植入式自適應(yīng)無(wú)線電源傳輸方法及系統(tǒng)技術(shù)方案

本發(fā)明專利技術(shù)公開(kāi)植入式自適應(yīng)無(wú)線電源傳輸方法及系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括體外無(wú)線電源發(fā)射單元及體內(nèi)無(wú)線電源接收與恢復(fù)單元。所述傳輸方法中，體外無(wú)線電源發(fā)射單元發(fā)射的能量通過(guò)無(wú)線電磁耦合方式傳遞到體內(nèi)；體內(nèi)的無(wú)線電源接收與恢復(fù)單元將無(wú)線電能恢復(fù)為直流電源；直流電源的波動(dòng)變化量通過(guò)PWM誤差采樣與LSK調(diào)制技術(shù)無(wú)線反饋到體外無(wú)線電源發(fā)射單元，并通過(guò)體外LSK解調(diào)與嵌入的MCU數(shù)字控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)根據(jù)植入體內(nèi)設(shè)備對(duì)所需電量的變化進(jìn)行體外無(wú)線電源發(fā)射功率的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。本發(fā)明專利技術(shù)避免由于無(wú)線電源傳輸距離的變化導(dǎo)致的體外對(duì)植入體內(nèi)設(shè)備供電的不足與過(guò)量問(wèn)題，提高了供電的可靠性及安全性，更加適合于生物醫(yī)用植入式設(shè)備的無(wú)線供電。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及涉及無(wú)線通信、射頻電子電路、無(wú)線能量傳感、自動(dòng)控制以及植入式生物醫(yī)用電子學(xué)等交叉領(lǐng)域，具體涉及一種基于PWM (脈寬調(diào)制)誤差采樣與LSK (負(fù)載鍵控)調(diào)制無(wú)線反饋機(jī)制的植入式自適應(yīng)無(wú)線電源傳輸方法及系統(tǒng)。
技術(shù)介紹
近年來(lái)隨著科技發(fā)展，電子信息技術(shù)、自動(dòng)控化技術(shù)與生物、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的融合日漸深入，以生物醫(yī)用為目的的植入式生物醫(yī)用電子學(xué)已成為一個(gè)新興的熱點(diǎn)領(lǐng)域，植入式生物醫(yī)用電子設(shè)備在生物電子和醫(yī)學(xué)診斷等方面的研究扮演著越來(lái)越來(lái)重要的角色。植入式生物醫(yī)學(xué)電子技術(shù)可以使醫(yī)生對(duì)人體的腦電波、神經(jīng)信號(hào)等生物體的電生理活動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)，在保證醫(yī)生可以對(duì)病人進(jìn)行準(zhǔn)確、可靠治療的同時(shí)，促進(jìn)如人腦控制假肢、修復(fù)脊椎恢復(fù)肢體運(yùn)動(dòng)、癌變腫瘤監(jiān)測(cè)治療、人工視網(wǎng)膜修復(fù)、人工耳蝸等生物醫(yī)學(xué)前沿技·術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，為提高人類對(duì)生物體及自身的認(rèn)識(shí)，提高人類健康水平及促進(jìn)全球生態(tài)和諧發(fā)展與共存起到了重要作用。植入式電子設(shè)備都面臨如何高效、穩(wěn)定地供電這個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。傳統(tǒng)的辦法是在植入式設(shè)備中內(nèi)置電池或者采用有線供電的技術(shù)手段。