n為1列以上,其m*n根據人工心臟所需能量大小設定。

說明書

基于數字線圈對陣列的人工心臟信號能量傳遞方法及傳遞紙

技術領域

本發明涉及一種人工心臟信號能量傳遞方法,尤其是涉及一種基于數字線圈對陣列的人工心臟信號能量傳遞方法和傳遞紙。

背景技術

作為人類健康的第一殺手,心血管疾病每年會奪去數千萬人的生命,占全球死亡病因的三分之一。在中國大約有1000萬心臟衰竭患者,每年有200萬以上患者因終末期心衰而死亡,心臟移植是治療終末期心衰的唯一有效辦法,但是每年只有數十例患者有機會接受活體心臟的移植。人工心臟作為活體心臟的替代體,其預期產業規模超過1000億美元。能量傳遞系統是連接植入的人工心臟動作和外能源供給的橋梁,信息是人機有效交流的一種途徑,傳統的人工心臟使用經皮電纜進行能量的傳輸,用導線或者導管穿過人體,這不僅增加了創口感染的風險,也在很大程度上限制了患者的生活質量。美國馬里蘭的國立心肺血液研究所提出,人工心臟應該是能夠全部植入體內的,沒有任何的導線或導管穿透人體體膚。因此,能量和信息無線傳遞的是一個很好的功能方式。

無線供電思想最早由尼古拉·特斯拉在1890年時候提出,并設計出了的方案,嘗試利用地面與大氣電離層之間的電磁波來進行遠距離的電能傳輸。麻省理工學院的學者2007年時在科學雜志上提出了利用磁耦合共振實現能量的無線傳輸,這種方式能實現無輻射的。

人工心臟上的無線能量傳輸最早由美國密蘇里大學的Schuder等人提出,其原理是基于初級線圈和次級線圈的電磁耦合,次級線圈布置在人體的皮下組織,經常是在前胸壁的上部,初級線圈正對次級線圈固定于人體皮膚外表面。外部電路將直流電源轉化成為所需的高頻交流電源,為初級線圈供能;內部電路將次級線圈接收并轉化的高頻交流電整流成直流電為人工心臟供能。日本學者Mamoru?Takahashi提出將所需要傳遞的信息高頻的加載在能量波上,利用幅值調制方式,通過同一對線圈達到能量信息的同路傳輸;然而,幅值調制的方式通過傳遞能量的幅值變化,必然會影響能量傳遞的效率;日本學者Nozomi?Tamura提出將傳遞信息和能量分開傳遞,通過使傳遞信息和能量的線圈中心線垂直放置,達到傳遞的磁場互不干擾,此方法由于線圈不在一個平面,必然引起植入體積龐大,影響植入;德國宇航中心提出能量和信息分模塊傳遞的方法,利用磁耦合技術單獨傳遞能量,通過增加無線射頻模塊來實現信息的傳遞,該方法信號和能量互不干擾,但增加了個射頻模塊勢必會增加了植入裝置的體積。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于數字線圈對陣列的人工心臟信號能量傳遞方法和傳遞紙,不影響能量傳遞效率,不增加植入裝置體積的基礎下,高速、有效的傳遞信息。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:

一、一種基于數字線圈對陣列的人工心臟信號能量傳遞方法:

該方法的步驟如下:電源模塊、驅動電路及信號控制模塊組成供能模塊,為發射紙提供電能,發射紙和接收紙上按矩陣式陣列有n*m對數字線圈對,發射紙上數字線圈對將電能以電磁波形式發射出去,同時將信號0,1集成在能量上一起傳輸;接收紙上的數字線圈通過磁耦合共振接收到電磁能并將之轉化成電能,分為兩路,一路經合并單元將能量組合匯總后通過整流電路穩定的為人工心臟供電,另一路信號解調模塊解調得到所傳送的信號,實現人工心臟信號能量的無線同路傳輸。

所述的供能模塊的電源頻率與所述數字線圈固有頻率相同,安裝時發射紙和接收紙上相應配對的數字線圈中心線空間上相互重合,通過磁耦合共振,接收紙上的數字線圈僅能接收到發射紙上所相應配對線圈所傳遞的能量。

