CN102638113B - 一种磁耦合谐振装置 - Google Patents
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Abstract
一种磁耦合谐振装置，属于无线能量传输装置，解决现有磁耦合谐振装置存在的生物体自由活动过程中的体外稳定供能问题。本发明包括驱动线圈阵列、发射线圈阵列、接收线圈和负载线圈，驱动线圈阵列和发射线圈阵列位于生物体外，接收线圈和负载线圈植入生物体内，驱动线圈阵列和发射线圈阵列叠放，驱动线圈阵列用于驱动发射线圈阵列；接收线圈由螺线管线圈及两个圆形平面螺旋线圈彼此串接构成，构成封闭圆柱体；所述负载线圈为射频同轴电缆构成的单匝圆环，置于所述接收线圈内。本发明基于非辐射磁耦合谐振，为不含电池的体内装置提供长期、稳定、高效的电能，使得生物体自由活动过程中无需穿戴体外发射线圈便能够获得持续稳定的电能供应。
Description
技术领域
本发明属于无线能量传输装置，具体涉及一种磁耦合谐振装置，用于生物体运动过程中植入式医疗器件的无线经皮能量传递。
背景技术
随着微电子和信号处理技术的飞速发展，植入式电子装置在临床医学中得到越来越广泛的应用。人体植入式电子设备作为一种埋置在人体或生物体内的电子设备，包括对身体不同部位的各种辅助和救助设备，主要用来诊断、治疗某些疾病，长期监测体内生理生化参数的变化，实现在生命体自然状态下的直接测量和控制，也可用来代替某些功能已丧失的器官。
在植入式电子系统中，能量供给是至关重要的问题，是确保系统长期稳定工作的必要前提条件。目前较小功率的植入式电子装置采用一次性电池或可充电池供电，其使用受电池尺寸和寿命限制，例如由美国Cyberonics公司生产用于治疗癫痫的植入神经刺激器，预期寿命8年左右；美国Medtronic提供的脑深部电刺激器电池一般只能用3～5年，到时需要手术更换，每次要四、五万美元，不仅加重了患者的经济负担，而且也增加其所受的痛苦和手术风险。对于人工心脏等具有较高功率需求的植入装置，则通常由体外电池组通过经皮导线为其供电，不仅极易造成致命感染，而且使患者活动严重受限。另一方面，医生和患者都希望植入式设备的体积尽可能小，纳米技术、微电子机械技术和分子电子学的快速发展为植入式电子设备的微型化提供了关键技术，但内部电池占用了植入器件大部分体积和重量，成为妨碍其微型化的“瓶颈”，即便采用可充电电池，较大的体积、重量和有限的使用寿命仍制约了植入式器件的发展。因此，如何提供长期、稳定、安全高效的电能成为植入式电子装置研究的关键。
为了使病人摆脱外部电源的束缚，提高术后的社会参与、改善生活质量，必须研究经皮肤传输电能的系统。到目前为止，基于磁耦合的经皮能量传递虽然克服了传统供电方式的诸多弊端，得到较快发展，但在产品化和临床应用中仍存在耦合系数低、供能不稳定、体内植入深度受限、射频干扰和局部组织热效应等技术“瓶颈”，严重制约了植入式器件的临床效果和微型化发展。
非辐射性磁耦合谐振(Witricity)作为新型无线供电技术，关键在于非辐射性磁耦合的使用，两个相同频率的谐振物体产生很强的相互耦合，而与周围非谐振物体只有较弱的交互。Witricity系统包括驱动环、初级发射谐振天线、次级接收谐振天线和负载环，其中驱动环和初级谐振天线之间采用松磁耦合方式连接组成能量发射系统；次级接收谐振天线和负载环之间采用松磁耦合方式连接组成能量接收系统。MIT助理教授Marin Soljacic是该系统的发明者，其MIT研究小组演示了无线供电，他们从2米的距离成功地点亮了60W灯泡，即使两个谐振线圈间有障碍物存在，也能让灯泡继续发光。传统的磁耦合被用于短距离范围，传输距离只能通过增强磁场强度来增加；WiTricity使用匹配的谐振天线，可实现中距离(mid-range)的能量传输，而不需要增强磁场强度。