采用內(nèi)置電池方式會(huì)使植入式設(shè)備無(wú)法獲得長(zhǎng)時(shí)間的使用壽命，而且在植入式設(shè)備體積、電池的化學(xué)污染、生物排異等方面也存在問(wèn)題；采用有線供電方式會(huì)導(dǎo)致生物體的檢測(cè)創(chuàng)口因長(zhǎng)期保持開(kāi)放而易受細(xì)菌感染，而且無(wú)法對(duì)生物體在無(wú)束縛、無(wú)麻醉的日常條件下的生物電信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與研究。如果采用無(wú)線供電方式，則可以解決上述技術(shù)手段存在的不足，它能夠透過(guò)皮膚將能量源源不斷地供應(yīng)給體內(nèi)的植入式電子設(shè)備。因此，業(yè)界迫切需要一種安全、可靠的無(wú)線供電技術(shù)，保證與促進(jìn)神經(jīng)科學(xué)、智能假肢、脊椎修復(fù)等生物醫(yī)學(xué)方面的前沿領(lǐng)域向更廣泛、深入的方向發(fā)展。目前，關(guān)于無(wú)線電源的傳輸問(wèn)題國(guó)內(nèi)外均處于起步研究階段，其傳輸可分為三種基本方式，一種是基于傳統(tǒng)電磁波理論，直接將射頻電波通過(guò)天線及匹配網(wǎng)絡(luò)整流轉(zhuǎn)化為電能，該方式在無(wú)線供電功率方面存在不足，難以用于需要mW級(jí)電能供給的植入式系統(tǒng)中；另一種是利用電磁場(chǎng)共振的方式，雖然此方式在無(wú)線傳輸距離上具有優(yōu)勢(shì)，但至少需要4個(gè)大體積的電磁諧振線圈，因此由于體積上的限制，該方法目前還難以用于植入式生物醫(yī)用領(lǐng)域；最后一種是采用得較多的感應(yīng)耦合方案(ICPT)，利用電磁感應(yīng)原理在近距離的耦合線圈之間進(jìn)行能量傳輸，這種方案可以傳輸數(shù)毫瓦至幾十毫瓦的能量，但是發(fā)送距離需要進(jìn)一步提聞。縱觀上述三種無(wú)線電源傳輸方式，均存在植入體內(nèi)設(shè)備接收的能量會(huì)隨著無(wú)線傳輸距離的變化而變化問(wèn)題。若接收的能量不足，會(huì)使體內(nèi)植入式電子設(shè)備無(wú)法工作。對(duì)此目前的解決辦法是，在體外無(wú)線電源發(fā)射端輻射出足夠冗余的無(wú)線電能以保證體內(nèi)設(shè)備工作所需，但這樣作極可能導(dǎo)致體內(nèi)設(shè)備接收的電能過(guò)剩，使體內(nèi)設(shè)備以過(guò)度熱耗散的形式讓生物體組織感到不適，甚至造成生物體組織損壞。本專利申請(qǐng)主要針對(duì)如腦電、神經(jīng)及生物電行為信號(hào)的無(wú)線采集與監(jiān)控、智能假肢、脊椎修復(fù)、膀胱刺激等生物醫(yī)用植入式電子設(shè)備的無(wú)線供電需求，采用一種新的技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)無(wú)線供電功率的自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能，保證生物醫(yī)用植入式設(shè)備安全、可靠地工作，并與生物體和諧共存，推動(dòng)我國(guó)尖端生物醫(yī)療電子方面自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的發(fā)展。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種基于PWM (脈寬調(diào)制)誤差采樣與LSK (負(fù)載鍵控)調(diào)制無(wú)線反饋機(jī)制的植入式自適應(yīng)無(wú)線電源傳輸方法及系統(tǒng)，以便安全、可靠地滿足生物醫(yī)用植入式電子設(shè)備及系統(tǒng)所需的無(wú)線供電需求，具體技術(shù)方案如下。