所述的發射紙上按矩陣式陣列有n*m對數字線圈為am*n、bm*n,每對發射紙上數字線圈有且僅有一個數字線圈傳遞能量,aij通電bij不通,代表該對數字線圈傳遞的信號為0,相反的,bij通電aij不通,代表該對數字線圈傳遞的信號為1,那么m*n對數字線圈對同時能傳遞m*n位信號;所述的接收紙上按矩陣式陣列有n*m對數字線圈Am*n、Bm*n,利用電源并聯均流技術對接收紙上數字線圈能量進行組合匯總,實現為人工心臟供電;通過檢測,當接收端線圈有電信號,就能判斷出接收紙上數字線圈所配對的傳遞紙上的數字線圈有無通電,Ai檢測到電信號Bi沒有,代表該對線圈接收到的信號為0,相反的,Bi檢測到電信號Ai沒有,代表該對線圈接收到的信號為1,那么m*n對線圈對同時能接收到m*n位信號。

二、一種基于數字線圈對陣列的人工心臟信號能量傳遞紙:

本發明包括發射紙和接收紙,發射紙和接收紙上均按矩陣形式陣列分別布置有相同的m*n數字線圈對,每對數字線圈均由兩個相同線圈組成,發射紙上數字線圈與接收紙上數字線圈一一配對,相互對應排列;發射紙上數字線圈經排線、排線接口與供能模塊相連,接收紙上數字線圈經另一排線、另一排線接口與信號解調模塊和合并單元相連。

所述的發射紙和接收紙上均按矩陣形式陣列分別布置的m*n線圈對中m為1行以上,n為1列以上,其m*n根據人工心臟所需能量大小設定。

本發明具有的有益效果是:

(1)結構簡單,成本低,可操作性強。本發明簡化了信號的發射電路,只需增加傳遞線圈個數就能達到信號傳遞的效果。

(2)能量傳遞效率高。本發明利用近場耦合技術,令傳遞的線圈對之間產生共振來實現能量的傳輸,信號傳遞時完全不影響能量的傳輸。

(3)信號傳遞速度快,傳輸量大。本發明采用不同編號線圈組傳遞能量實現信號的傳遞,一個傳遞周期能夠傳遞多位信息,達到信號的高速傳遞。

(4)信號發射和獲取機理簡單。本發明信號的發射無需額外調制,而信號接收端也僅需簡單的檢測接收線圈的電信號通過就能達到信號的收發,信號收發機理簡單。

附圖說明

圖1是發射紙結構示意圖。

圖2是本發明能量傳遞紙的結構示意圖。

圖3是接收端示意圖。

圖中:1、絕緣塑料紙,2、數字電感線圈,3、排線,4、排線接口,5電源模塊,6、信號控制模塊,7、驅動電路,8、發射紙,9、接收紙,10、信號解調模塊,11合并單元、,12、整流電路,13、人工心臟。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明做進一步說明。

如圖1、圖2、圖3所示,本發明包括發射紙8和接收紙9,發射紙8和接收紙9上均按矩陣形式陣列分別布置有相同的m*n數字線圈對,每對數字線圈均由兩個相同線圈組成,發射紙8上數字線圈與接收紙9上數字線圈一一配對,相互對應排列;發射紙8上數字線圈經排線3、排線接口4與供能模塊相連,接收紙9上數字線圈經另一排線3、另一排線接口4與信號解調模塊10和合并單元11相連。

所述的發射紙8和接收紙9上均按矩陣形式陣列分別布置的m*n線圈對中m為1行以上,n為1列以上,其m*n根據人工心臟所需能量大小設定。

基于數字線圈對陣列的人工心臟信號能量傳遞方法:

電源模塊5、信號控制模塊6及驅動電路7組成供能模塊,為發射紙提供電能,發射紙8和接收紙9上按矩陣式陣列有n*m對數字線圈對,發射紙8上數字線圈對將電能以電磁波形式發射出去,同時將信號0,1集成在能量上一起傳輸;接收紙9上的數字線圈通過磁耦合共振接收到電磁能并將之轉化成電能,分為兩路,一路經合并單元11將能量組合匯總后通過整流電路12穩定的為人工心臟13供電,另一路信號解調模塊10解調得到所傳送的信號,實現人工心臟13信號能量的無線同路傳輸。

所述的供能模塊的電源頻率與所述數字線圈固有頻率相同,安裝時發射紙8和接收紙9上相應配對的數字線圈中心線空間上相互重合,通過磁耦合共振,接收紙9上的數字線圈僅能接收到發射紙8上所相應配對數字線圈所傳遞的能量。

