本發(fā)明涉及生物醫(yī)學(xué)電子技術(shù)、無線供電技術(shù)和射頻通信，具體為一種用于植入式醫(yī)療監(jiān)測設(shè)備的無線供能和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、隨著生物醫(yī)學(xué)電子技術(shù)和集成電路的發(fā)展，對于可穿戴的植入式醫(yī)療監(jiān)測設(shè)備也得到了極大的發(fā)展。植入式醫(yī)療監(jiān)測設(shè)備需要能夠長期實(shí)時(shí)的監(jiān)測患者體內(nèi)相應(yīng)的生理信號，為醫(yī)護(hù)人員對患者身體狀態(tài)的診斷以及疾病的治療提供及時(shí)有效的幫助。然而，植入式醫(yī)療監(jiān)測設(shè)備在臨床使用中仍然面臨著能量供給和體內(nèi)外模塊數(shù)據(jù)通信的挑戰(zhàn)。

2、針對植入式醫(yī)療監(jiān)測設(shè)備采用體內(nèi)植入電池的方式，存在電池體積大、容量有限和電池壽命的問題。無線供能的非接觸方式實(shí)現(xiàn)對設(shè)備電能供應(yīng)的特點(diǎn)與植入式醫(yī)療設(shè)備的供電需求更加契合。無線供能的方式在植入式醫(yī)療監(jiān)測設(shè)備中被廣泛的使用。然而由于植入式醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)在臨床使用過程中無線電能傳輸系統(tǒng)的發(fā)射線圈和接收線圈的相對位置可能出現(xiàn)偏移導(dǎo)致體內(nèi)植入模塊接收功率下降，體內(nèi)植入模塊可能存在無法正常穩(wěn)定工作的情況。

3、針對植入式醫(yī)療監(jiān)測設(shè)備的數(shù)據(jù)通信采用有線傳輸?shù)姆绞剑嬖谝赘腥竞途€纜束縛的缺點(diǎn)。所以無線數(shù)據(jù)通信的方案成為植入式醫(yī)療監(jiān)測設(shè)備的首選。但是大多數(shù)的方案是基于無線電能傳輸系統(tǒng)中的發(fā)射線圈和接收線圈的耦合，通過能量載波的調(diào)制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。這種方案數(shù)據(jù)傳輸速率有限并且容易受到外界的影響從而導(dǎo)致傳輸數(shù)據(jù)的正確率較低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種用于植入式醫(yī)療監(jiān)測設(shè)備的無線供能和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，是一種可以長期、穩(wěn)定、安全的用于植入式醫(yī)療監(jiān)測設(shè)備，解決了現(xiàn)有無線數(shù)據(jù)通信干擾能力差、傳輸速率低的問題以及現(xiàn)有無線供能方案中體內(nèi)模塊接收功率受線圈間相對位置的影響。

2、本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：一種用于植入式醫(yī)療監(jiān)測設(shè)備的無線供能和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，包括雙電池余度供電電路、無線電能發(fā)射電路、無線電能接收電路、無線數(shù)據(jù)通信電路；

3、所述無線電能發(fā)射電路由無線功率發(fā)射電路、boost電路和原邊諧振補(bǔ)償電路組成，所述原邊諧振補(bǔ)償電路由發(fā)射線圈和電容組成串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)；所述升壓模塊基于射頻微控制器產(chǎn)生的脈寬調(diào)制信號動態(tài)調(diào)整無線電能發(fā)射電路的輸出功率；所述無線功率發(fā)射電路分別與原邊諧振補(bǔ)償電路、boost電路和射頻微控器連接為發(fā)射線圈提供高頻交流電壓信號，并在發(fā)射線圈處產(chǎn)生感應(yīng)磁場，通過射頻微控器產(chǎn)生的脈寬調(diào)制信號設(shè)置無線電能發(fā)射電路交流電壓信號的頻率，通過升壓轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)無線電能發(fā)射電路發(fā)射功率的動態(tài)調(diào)控；

4、所述無線電能接收電路用于接收發(fā)射線圈產(chǎn)生的感應(yīng)磁場并轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電壓信號，經(jīng)過整流、穩(wěn)壓后得到可供體內(nèi)監(jiān)測模塊正常運(yùn)行的直流電源，所述的無線電能接收電路由全橋整流電路、穩(wěn)壓電路和副邊諧振補(bǔ)償電路組成，其中副邊諧振補(bǔ)償電路由接收線圈和電容組成串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)，副邊諧振補(bǔ)償電路的諧振頻率與原邊諧振補(bǔ)償電路的諧振頻率保持一致；全橋整流電路與副邊諧振補(bǔ)償電路和穩(wěn)壓電路連接用于對接收的交流電壓信號進(jìn)行整流，并提供給穩(wěn)壓電路，輸出穩(wěn)定的直流電壓信號提供給體內(nèi)植入的監(jiān)測模塊；