植入式自適應(yīng)無(wú)線電源傳輸方法，該方法基于PWM誤差采樣與LSK調(diào)制，通過(guò)一個(gè)體外無(wú)線電源發(fā)射單元及一個(gè)體內(nèi)的無(wú)線電源接收與恢復(fù)單元實(shí)現(xiàn)，體外無(wú)線電源發(fā)射單元發(fā)射的能量通過(guò)無(wú)線電磁耦合方式傳遞到體內(nèi)；體內(nèi)的無(wú)線電源接收與恢復(fù)單元將無(wú)線電能恢復(fù)為直流電源，為體內(nèi)其他植入設(shè)備供電；由傳輸距離變化及負(fù)載變化引起的直流 電源的波動(dòng)變化量通過(guò)PWM誤差采樣與LSK調(diào)制技術(shù)無(wú)線反饋到體外無(wú)線電源發(fā)射單元，并通過(guò)體外LSK解調(diào)與嵌入的MCU數(shù)字控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)根據(jù)植入體內(nèi)設(shè)備對(duì)所需電量的變化進(jìn)行體外無(wú)線電源發(fā)射功率的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。實(shí)現(xiàn)所述傳輸方法的植入式自適應(yīng)無(wú)線電源傳輸系統(tǒng)，包括體外無(wú)線電源發(fā)射單元及體內(nèi)無(wú)線電源接收與恢復(fù)單元；所述體外無(wú)線電源發(fā)射單元包括本振源、數(shù)控增益功率放大器、體外無(wú)線感應(yīng)雙向匹配線圈、LSK解調(diào)電路和嵌入式MCU單元；所述本振源的輸出連接至所述數(shù)控功率放大器的一個(gè)輸入端，所述數(shù)控功率放大器的輸出端連接至所述體外無(wú)線感應(yīng)雙向匹配線圈的輸入端，所述體外無(wú)線感應(yīng)雙向匹配線圈根據(jù)所述數(shù)控功率放大器的功率向自由空間發(fā)射無(wú)線電能；所述體外無(wú)線感應(yīng)雙向匹配線圈的采樣端口感應(yīng)到體內(nèi)通過(guò)PWM誤差采樣與LSK調(diào)制并無(wú)線反饋至體外的反饋信號(hào)，然后輸入至所述LSK解調(diào)電路，所述LSK解調(diào)電路的輸出端連接到所述嵌入式MCU單元，所述嵌入式MCU單元完成PWM解調(diào)與編碼，嵌入式MCU單元的輸出接所述數(shù)控增益功率放大器的另一個(gè)輸入端，對(duì)所述數(shù)控增益功率放大器的輸出功率進(jìn)行數(shù)字控制。進(jìn)一步的，所述體內(nèi)無(wú)線電源接收與恢復(fù)單元包括體內(nèi)無(wú)線感應(yīng)雙向匹配線圈、全波整流電路、線性穩(wěn)壓電路、PWM誤差采樣電路和LSK調(diào)制電路；所述體外無(wú)線電源發(fā)射單元發(fā)射的無(wú)線電能通過(guò)所述體內(nèi)雙向匹配線圈接收后，輸入至所述全波整流電路，所述全波整流電路的輸出端連接至所述線性穩(wěn)壓電路，所述線性穩(wěn)壓電路輸出植入體內(nèi)設(shè)備所需的直流電源信號(hào)，所述全波整流電路的輸出端同時(shí)連接至所述PWM誤差采樣電路的輸入端，所述PWM誤差采樣電路的輸出端連接至所述LSK調(diào)制電路的輸入端，最終所述LSK調(diào)制電路輸出的反應(yīng)所述全波整流電路輸出變化量的信號(hào)通過(guò)所述體內(nèi)雙向匹配線圈無(wú)線反饋到所述體外無(wú)線電源發(fā)射單元。進(jìn)一步的，所述體外無(wú)線感應(yīng)雙向匹配線圈與體內(nèi)無(wú)線感應(yīng)雙向匹配線圈中還包括相應(yīng)的匹配諧振網(wǎng)絡(luò)；所述體外無(wú)線感應(yīng)雙向匹配線圈向所述體內(nèi)無(wú)線感應(yīng)雙向匹配線圈輻射無(wú)線電能，并同時(shí)接收所述體內(nèi)無(wú)線感應(yīng)匹配線圈無(wú)線反饋輻射的LSK調(diào)制信號(hào)。進(jìn)一步的，所述的數(shù)控增益功率放大器包括數(shù)控開(kāi)關(guān)電源、功率放大電路和串聯(lián)諧振回路，所述數(shù)控開(kāi)關(guān)電源為所述功率放大電路提供可控的直流電源電壓，通過(guò)調(diào)節(jié)所述數(shù)控開(kāi)關(guān)電源輸出的直流電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)所述功率放大器輸出無(wú)線電能信號(hào)功率的控制，所述功率放大器采用D類功放結(jié)構(gòu)工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，其輸出端連接到具有阻抗變換與匹配功能的所述串聯(lián)諧振回路。