美国专利US2011/0101788A1所描述的Witricity装置通过在身体不同位置穿戴多个发射线圈为体内植入式器件经皮供能，也可用于体域传感器网络的无线能量供给，给出了能量收、发线圈的多种不同线圈结构设计，采用不同模式的导体薄膜形成分布电容，增加线圈LC谐振的电容值，在降低谐振频率的同时达到改善线圈Q值的目的。但该Witricity装置若用于植入式医疗器件体外供能，则使用者需随身携带射频能量供给装置和穿戴体外能量发射线圈，限制其自由活动，用于实验动物尤其不便，无法为置入实验动物体内的植入式器件自由供能。
发明内容
本发明提供一种磁耦合谐振装置，解决现有磁耦合谐振装置存在的生物体自由活动过程中的体外稳定供能问题，用于植入式医疗器件的无线经皮能量传递。
本发明所提供的一种磁耦合谐振装置，包括驱动线圈阵列、发射线圈阵列、接收线圈和负载线圈，驱动线圈阵列和发射线圈阵列位于生物体外，经过皮肤无线传递能量，接收线圈和负载线圈植入生物体内，其特征在于：
所述驱动线圈阵列为由N个基本驱动单元构成的平面阵列，每个基本驱动单元由7个驱动环、开口外铜环和开口内铜环构成，7个驱动环排列成正六边形，各驱动环为单匝铜线圈，其两端分别连接至同轴叠放、互相绝缘的开口外铜环、开口内铜环上；驱动线圈阵列中各基本驱动单元的开口外铜环、开口内铜环分别连接至射频功率放大器两输出端；N＝1～10000；
所述发射线圈阵列为由N个基本发射单元构成的平面阵列，每个基本发射单元由7个发射线圈构成；7个发射线圈排列成正六边形，每个发射线圈由正六边形基板及其正面的平面螺旋线圈、正六边形基板背面均匀对称分布的铜片构成；
所述驱动线圈阵列和发射线圈阵列叠放，驱动线圈阵列用于驱动发射线圈阵列，所述基本驱动单元外形平面尺寸和基本发射单元外形平面尺寸相同；单个驱动环和单个发射线圈空间位置对应，构成一个能量发射单元；
所述接收线圈由螺线管线圈及两个平面螺旋线圈彼此串接构成，两个平面螺旋线圈分别位于螺线管线圈的上、下端面，构成封闭柱体；
所述负载线圈为射频同轴电缆构成的单匝圆环，置于所述接收线圈内，与所述接收线圈之间磁耦合，进行能量传递，为负载提供能量。
所述的磁耦合谐振装置，其特征在于：
所述发射线圈中，正六边形基板背面的铜片关于正六边形基板中心对称，呈米字形均匀辐射分布。
所述的磁耦合谐振装置，其特征在于：
所述螺线管线圈为圆筒形螺线管线圈或矩形截面螺线管线圈，所述两个平面螺旋线圈相应为圆形平面螺旋线圈或矩形平面螺旋线圈，构成的接收线圈相应为封闭圆柱体或封闭长方体。
本发明发射线圈阵列由若干个发射线圈组成，用于为自由定位的接收线圈提供稳定的能量供应。发射线圈采用双面印刷电路板工艺在基板正反面交叉放置平面螺旋线圈和铜片的结构，制造简单、成本低，增加发射线圈的分布电容C，降低谐振频率，同时具有低谐振频率ω0和高Q值，而且在上方一定距离的平行平面内能产生较螺线管线圈更为均匀的磁场。
发射线圈阵列采用分布式驱动，每个发射线圈由一个驱动环单独驱动，可提高运动场上方一定高度平面内磁场分布的强度和均匀程度。采用驱动线圈阵列设计还可灵活选择其中任意数目的驱动环工作，跟踪能量接收线圈进行靶向驱动，进一步减小能量发射范围和强度，增加生物体供能的本质安全性能。
接收线圈为封闭柱体结构，可用作生物医学植入器件的封装外壳，不仅能降低接收线圈谐振频率、提高接收线圈Q值，而且能解决物理尺寸差异较大的体内外发射、接收线圈匹配谐振的问题。
本发明基于非辐射磁耦合谐振，应用于植入式器件，采用发射线圈阵列，为不含电池的体内装置提供长期、稳定、高效的电能，使得生物体自由活动过程中无需穿戴体外发射线圈便能够获得持续稳定的电能供应。
附图说明
图1为本发明示意图；
图2为驱动环阵列示意图；
图3为基本驱动单元示意图；
图4为发射线圈阵列示意图；
图5为发射线圈示意图；
图6(a)～图6(d)为不同铜片置放模式的发射线圈示意图；
图7(a)为接收线圈组成部件示意图；
图7(b)为接收线圈组装示意图；