5、所述無線數(shù)據(jù)通信電路分為采用射頻技術(shù)的射頻通信電路和采用wifi技術(shù)的wifi模塊通信電路，所述射頻通信電路由天線和阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)電路組成，所述射頻通信電路用于體外佩戴模塊和體內(nèi)監(jiān)測模塊間的數(shù)據(jù)通訊，分為體外射頻通信電路和體內(nèi)射頻通信電路，其中體外射頻通信電路采用pcb天線，體內(nèi)射頻通信電路采用無鉛微型全向的陶瓷天線；所述wifi模塊通信電路用于實(shí)現(xiàn)體外佩戴模塊與移動終端之間的數(shù)據(jù)通信。

6、所述雙電池余度供電電路為體外佩戴模塊提供電能，雙電池余度供電電路分為電池1電路和電池2電路，包括電池電量監(jiān)測電路和電池電源切換電路，電池1和電池2的電路具有相同的電路結(jié)構(gòu)和電路原理由mos管、三極管、電阻、電容組成，電池電量監(jiān)測電路和電池電源切換電路分別與體外佩戴模塊的射頻微控制器的模數(shù)轉(zhuǎn)換端口和通用輸入輸出端口連接用于實(shí)現(xiàn)體外電池電量的實(shí)時(shí)監(jiān)測和電池電源電路的切換。

7、所述體外佩戴模塊和體內(nèi)監(jiān)測模塊分別使用單個(gè)低功耗射頻微控器芯片實(shí)現(xiàn)無線射頻通信、無線電能傳輸系統(tǒng)控制、體內(nèi)生理信號數(shù)據(jù)的采集和體外信號數(shù)據(jù)的整理和轉(zhuǎn)發(fā)。

8、所述無線電能發(fā)射線圈和接收線圈均采用平面螺旋型設(shè)計(jì)，發(fā)射線圈的直徑大于接收線圈的直徑；無線電能傳輸系統(tǒng)中的電能發(fā)射線圈的電感值小于接收線圈的電感值。體內(nèi)監(jiān)測模塊的電能只通過體外佩戴模塊無線電能傳輸系統(tǒng)獲得不需要額外的植入體內(nèi)電池。

9、體內(nèi)監(jiān)測模塊通過射頻通信電路將接收的實(shí)際電壓值發(fā)送給體外佩戴模塊，體外佩戴模塊將設(shè)置的接收目標(biāo)電壓值與實(shí)際接收的電壓值進(jìn)行比較得到誤差，通過設(shè)計(jì)的四種模式調(diào)整無線電能發(fā)射電路的輸出功率調(diào)節(jié)體內(nèi)監(jiān)測模塊接收的實(shí)際電壓值，達(dá)到體內(nèi)監(jiān)測模塊接收的實(shí)際電壓值維持在設(shè)定的目標(biāo)電壓值消除誤差的目的，所述四種模式是通過射頻微控制器調(diào)整boost電路電壓反饋電壓信號線上脈寬調(diào)制信號的頻率和占空比以及無線功率發(fā)射器脈寬調(diào)制信號的頻率和占空比動態(tài)調(diào)節(jié)無線電能發(fā)射電路的輸出功率。

10、本發(fā)明的有益效果：

11、1、本發(fā)明提出的使用低功耗射頻微控制器設(shè)計(jì)射頻通信電路實(shí)現(xiàn)體內(nèi)監(jiān)測模塊和體外佩戴設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)通信由射頻通信協(xié)議保證，符合醫(yī)療標(biāo)準(zhǔn)頻段的實(shí)時(shí)無線通信，具有較強(qiáng)的抗干擾能力和較高的數(shù)據(jù)傳輸速率，可以保證在日常生活環(huán)境中的正常運(yùn)行。此外，通過加入wifi通信模塊，醫(yī)生可以在移動設(shè)備上實(shí)時(shí)查看體內(nèi)生理信息以及監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)，大大的提高醫(yī)生的工作效率。

12、2、本發(fā)明提出一種雙電池余度供電電路用于體外佩戴設(shè)備，使用戶可以實(shí)時(shí)查看電池電量的情況以及在電池電量過低時(shí)進(jìn)行報(bào)警提示的功能。采用體外雙電池余度供電的方式提高了體外佩戴設(shè)備電源的穩(wěn)定性和安全性，避免了體內(nèi)植入電池帶來的風(fēng)險(xiǎn)，極大的提高了電池更換的便捷性。

13、3、本發(fā)明提出一種基于射頻通信的閉環(huán)恒壓控制的方法可以有效的調(diào)控?zé)o線電能接收端的接收電壓，使其維持在設(shè)定的目標(biāo)電壓。避免了由于無線電能傳輸系統(tǒng)中發(fā)射線圈和接收線圈相對偏移和體內(nèi)監(jiān)測模塊負(fù)載參數(shù)變化所導(dǎo)致的接收電壓的突變。