進(jìn)一步的，所述LSK解調(diào) 電路的輸入端連接到所述體外無(wú)線感應(yīng)雙向匹配線圈的采樣端口，體內(nèi)無(wú)線感應(yīng)匹配線圈無(wú)線反饋輻射的LSK調(diào)制信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，并通過(guò)模擬信號(hào)放大、濾波、數(shù)字判決處理后產(chǎn)生與所述PWM誤差采樣電路的輸出相對(duì)應(yīng)的PWM誤差采樣數(shù)字信號(hào)。進(jìn)一步的，所述的嵌入式MCU單元對(duì)數(shù)字信號(hào)占空比計(jì)數(shù)測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)所述PWM誤差采樣數(shù)字信號(hào)的解調(diào)，并對(duì)解調(diào)后的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字編碼，從而調(diào)控所述數(shù)控增益功率放大器的輸出功率，最終使所述的無(wú)線電源傳輸系統(tǒng)具有高效、高精度的無(wú)線電能輻射功率自適應(yīng)調(diào)控功能。進(jìn)一步的，所述PWM誤差采樣電路，先將所述全波整流電路輸出信號(hào)與預(yù)設(shè)基準(zhǔn)電平進(jìn)行比對(duì)與誤差采樣，隨后通過(guò)與三角波的比較判決實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)制；所述PWM誤差采樣電路輸出的信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，其占空比跟隨所本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
植入式自適應(yīng)無(wú)線電源傳輸方法，其特征在在于該方法基于PWM誤差采樣與LSK調(diào)制，通過(guò)一個(gè)體外無(wú)線電源發(fā)射單元及一個(gè)體內(nèi)的無(wú)線電源接收與恢復(fù)單元實(shí)現(xiàn)，體外無(wú)線電源發(fā)射單元發(fā)射的能量通過(guò)無(wú)線電磁耦合方式傳遞到體內(nèi)；體內(nèi)的無(wú)線電源接收與恢復(fù)單元將無(wú)線電能恢復(fù)為直流電源，為體內(nèi)其他植入設(shè)備供電；由傳輸距離變化及負(fù)載變化引起的直流電源的波動(dòng)變化量通過(guò)PWM誤差采樣與LSK調(diào)制技術(shù)無(wú)線反饋到體外無(wú)線電源發(fā)射單元，并通過(guò)體外LSK解調(diào)與嵌入的MCU數(shù)字控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)根據(jù)植入體內(nèi)設(shè)備對(duì)所需電量的變化進(jìn)行體外無(wú)線電源發(fā)射功率的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。

【技術(shù)特征摘要】
