本發明涉及一種體內植入式醫療設備無線充電方法，屬于醫療器械技術領域。

背景技術：

植入式醫療器械種類多樣、應用范圍廣泛，目前市場上已有的植入式醫療產品多采用高能量密度的鋰原電池進行供電，壽命大多較短。近年來，隨著醫療技術的發展，植入式醫療產品的功能變的更加復雜，耗電量也隨著增加，常規的鋰原電池的壽命已經無法滿足現在的應用需求，因此，開發壽命更長的可充電的植入式醫療器械產品已經成為未來發展的主流趨勢。

由于植入式醫療產品需要長期植入患者體內，需要使用生物相容性較好的金屬鈦殼密封，并且和體外的充電裝置間有皮膚等組織隔離，因此需要通過無線方式對體內植入式醫療設備進行能量傳輸。

目前主流的近距離無線充電技術一般采用電磁感應原理，這種充電方法需要發送和接收線圈之間存在很好的磁耦合才能有效的提高充電效率。然而當醫療設備植入體內后，患者很難對植入體內的醫療設備準確定位，存在由于體內外裝置對不準確或者長時間對位引起體內植入式醫療器械發熱增加的問題。

針對對位問題，目前已有的比較常規的對位方案有：

在充電間隙，周期性的進行體內外設備的信息交互，通過分析體內外設備的能量傳輸效率來判斷對位是否準確，這種方案可以找到最佳的充電位置，但是對位調節速度受體內、外裝置無線通信周期限制，存在調節響應速度慢的問題。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是：為解決現有技術的定位時相應速度慢的問題的技術問題，從而提供一種定位時響應速度快的體內植入式醫療設備無線充電方法。

本發明為解決其技術問題所采用的技術方案是：

本發明提供一種體內植入式醫療設備無線充電系統，包括充電端和接收端；

充電端，包括，控制裝置、信號產生裝置、頻率偏移裝置、信號放大裝置、狀態監測裝置、天線組件以及反饋裝置和/或通訊裝置；

信號產生裝置，用于發出一組極性相反、固定相位差的方波信號；

頻率偏移裝置，用于對將信號產生裝置發出的方波信號進行頻率偏移，偏移后的頻率為f0或者(101％-130％)f0，其中l為充電線圈的電感，單位為h，c為匹配電容的電容值，單位為f，fo為諧振頻率值，單位為hz；

信號放大裝置，用于將偏移后的方波信號進行放大；

天線組件，包括充電線圈、匹配電容和鐵芯，用于接收信號產生裝置產生的或者放大后的方波信號，并發出電磁波，充電線圈與匹配電容形成lc震蕩；

狀態檢測裝置，用于檢測信號放大裝置的發送電流或功率；

控制裝置，接收狀態檢測裝置檢測到的信號放大裝置的功率值或者根據接收到發送電流值計算出功率值，并根據該功率值與距離—功率值曲線換算得到充電線圈與接收線圈之間的距離；

反饋裝置，用于向使用者反應充電線圈與接收線圈之間的距離值；

通訊裝置，用于將充電線圈與接收線圈之間的距離值發送到智能設備上，通過智能設備向使用者反應充電線圈與接收線圈之間的距離值；

接收端，植入人體內，包括接收線圈和與接收線圈連接的充電電池，接收線圈能夠接收到天線組件的電磁波并產生電流為充電電池充電。

優選地，本發明的體內植入式醫療設備無線充電系統，頻率偏移裝置，對將信號產生裝置發出的方波信號進行頻率偏移，偏移后的頻率為f0。

優選地，本發明的體內植入式醫療設備無線充電系統，狀態檢測裝置為電量檢測芯片，用于檢測信號放大裝置的電流值。

優選地，本發明的體內植入式醫療設備無線充電系統，所述反饋裝置為顯示屏，顯示屏顯示控制裝置11換算得到的距離或者以圖形方式表示出距離的大小。

優選地，本發明的體內植入式醫療設備無線充電系統，所述鐵芯包括中間的中間凸出部和位于邊緣的邊緣凸出部，中間凸出部與邊緣凸出部之間為容納充電線圈容納槽。

優選地，本發明的體內植入式醫療設備無線充電系統，所述鐵芯為鐵氧體鐵芯。

優選地，本發明的體內植入式醫療設備無線充電系統，所述中間凸出部與邊緣凸出部在厚度方向上平齊。

優選地，本發明的體內植入式醫療設備無線充電系統，所述方波信號由至少兩對極性相反單一諧波組成，每對單一諧波之間具有固定相位差。

本發明的有益效果是：

1.本發明的體內植入式醫療設備無線充電系統，通過發射不同于基準頻率值f0的方波信號，可以測得斜率不為0的距離—功率值曲線，從而使可以通過信號放大裝置的功率值換算得到距離從而進行定位得以實現。而且，在定位過程中僅需測量充電端的功率，不需要與體內植入設備進行通訊，因此響應速度快。

