基本信息
- 項目名稱：
- 用于植入式醫(yī)療電子器件的無線供能系統(tǒng)
- 小類：
- 生命科學
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 本作品設計了應用于植入式醫(yī)療電子器件的無線供能系統(tǒng)，為植入式醫(yī)療電子器件提供一種安全有效的能量解決方案。本作品也實現(xiàn)無線電源的有效管理和閉環(huán)控制，提高系統(tǒng)自適應性和穩(wěn)定性。在一定惡劣條件下，仍能進行可靠無線能量傳輸并獲得穩(wěn)定電源輸出。本系統(tǒng)適于低功耗植入式醫(yī)療電子器件，也可用于體內(nèi)診療系統(tǒng)其他分支。
- 詳細介紹：
- 本作品設計了應用于植入式醫(yī)療電子器件的無線供能系統(tǒng)，為植入式醫(yī)療電子器件提供了一種更加安全而有效的能量解決方案。系統(tǒng)中能量的無線傳輸是通過體外的初級線圈與植入皮下的體內(nèi)次級線圈間電磁耦合方式實現(xiàn)的。其基本思路是通過高頻振蕩器和功率放大器將直流電源轉(zhuǎn)化為高頻交流信號，再通過串聯(lián)諧振的初級線圈傳遞出去，體內(nèi)接收模塊的微型次級線圈則通過電磁耦合感應出高頻交流電壓，經(jīng)整流、濾波產(chǎn)生穩(wěn)定的直流電壓，再通過有效的電源管理集成電路，對體內(nèi)充電電池充電或直接供給體內(nèi)醫(yī)療器件工作。同時本系統(tǒng)中考慮到閉環(huán)反饋控制，對接收機裝置內(nèi)的電池電量與溫度信息監(jiān)測，并由射頻收發(fā)芯片CC2430反饋給體外發(fā)射機，患者通過LCD顯示的監(jiān)測結(jié)果能夠“感知”體內(nèi)醫(yī)療電子器件的電池電量和溫度狀態(tài)，從而簡便自如操縱發(fā)射機是否開始進行充電。本作品在完成能量傳輸?shù)耐瑫r也實現(xiàn)了無線電源的有效管理和閉環(huán)控制，提高了系統(tǒng)的自適應性和穩(wěn)定性。在一定惡劣傳輸條件下，仍然能夠進行可靠地無線能量傳輸并獲得穩(wěn)定電源輸出。本無線供能系統(tǒng)適用于各類低功耗的植入式醫(yī)療電子器件，也可用于各種體內(nèi)診療系統(tǒng)的其他分支。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關鍵和主要技術(shù)指標
- 1.研究目的 為了解決當前植入式醫(yī)療電子器件的能量供應問題，作品實現(xiàn)了一個具有閉環(huán)控制的經(jīng)皮無線能量傳輸系統(tǒng)，在滿足植入式醫(yī)療電子器件供能的需求下，還能消除原電池供電的存在的缺點和潛在危險，徹底改善了患者的生活質(zhì)量，為植入式醫(yī)療電子器件的供能提供了一個廣泛的應用方式。 2.基本思路 作品的設計是從電磁耦合基本原理出發(fā)，利用振蕩器、功率放大器技術(shù)，結(jié)合整流穩(wěn)壓電路、充電管理集成電路、微處理器以及射頻無線收發(fā)模塊，設計植入式醫(yī)療電子器件經(jīng)皮無線供能系統(tǒng)。 3.創(chuàng)新點 作品屬于交叉學科的研究內(nèi)容。醫(yī)工結(jié)合，是作品開展研究的出發(fā)點。主要有以下創(chuàng)新點： （1）接收線圈采用PCB串聯(lián)電感（2）動態(tài)電源管理（3）通用電源輸出（4）閉環(huán)反饋控制（5）寬容忍工作范圍（6）尺寸優(yōu)勢（7）安全有效的傳能工作頻率（8）安全可靠的封裝設計 4.技術(shù)關鍵 作品的研究涉及多個學科技術(shù)領域，主要是綜合運用了經(jīng)皮無線能量傳輸技術(shù)和無線通信技術(shù)，其中涉及到的技術(shù)關鍵或難點有： （1）建立經(jīng)皮無線能量傳輸?shù)鸟詈夏Ｐ?，確定初次級線圈的補償結(jié)構(gòu)（2）優(yōu)化弱耦合情況下能量傳輸?shù)男剩?）確定系統(tǒng)最優(yōu)傳能工作頻率（4）能量發(fā)射機電路的高效設計（5）能量接收機電路的高效設計（6）閉環(huán)控制電路的設計（7）優(yōu)化接收模塊尺寸（8）接收模塊的封裝技術(shù) 5.主要技術(shù)指標 （1）寬位置容忍范圍（2）動態(tài)電源管理 （3）系統(tǒng)雙電源輸出（4）閉環(huán)反饋控制功能 （5）接收模塊尺寸要求（6）封裝要求生物相容性
科學性、先進性