如圖1所示,所述的發射紙8上按矩陣式陣列有n*m對數字線圈為am*n、bm*n,每對發射紙上數字線圈有且僅有一個數字線圈傳遞能量,aij通電bij不通,代表該對數字線圈傳遞的信號為0,相反的,bij通電aij不通,代表該對數字線圈傳遞的信號為1,那么m*n對數字線圈對同時能傳遞m*n位信號;所述的接收紙9上按矩陣式陣列有n*m對數字線圈Am*n、Bm*n,利用電源并聯均流技術對接收紙上數字線圈能量進行組合匯總,實現為人工心臟供電;通過檢測,當接收端線圈有電信號,就能判斷出接收紙上數字線圈所配對的傳遞紙上的數字線圈有無通電,Aij檢測到電信號Bij沒有,代表該對線圈接收到的信號為0,相反的,Bij檢測到電信號Aij沒有,代表該對線圈接收到的信號為1,那么m*n對線圈對同時能接收到m*n位信號。

如圖1所示,用于傳遞能量的數字電感線圈2對陣列固定在絕緣塑料紙1上,參考矩陣排列數組命名規則,線圈對編號如下:線圈對a11、b11,a12、b12,?…,aij、bij…,amn、bmn,共m*n對線圈,通過排線3將陣列中的每個數字電感線圈2與排線接頭4相連,便構成了本發明的關鍵部件之一發射紙8;接收紙9結構形狀與發射紙完全一樣,數字線圈相應編號改變為線圈對A11、B1,?A12、B12,…,Aij、Bij…,Amn、Bmn。為了確保使用時能量傳輸的性能,絕緣塑料紙1上的電感線圈2應盡可能密,又為了減小各數字電感線圈2之間傳輸的相互干擾,數字電感線圈2直徑約為8mm,同一對數字電感線圈2中心距約為1mm,每對數字電感線圈2中心距約為2mm。因此,需要通過特殊的IC工藝方可完成上述發射紙8和接收紙9的制作,具體制作方法如下:通過電路精密的印刷工藝,在絕緣紙1上布置排線3;通過熱附著工藝,將數字電感線圈2固定在塑料絕緣紙1的正面;在每個數字電感線圈2下方布置過孔,通過壓焊工藝,將數字電感線圈2輸出端與對應的排線3相連;最后,再次通過壓焊工藝,將排線3與排線接口4相連。為了滿足不同功率傳送需求,塑料絕緣紙1上的數字電感線圈2和排線3都設計成具有獨立性,即可以任意去除其中上面的任一數字電感線圈2和排線3,都不會影響整體系統的工作。

如圖3所示,將發射紙8貼在人皮膚外側,將接收紙9正對的布置在內腔的皮膚上,布置時確保數字電感線圈aij和Aij中心線空間上的重合,其中aij發射的能量只有Aij能高效的接收。電源模塊5為整個系統提供所需的交流電源,其工作頻率與單個數字電感線圈的固有頻率相同,信號控制模塊6由智能芯片組成,通過人機交換界面等方式,把所需要發送的信息儲存在芯片的內部存儲單元中,通過端口控制驅動電路7中的開關管的通斷控制選擇發射紙8上數字電感線圈通斷實現電能輸送;每個傳遞周期內,發射紙8上每對數字電感線圈有且僅有一個數字電感線圈工作,aij通電bij不通,代表該對線圈傳遞的信號為0,相反的,bij通電aij不通,代表該對線圈傳遞的信號為1,那么m*n對線圈對同時能傳遞m*n位信號;接收紙9上數字電感線圈通過磁耦合共振接收到發射紙8上數字電感線圈傳遞的能量,由于單個數字電感線圈所能傳輸接收的能量有限,為了滿足人工心臟13運行所需的能量,必須對接收紙9上的數字電感線圈對所接收到的能量進行組合匯總,本發明利用合并單元11實現線圈電源并聯均流;合并單元11主要由超導儲能元件,電源控制芯片和電流檢測芯片組成,其中檢測芯片根據負載電流,反饋給控制芯片,調節各線圈能量功率合并,實現線圈電源并聯均流、組合匯總儲存到超導儲能元件中;合并單元11對能量進行組合匯總后經整流模塊12將電源轉化成直流電為人工心臟13供能,任意時刻接收紙上9同時有m*n個線圈接收到發射紙8上m*n個線圈所傳遞的能量,達到能量的穩定供給。信號解調模塊10與接收紙9直接相連,通過檢測接收紙上線圈的電信號,即當接收端線圈電信號強度超過某一定值,就能判斷出該線圈對應所配對的發射紙上的線圈有無通電,Aij檢測到電信號Bij沒有,代表該對線圈接收到的信號為0,相反的,Bij檢測到電信號Aij沒有,代表該對線圈接收到的信號為1,那么m*n對線圈對同時能接收到m*n位信號。因此,本發明提供一種高效能量與高速信號同路傳輸方法與裝置。

關 鍵 詞:
基于 數字 線圈 陣列 人工心臟 信號 能量 傳遞 方法
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