2.頻率上浮時定位過程中耗電少，在可以省電。因此，最優選擇為上偏5％-10％((105％-110％)f0)。在此范圍內不僅可以在定位過程中節約用電，還能得到更加靈敏的定位結果。

附圖說明

下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中：

圖1是體內植入式醫療設備無線充電系統；

圖2是充電線圈與匹配電容的一種設置方式；

圖3是充電線圈與匹配電容另一種設置方式；

圖4是信號放大裝置的一種設置方式；

圖5是信號放大裝置的另一種設置方式；

圖6a是電芯的第一種具體結構的實施方式；

圖6b是圖6a沿a-a方向的剖視圖；

圖7a是電芯的第二種具體結構的實施方式；

圖7b是圖7a沿a-a方向的剖視圖；

圖8a是電芯的第三種具體結構的實施方式；

圖8b是圖8a沿a-a方向的剖視圖；

圖9是方波信號的波形圖。

附圖標記為：

11-控制裝置；12-信號產生裝置；13-頻率偏移裝置；14-信號放大裝置；15-天線組件；16-狀態監測裝置；17-第一通信模塊；21-接收線圈；22-充電電池；23-第二通信模塊；31-充電線圈；32-電芯；321-中間凸出部；322-邊緣凸出部。

具體實施方式

實施例1

本實施例提供一種體內植入式醫療設備無線充電系統，包括充電端和接收端；

充電端，包括，控制裝置11、信號產生裝置12、頻率偏移裝置13、信號放大裝置14、狀態監測裝置16、天線組件15以及反饋裝置和/或通訊裝置(反饋裝置與通訊裝置二選一或者都設置)，

信號產生裝置12，用于發出一組極性相反、固定相位差的方波信號，由至少兩對極性相反單一方波組成，每對單一方波之間具有固定相位差，如圖9所示為兩對共4個單一方波；

頻率偏移裝置13，用于對將信號產生裝置12發出的方波信號進行頻率偏移，優選為向上偏移，偏移后的頻率為(70％-99％)f0或者(101％-130％)f0，其中l為充電線圈31的電感，單位為h，c為匹配電容的電容值，單位為f，fo為諧振頻率值，單位為hz，如圖4或5所示，充電線圈31與匹配電容，為全橋驅動方式或者半橋驅動方式；

信號放大裝置14，用于接收信號產生裝置產生的或者經信號放大裝置放大后的方波信號；

天線組件15，包括充電線圈31、匹配電容和磁芯，用于接收信號產生裝置12產生的或者放大后的方波信號，并發出電磁波，充電線圈31與匹配電容形成lc震蕩，充電線圈31與匹配電容可串聯(圖2)或者并聯(圖3)設置，磁芯優選為鐵氧體磁芯，磁芯結構為具有中間的中間凸出部321和位于邊緣的邊緣凸出部322，中間凸出部321與邊緣凸出部322之間為容納充電線圈31容納槽，如圖6a和6b(中間凸出部321與邊緣凸出部322在厚度方向上平齊)、圖7a和7b(中間凸出部321高于邊緣凸出部322)、圖8a和8b(無邊緣凸出部322)，分別為三種具體的實施方式，磁芯的正面投影可以為圓形或是多邊形，中間凸出部321優選與充電線圈31平齊；

狀態檢測裝置16，用于檢測信號放大裝置14的發送電流或功率，可采用電量采集芯片信號放大裝置14的發送電流以得到功率值；

控制裝置11，接收狀態檢測裝置檢測到的信號放大裝置14的功率值或者根據接收到發送電流值計算出功率值，并根據該功率值與距離—功率值曲線換算得到充電線圈31與接收線圈21之間的距離；

反饋裝置，用于向使用者反應充電線圈31與接收線圈21之間的距離值，反饋裝置可以是顯示屏，顯示控制裝置11換算得到的距離或者以圖形方式表示出距離的大小，可以是發聲器，發出“嘀嘀嘀”，距離越近時發聲頻率越快(越急促)，距離越遠時發聲頻率越小，還可以是指示燈，通過指示燈點亮的數量或者閃爍頻率來表示距離大小，也可以是震動電機，通過震動強度來表示距離；

通訊裝置，用于將充電線圈31與接收線圈21之間的距離值發送到智能設備上，通過智能設備向使用者反應充電線圈31與接收線圈21之間的距離值，智能設備，如手機、平板電腦等，通過智能設備上的顯示屏或者其它反饋方式反應出距離；