- 1.科學性 本作品綜合利用無線能量傳輸技術(shù)方案和無線通信技術(shù)方案，建立了用于植入式醫(yī)療電子器件的閉環(huán)經(jīng)皮無線能量傳輸系統(tǒng)?？梢愿鶕?jù)體內(nèi)控制電路對器件的供電狀態(tài)信息進行監(jiān)測，將信息通過無線通信的方式反饋給體外控制電路，從而實現(xiàn)對外部DC電源的控制，提高了無線供能系統(tǒng)的自適應性和穩(wěn)定性，實現(xiàn)也更加靈活與方便。本作品設計實現(xiàn)之后，進行了聯(lián)合測試和動物植入實驗，系統(tǒng)能夠滿足植入的目標，同時能夠傳輸足夠的能量，保證植入醫(yī)療器件穩(wěn)定可靠的工作。實驗結(jié)果也驗證了本作品具有科學性和可行性。 2. 先進性 本作品與現(xiàn)有的技術(shù)研究相比，具有以下技術(shù)特點和顯著進步： （1）接收線圈采用PCB串聯(lián)電感結(jié)構(gòu)。（2）沒有采用磁芯。（3）傳能工作頻率適宜。（4）采用了閉環(huán)系統(tǒng)。（5）采用了高效的電路結(jié)構(gòu)。（6）進行了多種介質(zhì)測試和動物實驗。（7）較寬位置容忍指標。（8）尺寸優(yōu)勢。（9）封裝設計。（10）外部電源適宜。（11）功能擴展性強。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 2010年5月，第十二屆“挑戰(zhàn)杯”全國大學生課外學術(shù)科技作品競賽校內(nèi)選拔賽一等獎
作品所處階段
- 樣機設計制作完成，已植入家兔體內(nèi)進行活體應用實驗，能夠穩(wěn)定可靠供能。目前還未進行商業(yè)轉(zhuǎn)化。
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 待定
作品可展示的形式
- 實物、產(chǎn)品、電路原理圖紙、現(xiàn)場演示、圖片、錄像、樣品
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 使用說明 作品包括發(fā)射機和接收機。發(fā)射機為體外發(fā)射電路，外部有供能開關和監(jiān)測開關，采用5V電源適配器供電，使用時佩戴于人體皮膚外側(cè)。接收機為植入體內(nèi)的接收電路，具有生物相容性封裝，通過手術(shù)植入人體皮下。 技術(shù)特點和優(yōu)勢 作品具有以下實用性和技術(shù)優(yōu)勢： （1）采用了閉環(huán)系統(tǒng)設計。（2）引入了動態(tài)電源管理結(jié)構(gòu)。（3）更安全有效的傳能工作頻率。（4）較寬位置容忍指標。（5）尺寸優(yōu)勢。（6）外部電源適宜。（7）封裝設計。（8）基于Zigbee技術(shù)的無線通信。 適用范圍 作品可適用除人工心臟之外的各類低功耗植入式醫(yī)療器件，還可用于體內(nèi)診療微系統(tǒng)的其他分支。作品解決了植入式醫(yī)療器件實用臨床化的供能問題，提供了廣泛的應用方式，具有重大實際應用價值。 市場分析和經(jīng)濟效益預測 近年來，我國醫(yī)療保健體系的不斷完善和居民醫(yī)療健康需求的持續(xù)增加，植入醫(yī)療電子器件市場快速增長。2009年，我國植入或便攜式醫(yī)療電子器件市場規(guī)模達到167億元左右，因此本作品的應用必定會帶來廣闊的市場前景。
同類課題研究水平概述
- 用于植入式醫(yī)療電子器件的經(jīng)皮無線供能技術(shù)利用無接觸電磁耦合線圈作為傳能結(jié)構(gòu)，對皮膚沒有損傷，患者可以擺脫二次手術(shù)的心理陰影與感染的危險性，可大大改善患者的生活質(zhì)量。國外對植入式器件的無線能量傳輸研究較早，其中日本和美國在該技術(shù)領域取得了比較大的進展。 最早的研究始于20世紀60年代，主要用于聽覺修復系統(tǒng)和人工心臟系統(tǒng)的供電。1970年，美國紐約大學的Alfred等人設計了3-15 kHz頻率下的無線能量傳輸系統(tǒng)，并將該系統(tǒng)植入三只70-80磅重的綿羊體內(nèi)進行在體實驗，經(jīng)過半年的觀察，結(jié)果沒有異常反應，證明了非接觸變壓器產(chǎn)生的磁場對生物組織沒有明顯的負面影響；近年來，則采用鐵氧體作為鐵芯，提出了一種用于高效經(jīng)皮傳能系統(tǒng)的變壓器，提高了經(jīng)皮傳能系統(tǒng)傳輸效率。目前，該課題組已有實驗室樣機問世；美國南加州大學G. E. Loeb等人從1990開始了應用于癱瘓肌肉刺激的BION器件研究，采用的也是經(jīng)皮無線供能的方案，該小組的研究是圍繞植入器件BION進行的，并且BION器件和相關輔助器件的研究和開發(fā)相當完善，正在進行臨床實驗，但目前還沒有進行商用；美國杜克大學Michael Rizk等人設計了用于全植入式96通道神經(jīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的經(jīng)皮無線能量傳輸系統(tǒng)，工作頻率在250 kHz的能量傳輸系統(tǒng)在測試條件下接收端獲得了接近2W的功率；商用產(chǎn)品上，日本的RF system公司與以色列的Given Imaging公司已相推出了具有體外能量供給功能的膠囊型內(nèi)窺鏡。 國內(nèi)在這一領域的研究尚處于起步階段，只有少數(shù)研究機構(gòu)對植入式醫(yī)療電子器件的無線供能進行了研究。對該項技術(shù)的研究也大多以理論分析和模擬實驗研究為主，電路功能基本都能實現(xiàn)。目前國內(nèi)的研究水平距離臨床的植入醫(yī)療應用仍有很多需要解決的難題。清華大學李路明教授課題組主要對應用于植入式神經(jīng)刺激器的無線充電系統(tǒng)開展了相關研究，并于活豬體內(nèi)做過相關實驗；重慶大學鄭小林教授課題組主要從事了消化道診療膠囊系統(tǒng)和人工視網(wǎng)膜方面的無線能量傳輸技術(shù)的研究。