图8为本发明用于小动物的医学实验示意图；
图9为本发明用于大型灵长类实验动物或人体的医学实验示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，本发明包括驱动环阵列1、发射线圈阵列2、接收线圈3和负载线圈13，驱动环阵列和发射线圈阵列位于生物体外，经过皮肤20无线传递能量，接收线圈和负载线圈植入生物体内；其中驱动环阵列用于驱动发射线圈阵列，发射线圈阵列作为体外能量发射的谐振天线，与体内能量接收谐振线圈一起基于非辐射磁耦合谐振原理实现能量由体外向体内经皮无线传递，从而达到为不含电池的体内装置提供长期、稳定、高效电能的目的，使得生物体自由活动过程中无需穿戴体外发射线圈便能够获得持续稳定的电能供应。
如图2所示，所述驱动环阵列为由12个基本驱动单元7构成的平面阵列，如图3所示，每个基本驱动单元7由7个驱动环4、开口外铜环8和开口内铜环9构成，7个驱动环排列成正六边形，各驱动环为单匝铜线圈，其两端分别连接至同轴平放、互相绝缘的开口外铜环8、开口内铜环9上；驱动环阵列中各基本驱动单元的开口外铜环8、开口内铜环9分别连接至射频功率放大器两输出端；
如图4所示，所述发射线圈阵列为由12个基本发射单元10构成的平面阵列，每个基本发射单元10由7个发射线圈5构成；7个发射线圈排列成正六边形，每个发射线圈由正六边形基板及其正面的平面螺旋线圈11、正六边形基板背面均匀对称分布的铜片12构成；如图5所示，正六边形基板背面的铜片12关于正六边形基板中心对称，呈米字形均匀辐射分布；
与普通螺线管线圈相比，本实施例的发射线圈能产生更为均匀的磁场，且制造简单、成本低。较高Q值的发射线圈不仅对于Witricity系统的能量传递效率非常关键，而且成为用模式耦合理论(Coupled mode theory，CMT)分析该系统的前提条件。
发射线圈的Q值与谐振频率ω0有关，即其中L为发射线圈自感，R为等效电阻，因此Q值较高的发射线圈谐振频率也较高。另一方面，发射线圈谐振频率决定了射频信号产生和功率放大电路的工作频率范围，工作频率越高对电路元件的性能要求也高，电磁兼容和屏蔽的要求更高，从而增加整个系统硬件的成本，影响系统的性能价格比。本实施例能很好地解决发射线圈较高Q值和较低谐振频率ω0之间的矛盾，由于发射线圈的LC并联谐振频率其中C为发射线圈的分布电容，本实施例采用发射线圈添加铜片的方法增加分布电容C，达到降低谐振频率ω0的目的。如图6(a)～图6(d)所示，对于不同铜片排列模式，利用美国Ansoft公司的仿真软件HFSS(High FrequencyStructure Simulator)，可仿真并分析任意三维无源结构高频电磁场，仿真得到对应铜片排列模式发射线圈的Q值和谐振频率ω0，见表1，在此基础上可选择合适的铜片排列模式，设计合理的发射线圈。
表1不同铜片排列模式的平面螺旋线圈仿真
| 铜片排列模式 | 谐振频率f0(MHZ) | 平面螺旋线圈Q值 |
| 图6(a) | 17.2628 | 594.473 |
| 图6(b) | 23.33 | 636.142 |
| 图6(c) | 23.86 | 747.975 |
| 图6(d) | 23.97 | 734.573 |
所述驱动线圈阵列和发射线圈阵列叠放，驱动线圈阵列用于驱动发射线圈阵列，所述基本驱动单元7外形平面尺寸和基本发射单元10外形平面尺寸相同；单个驱动环4和单个发射线圈5空间位置对应，构成一个能量发射单元6；
发射线圈阵列采用分布驱动方式，每个发射线圈5由一个驱动环单独驱动，可提高磁场分布的强度和均匀程度，使得生物体自由活动中体内外能量传递的谐振线圈之间耦合稳定，从而体内植入器件得到恒定的能量供给。