接收端，包括植入人體內的接收線圈21和與接收線圈21連接的充電電池，接收線圈21能夠接收到天線組件15的電磁波并產生電流為充電電池充電。

本實施例采用的原理是：通過頻率偏移裝置13對信號頻率進行偏移，當能量接收線圈21距離天線組件15較遠時，天線組件15和能量接收線圈21的耦合度很低，通過天線組件15內部的磁芯對磁力線的引導，充電端處于低負載(頻率上浮時)或者高負載(頻率下浮時)的穩定狀態，低負載時耗電量小，高負載時耗電量大；當天線組件15逐漸靠近能量接收線圈21時，天線組件15和能量接收線圈21的耦合度逐漸增強，負載變大或者變小，驅動裝置的耗電量會隨著磁耦合程度的增強而增加或者減小，直到線圈組件和能量接收線圈21完全對準時，耦合程度最好，負載最大或者最小，信號放大裝置14的功率也最大或者最小，信號放大裝置14的功率與線圈之間的耦合程度成線性關系，這就形成了距離—功率值曲線，控制裝置11可以直觀的通過功率來判斷天線組件15和能量接收線圈21之間的對位關系，天線組件15和能量接收線圈21耦合程度達到最好，此位置時的充電效率最高，即可確定最佳的充電位置。

值得說明的是，對準操作完成后，頻率偏移裝置13不再工作，信號產生裝置12產生的波形直接進入信號放大裝置14，進行充電操作。

充電端與接收端上分別設置有能相互通信的第一通信模塊17和第二通信模塊23，若長時間距離值未變化或變化量很小時，充電端與接收端進行一次通信，若充電端未收到接收端的通信信號，則說明接收端發生故障或者未開機或者距離過遠，充電端發出警報提醒使用者。

實施例2

本實施例提供一種無線充電方法，包括以下步驟：

s1：發出一組極性相反、固定相位差的方波信號，方波信號的頻率為70％f0，其中l為充電線圈31的電感，單位為h，c為匹配電容的電容值，單位為f，fo為諧振頻率值，單位為hz；

s2：通過信號放大裝置14將方波信號放大后，通過充電線圈31形成電磁波，并將充電線圈31靠近接收線圈21；

s3：測量信號放大裝置14的功率值，調節充電線圈31位置，找到功率值最大時充電線圈31位置，即完成充電線圈31與接收線圈21的對準；

s4：保持充電線圈31位置，調節方波信號頻率至充電頻率并經信號放大裝置14放大和充電線圈31轉變為電磁波后對充電電池進行充電。

在s3步驟中，測量信號放大裝置14的功率值，還包括通過功率值計算得到充電線圈31與接收線圈21距離，并向使用者反饋該距離信息的過程。

實施例3

本實施例提供一種無線充電方法，包括以下步驟：

s1：發出一組極性相反、固定相位差的方波信號，方波信號的頻率為90％f0，其中l為充電線圈31的電感，單位為h，c為匹配電容的電容值，單位為f，fo為諧振頻率值，單位為hz；

s2：通過信號放大裝置14將方波信號放大后，通過充電線圈31形成電磁波，并將充電線圈31靠近接收線圈21；

s3：測量信號放大裝置14的功率值，調節充電線圈31位置，找到功率值最大時充電線圈31位置，即完成充電線圈31與接收線圈21的對準；

s4：保持充電線圈31位置，調節方波信號頻率至充電頻率并經信號放大裝置14放大和充電線圈31轉變為電磁波后對充電電池進行充電。

在s3步驟中，測量信號放大裝置14的功率值，還包括通過功率值計算得到充電線圈31與接收線圈21距離，并向使用者反饋該距離信息的過程。

實施例4

本實施例提供一種無線充電方法，包括以下步驟：

s1：發出一組極性相反、固定相位差的方波信號，方波信號的頻率為99％f0，其中l為充電線圈31的電感，單位為h，c為匹配電容的電容值，單位為f，fo為諧振頻率值，單位為hz；

s2：通過信號放大裝置14將方波信號放大后，通過充電線圈31形成電磁波，并將充電線圈31靠近接收線圈21；

s3：測量信號放大裝置14的功率值，調節充電線圈31位置，找到功率值最大時充電線圈31位置，即完成充電線圈31與接收線圈21的對準；

s4：保持充電線圈31位置，調節方波信號頻率至充電頻率并經信號放大裝置14放大和充電線圈31轉變為電磁波后對充電電池進行充電。

在s3步驟中，測量信號放大裝置14的功率值，還包括通過功率值計算得到充電線圈31與接收線圈21距離，并向使用者反饋該距離信息的過程。

實施例5

本實施例提供一種無線充電方法，包括以下步驟：

s1：發出一組極性相反、固定相位差的方波信號，方波信號的頻率為101％f0，其中l為充電線圈31的電感，單位為h，c為匹配電容的電容值，單位為f，fo為諧振頻率值，單位為hz；