1.植入式自適應(yīng)無(wú)線電源傳輸方法，其特征在在于該方法基于PWM誤差采樣與LSK調(diào)制，通過(guò)一個(gè)體外無(wú)線電源發(fā)射單元及一個(gè)體內(nèi)的無(wú)線電源接收與恢復(fù)單元實(shí)現(xiàn)，體外無(wú)線電源發(fā)射單元發(fā)射的能量通過(guò)無(wú)線電磁耦合方式傳遞到體內(nèi)；體內(nèi)的無(wú)線電源接收與恢復(fù)單元將無(wú)線電能恢復(fù)為直流電源，為體內(nèi)其他植入設(shè)備供電；由傳輸距離變化及負(fù)載變化引起的直流電源的波動(dòng)變化量通過(guò)PWM誤差采樣與LSK調(diào)制技術(shù)無(wú)線反饋到體外無(wú)線電源發(fā)射單元，并通過(guò)體外LSK解調(diào)與嵌入的MCU數(shù)字控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)根據(jù)植入體內(nèi)設(shè)備對(duì)所需電量的變化進(jìn)行體外無(wú)線電源發(fā)射功率的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。2.實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求I所述傳輸方法的植入式自適應(yīng)無(wú)線電源傳輸系統(tǒng)，其特征在于包括體外無(wú)線電源發(fā)射單元及體內(nèi)無(wú)線電源接收與恢復(fù)單元，所述體外無(wú)線電源發(fā)射單元包括本振源、數(shù)控增益功率放大器、體外無(wú)線感應(yīng)雙向匹配線圈、LSK解調(diào)電路和嵌入式MCU 單元；所述本振源的輸出連接至所述數(shù)控功率放大器的一個(gè)輸入端，所述數(shù)控功率放大器的輸出端連接至所述體外無(wú)線感應(yīng)雙向匹配線圈的輸入端，所述體外無(wú)線感應(yīng)雙向匹配線圈根據(jù)所述數(shù)控功率放大器的功率向自由空間發(fā)射無(wú)線電能；所述體外無(wú)線感應(yīng)雙向匹配線圈的采樣端口感應(yīng)到體內(nèi)通過(guò)PWM誤差采樣與LSK調(diào)制并無(wú)線反饋至體外的反饋信號(hào)，然后輸入至所述LSK解調(diào)電路，所述LSK解調(diào)電路的輸出端連接到所述嵌入式MCU單元，所述嵌入式MCU單元完成PWM解調(diào)與編碼，嵌入式MCU單元的輸出接所述數(shù)控增益功率放大器的另一個(gè)輸入端，對(duì)所述數(shù)控增益功率放大器的輸出功率進(jìn)行數(shù)字控制。3.如權(quán)利要求2所述的植入式自適應(yīng)無(wú)線電源傳輸系統(tǒng)，其特征在于所述體內(nèi)無(wú)線電源接收與恢復(fù)單元包括體內(nèi)無(wú)線感應(yīng)雙向匹配線圈、全波整流電路、線性穩(wěn)壓電路、PWM誤差采樣電路和LSK調(diào)制電路；所述體外無(wú)線電源發(fā)射單元發(fā)射的無(wú)線電能通過(guò)所述體內(nèi)雙向匹配線圈接收后，輸入至所述全波整流電路，所述全波整流電路的輸出端連接至所述線性穩(wěn)壓電路，所述線性穩(wěn)壓電路輸出植入體內(nèi)設(shè)備所需的直流電源信號(hào)，所述全波整流電路的輸出端同時(shí)連接至所述PWM誤差采樣電路的輸入端，所述PWM誤差采樣電路的輸出端連接至所述LSK調(diào)制電路的輸入端，最終所述LSK調(diào)制電路輸出的反應(yīng)所述全波整流電路輸出變化量的信號(hào)通過(guò)所述體內(nèi)雙向匹配線圈無(wú)線反饋到所述體外無(wú)線電源發(fā)射單元。4.如權(quán)利要求3所述的植入式自適應(yīng)無(wú)線電源傳輸系統(tǒng)，其特征在于所述體外無(wú)線感應(yīng)雙向匹配線圈與體內(nèi)無(wú)線感應(yīng)雙向匹配線圈中還包括相應(yīng)的匹配諧振網(wǎng)絡(luò)；所述體外無(wú)線感應(yīng)雙向匹配線圈向所述體內(nèi)無(wú)線感應(yīng)雙向匹配線圈輻射無(wú)線電能，并同時(shí)接收所述體內(nèi)無(wú)線感應(yīng)匹配線圈...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：吳朝暉，趙明劍，李斌，黃穗彪，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：華南理工大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：