对于非辐射磁谐振耦合无线能量传递系统，能量发射和接收谐振天线的匹配非常重要，但植入体内的能量接收谐振线圈尺寸受植入位置的制约，而增加体外发射线圈的尺寸不仅便于填充较大的运动场，而且有效增加能量的传递距离，所以物理尺寸差异较大的体外发射线圈和体内接收线圈如何匹配谐振成为需解决的关键问题。
如图7(a)、图7(b)所示，所述接收线圈3由螺线管线圈14及两个平面螺旋线圈15彼此串接构成，两个平面螺旋线圈15分别位于螺线管线圈14的上、下端面，螺线管线圈14为圆筒形螺线管线圈，两个平面螺旋线圈15为圆形平面螺旋线圈，构成封闭圆柱体。这种结构不仅降低接收线圈谐振频率，提高接收线圈Q值，而且可用作生物医学植入装置的封装。
所述负载线圈13为射频同轴电缆构成的单匝圆环，置于所述接收线圈3内，与所述接收线圈3之间磁耦合，进行能量传递，为负载21提供能量。
如图8所示，将植入电路固定于接收线圈内，对接收线圈采用医用硅胶进行密封处理，得到可用于动物实验的体外无线供能的生物医学植入装置16，植入后的实验动物可在由驱动线圈阵列和发射线圈阵列叠放构成的运动场17内自由活动，体内的生物医学植入装置16能获得稳定的能量供给而正常工作，体内植入装置的信息则经皮肤无线传输至体外的信号处理装置18。
如图9所示，将由驱动线圈阵列和发射线圈阵列叠放组成的运动场线圈阵列嵌入房间的地板下方或者天花板19内，患者或大型灵长类实验动物(如猴子)在房间内自由活动的过程中，体外发射能量的发射线圈与体内接收能量的接收线圈通过磁谐振耦合实现非辐射的中距离无线能量传输，使患者体内的生物医学植入装置16获得自由高效的能量供给，尤其适于为神经刺激器、人工心脏、脑机接口等较高功率装置提供无线动力，患者彻底摆脱外部电源的束缚。
本发明还可用于移动设备的无线充电以及其他需要产生均匀能量场的场合。
Claims (3)
1. 一种磁耦合谐振装置，包括驱动线圈阵列（1）、发射线圈阵列（2）、接收线圈（3）和负载线圈（13），驱动线圈阵列和发射线圈阵列位于生物体外，经过皮肤（20）无线传递能量，接收线圈和负载线圈植入生物体内，所述发射线圈阵列为由N个基本发射单元（10）构成的平面阵列，每个基本发射单元（10）由7个发射线圈（5）构成；7个发射线圈排列成正六边形，每个发射线圈由正六边形基板及其正面的平面螺旋线圈（11）、正六边形基板背面均匀对称分布的铜片（12）构成；其特征在于：
所述驱动线圈阵列为由N个基本驱动单元（7）构成的平面阵列，每个基本驱动单元（7）由7个驱动环（4）、开口外铜环（8）和开口内铜环（9）构成，7个驱动环排列成正六边形，各驱动环为单匝铜线圈，其两端分别连接至同轴叠放、互相绝缘的开口外铜环（8）、开口内铜环（9）上；驱动线圈阵列中各基本驱动单元的开口外铜环（8）、开口内铜环（9）分别连接至射频功率放大器两输出端；N＝1～10000；
所述驱动线圈阵列和发射线圈阵列叠放，驱动线圈阵列用于驱动发射线圈阵列，所述基本驱动单元（7）外形平面尺寸和基本发射单元（10）外形平面尺寸相同；单个驱动环（4）和单个发射线圈（5）空间位置对应，构成一个能量发射单元（6）；
所述接收线圈（3）由螺线管线圈（14）及两个平面螺旋线圈（15）彼此串接构成，两个平面螺旋线圈（15）分别位于螺线管线圈（14）的上、下端面，构成封闭柱体；
所述负载线圈（13）为射频同轴电缆构成的单匝圆环，置于所述接收线圈内，与所述接收线圈（3）之间磁耦合，进行能量传递，为负载（21）提供能量。
2.如权利要求1所述的磁耦合谐振装置，其特征在于：
所述发射线圈中，正六边形基板背面的铜片（12）关于正六边形基板中心对称，呈米字形均匀辐射分布。
3.如权利要求1或2所述的磁耦合谐振装置，其特征在于：
所述螺线管线圈（14）为圆筒形螺线管线圈或矩形截面螺线管线圈，所述两个平面螺旋线圈（15）相应为圆形平面螺旋线圈或矩形平面螺旋线圈，构成的接收线圈相应为封闭圆柱体或封闭长方体。
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