s2：通過信號放大裝置14將方波信號放大后，通過充電線圈31形成電磁波，并將充電線圈31靠近接收線圈21；

s3：測量信號放大裝置14的功率值，調節充電線圈31位置，找到功率值最小時充電線圈31位置，即完成充電線圈31與接收線圈21的對準；

s4：保持充電線圈31位置，調節方波信號頻率至充電頻率并經信號放大裝置14放大和充電線圈31轉變為電磁波后對充電電池進行充電。

在s3步驟中，測量信號放大裝置14的功率值，還包括通過功率值計算得到充電線圈31與接收線圈21距離，并向使用者反饋該距離信息的過程。

實施例6

本實施例提供一種無線充電方法，包括以下步驟：

s1：發出一組極性相反、固定相位差的方波信號，方波信號的頻率為105％f0，其中l為充電線圈31的電感，單位為h，c為匹配電容的電容值，單位為f，fo為諧振頻率值，單位為hz；

s2：通過信號放大裝置14將方波信號放大后，通過充電線圈31形成電磁波，并將充電線圈31靠近接收線圈21；

s3：測量信號放大裝置14的功率值，調節充電線圈31位置，找到功率值最小時充電線圈31位置，即完成充電線圈31與接收線圈21的對準；

s4：保持充電線圈31位置，調節方波信號頻率至充電頻率并經信號放大裝置14放大和充電線圈31轉變為電磁波后對充電電池進行充電。

在s3步驟中，測量信號放大裝置14的功率值，還包括通過功率值計算得到充電線圈31與接收線圈21距離，并向使用者反饋該距離信息的過程。

實施例7

本實施例提供一種無線充電方法，包括以下步驟：

s1：發出一組極性相反、固定相位差的方波信號，方波信號的頻率為130％f0，其中l為充電線圈31的電感，單位為h，c為匹配電容的電容值，單位為f，fo為諧振頻率值，單位為hz；

s2：通過信號放大裝置14將方波信號放大后，通過充電線圈31形成電磁波，并將充電線圈31靠近接收線圈21；

s3：測量信號放大裝置14的功率值，調節充電線圈31位置，找到功率值最小時充電線圈31位置，即完成充電線圈31與接收線圈21的對準；

s4：保持充電線圈31位置，調節方波信號頻率至充電頻率并經信號放大裝置14放大和充電線圈31轉變為電磁波后對充電電池進行充電。

在s3步驟中，測量得到信號放大裝置14的功率值后，還包括通過功率值計算得到充電線圈31與接收線圈21距離，并向使用者反饋該距離信息的過程。

實施例2-7中設置電量檢測芯片檢測信號放大裝置14的電流值以獲得充電端的功率值，使得對功率值得測量更為精確。

效果實施例

本實驗是對比不同頻率下的靜態發射電流和耦合最好時的發射電流，其中天線組件15中充電線圈31的電感l為2.5mh，匹配電容的電容c為0.1uf，諧振頻率為10khz，實驗時天線組件15和接收線圈21保持水平放置，且天線組件15和接收線圈21保持垂直高度為1cm距離。

靜態發射電流為距離足夠大的時候(四周無接收端)，發射出去的電流值，耦合最好時的發射電流即為接收線圈21與充電線圈31對準時的發射電流。在上述過程中，電壓保持不變，只需將電流與電壓進行乘積就可得到功率。

表不同頻率下靜態發射電流和耦合最好時的發射電流的結果

通過上表說明：

1.上浮和下浮都會產生絕對差值，距離—功率值曲線的斜率不為0，可以通過信號放大裝置14的功率值換算得到距離從而進行定位，而基準頻率下距離—功率值曲線的斜率為0，不能進行定位。而且，在定位過程中僅需測量充電端的功率，不需要與體內植入設備進行通訊，因此響應速度快。

2.絕對差值越大，說明曲線斜率越大，定位時誤差越小。

3.頻率上浮時定位過程中耗電少，還可以省電。因此，最優選擇為上偏5％-10％((105％-110％)f0)。

以上述依據本發明的理想實施例為啟示，通過上述的說明內容，相關工作人員完全可以在不偏離本項發明技術思想的范圍內，進行多樣的變更以及修改。本項發明的技術性范圍并不局限于說明書上的內容，必須要根據權利要求范圍來確定其技術性范圍。