14、4、本發(fā)明通過增加無線電能傳輸系統(tǒng)中發(fā)射線圈和接收線圈的尺寸差值，降低由于無線電能傳輸系統(tǒng)線圈間相對偏移導(dǎo)致接收功率減小的影響。通過電能發(fā)射線圈的電感值小于無線電能接收線圈的電感值的設(shè)計(jì)有效地提高電壓增益。

技術(shù)特征：

1.一種用于植入式醫(yī)療監(jiān)測設(shè)備的無線供能和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，包括雙電池余度供電電路、無線電能發(fā)射電路、無線電能接收電路、無線數(shù)據(jù)通信電路；其特征在于：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于植入式醫(yī)療監(jiān)測設(shè)備的無線供能和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，其特征在于：雙電池余度供電電路為體外佩戴模塊提供電能，雙電池余度供電電路分為電池1電路和電池2電路，包括電池電量監(jiān)測電路和電池電源切換電路，電池1和電池2的電路具有相同的電路結(jié)構(gòu)和電路原理由mos管、三極管、電阻、電容組成，電池電量監(jiān)測電路和電池電源切換電路分別與體外佩戴模塊的射頻微控制器的模數(shù)轉(zhuǎn)換端口和通用輸入輸出端口連接用于實(shí)現(xiàn)體外電池電量的實(shí)時(shí)監(jiān)測和電池電源電路的切換。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于植入式醫(yī)療監(jiān)測設(shè)備的無線供能和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，其特征在于：體外佩戴模塊和體內(nèi)監(jiān)測模塊分別使用單個(gè)低功耗射頻微控器芯片實(shí)現(xiàn)無線射頻通信、無線電能傳輸系統(tǒng)控制、體內(nèi)生理信號數(shù)據(jù)的采集和體外信號數(shù)據(jù)的整理和轉(zhuǎn)發(fā)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于植入式醫(yī)療監(jiān)測設(shè)備的無線供能和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，其特征在于：無線電能發(fā)射線圈和接收線圈均采用平面螺旋型設(shè)計(jì)，發(fā)射線圈的直徑大于接收線圈的直徑；無線電能傳輸系統(tǒng)中的電能發(fā)射線圈的電感值小于接收線圈的電感值。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于植入式醫(yī)療監(jiān)測設(shè)備的無線供能和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，其特征在于：體內(nèi)監(jiān)測模塊的電能只通過體外佩戴模塊無線電能傳輸系統(tǒng)獲得不需要額外的植入體內(nèi)電池。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于植入式醫(yī)療監(jiān)測設(shè)備的無線供能和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，其特征在于：體內(nèi)監(jiān)測模塊通過射頻通信電路將接收的實(shí)際電壓值發(fā)送給體外佩戴模塊，體外佩戴模塊將設(shè)置的接收目標(biāo)電壓值與實(shí)際接收的電壓值進(jìn)行比較得到誤差，通過設(shè)計(jì)的四種模式調(diào)整無線電能發(fā)射電路的輸出功率調(diào)節(jié)體內(nèi)監(jiān)測模塊接收的實(shí)際電壓值，達(dá)到體內(nèi)監(jiān)測模塊接收的實(shí)際電壓值維持在設(shè)定的目標(biāo)電壓值消除誤差的目的，所述四種模式是通過射頻微控制器調(diào)整boost電路電壓反饋電壓信號線上脈寬調(diào)制信號的頻率和占空比以及無線功率發(fā)射器脈寬調(diào)制信號的頻率和占空比動態(tài)調(diào)節(jié)無線電能發(fā)射電路的輸出功率。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種用于植入式醫(yī)療監(jiān)測設(shè)備的無線供能和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，系統(tǒng)包括雙電池余度供電電路、無線電能發(fā)射電路、無線電能接收電路、無線數(shù)據(jù)通信電路。雙電池余度供電電路包括電池電量監(jiān)測電路和電池電源切換電路；無線電能發(fā)射電路包括無線功率發(fā)射電路、Boost電路和原邊諧振補(bǔ)償電路；本發(fā)明通過設(shè)計(jì)體外雙電池余度供電和電磁感應(yīng)式無線電能傳輸?shù)姆绞奖苊饬梭w內(nèi)植入電池帶來的風(fēng)險(xiǎn)，極大的提高了體外電池更換的便捷性和安全性，采用符合醫(yī)療標(biāo)準(zhǔn)的射頻通信頻段提升了植入式醫(yī)療監(jiān)測設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸捄蛿?shù)據(jù)傳輸?shù)目垢蓴_能力，基于射頻無線通信實(shí)現(xiàn)體內(nèi)模塊接收電壓的閉環(huán)恒定控制提高了無線電能傳輸系統(tǒng)的魯棒性和穩(wěn)定性。

技術(shù)研發(fā)人員：張章,蔣擇,邢家赫
受保護(hù)的技術(shù)使用者：合肥工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/4/28