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基本信息
- 項(xiàng)目名稱(chēng)：
- 用于植入式醫(yī)療電子器件的無(wú)線供能系統(tǒng)
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類(lèi)：
- 生命科學(xué)
- 大類(lèi)：
- 科技發(fā)明制作B類(lèi)
- 簡(jiǎn)介：
- 本作品設(shè)計(jì)了應(yīng)用于植入式醫(yī)療電子器件的無(wú)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(shí)現(xiàn)無(wú)線電源的有效管理和閉環(huán)控制，提高系統(tǒng)自適應(yīng)性和穩(wěn)定性。在一定惡劣條件下，仍能進(jìn)行可靠無(wú)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(xì)介紹：
- 本作品設(shè)計(jì)了應(yīng)用于植入式醫(yī)療電子器件的無(wú)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(wú)線傳輸是通過(guò)體外的初級(jí)線圈與植入皮下的體內(nèi)次級(jí)線圈間電磁耦合方式實(shí)現(xiàn)的。其基本思路是通過(guò)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(hào)，再通過(guò)串聯(lián)諧振的初級(jí)線圈傳遞出去，體內(nèi)接收模塊的微型次級(jí)線圈則通過(guò)電磁耦合感應(yīng)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(guò)有效的電源管理集成電路，對(duì)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(shí)本系統(tǒng)中考慮到閉環(huán)反饋控制，對(duì)接收機(jī)裝置內(nèi)的電池電量與溫度信息監(jiān)測(cè)，并由射頻收發(fā)芯片CC2430反饋給體外發(fā)射機(jī)，患者通過(guò)LCD顯示的監(jiān)測(cè)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(jiǎn)便自如操縱發(fā)射機(jī)是否開(kāi)始進(jìn)行充電。本作品在完成能量傳輸?shù)耐瑫r(shí)也實(shí)現(xiàn)了無(wú)線電源的有效管理和閉環(huán)控制，提高了系統(tǒng)的自適應(yīng)性和穩(wěn)定性。在一定惡劣傳輸條件下，仍然能夠進(jìn)行可靠地?zé)o線能量傳輸并獲得穩(wěn)定電源輸出。本無(wú)線供能系統(tǒng)適用于各類(lèi)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(zhuān)業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 1.研究目的 為了解決當(dāng)前植入式醫(yī)療電子器件的能量供應(yīng)問(wèn)題，作品實(shí)現(xiàn)了一個(gè)具有閉環(huán)控制的經(jīng)皮無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)，在滿(mǎn)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(diǎn)和潛在危險(xiǎn)，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(gè)廣泛的應(yīng)用方式。 2.基本思路 作品的設(shè)計(jì)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(wú)線收發(fā)模塊，設(shè)計(jì)植入式醫(yī)療電子器件經(jīng)皮無(wú)線供能系統(tǒng)。 3.創(chuàng)新點(diǎn) 作品屬于交叉學(xué)科的研究?jī)?nèi)容。醫(yī)工結(jié)合，是作品開(kāi)展研究的出發(fā)點(diǎn)。主要有以下創(chuàng)新點(diǎn)： （1）接收線圈采用PCB串聯(lián)電感（2）動(dòng)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(shì)（7）安全有效的傳能工作頻率（8）安全可靠的封裝設(shè)計(jì) 4.技術(shù)關(guān)鍵 作品的研究涉及多個(gè)學(xué)科技術(shù)領(lǐng)域，主要是綜合運(yùn)用了經(jīng)皮無(wú)線能量傳輸技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)，其中涉及到的技術(shù)關(guān)鍵或難點(diǎn)有： （1）建立經(jīng)皮無(wú)線能量傳輸?shù)鸟詈夏Ｐ?，確定初次級(jí)線圈的補(bǔ)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(jī)電路的高效設(shè)計(jì)（5）能量接收機(jī)電路的高效設(shè)計(jì)（6）閉環(huán)控制電路的設(shè)計(jì)（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(biāo) （1）寬位置容忍范圍（2）動(dòng)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(xué)性、先進(jìn)性
- 1.科學(xué)性 本作品綜合利用無(wú)線能量傳輸技術(shù)方案和無(wú)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(wú)線能量傳輸系統(tǒng)?？梢愿鶕?jù)體內(nèi)控制電路對(duì)器件的供電狀態(tài)信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將信息通過(guò)無(wú)線通信的方式反饋給體外控制電路，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)外部DC電源的控制，提高了無(wú)線供能系統(tǒng)的自適應(yīng)性和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)也更加靈活與方便。本作品設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)之后，進(jìn)行了聯(lián)合測(cè)試和動(dòng)物植入實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足植入的目標(biāo)，同時(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了本作品具有科學(xué)性和可行性。 2. 先進(jìn)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(diǎn)和顯著進(jìn)步： （1）接收線圈采用PCB串聯(lián)電感結(jié)構(gòu)。（2）沒(méi)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(jìn)行了多種介質(zhì)測(cè)試和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。（7）較寬位置容忍指標(biāo)。（8）尺寸優(yōu)勢(shì)。（9）封裝設(shè)計(jì)。（10）外部電源適宜。（11）功能擴(kuò)展性強(qiáng)。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 2010年5月，第十二屆“挑戰(zhàn)杯”全國(guó)大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽校內(nèi)選拔賽一等獎(jiǎng)
作品所處階段
- 樣機(jī)設(shè)計(jì)制作完成，已植入家兔體內(nèi)進(jìn)行活體應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，能夠穩(wěn)定可靠供能。目前還未進(jìn)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(shí)物、產(chǎn)品、電路原理圖紙、現(xiàn)場(chǎng)演示、圖片、錄像、樣品
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 使用說(shuō)明 作品包括發(fā)射機(jī)和接收機(jī)。發(fā)射機(jī)為體外發(fā)射電路，外部有供能開(kāi)關(guān)和監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)，采用5V電源適配器供電，使用時(shí)佩戴于人體皮膚外側(cè)。接收機(jī)為植入體內(nèi)的接收電路，具有生物相容性封裝，通過(guò)手術(shù)植入人體皮下。 技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì) 作品具有以下實(shí)用性和技術(shù)優(yōu)勢(shì)： （1）采用了閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。（2）引入了動(dòng)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(biāo)。（5）尺寸優(yōu)勢(shì)。（6）外部電源適宜。（7）封裝設(shè)計(jì)。（8）基于Zigbee技術(shù)的無(wú)線通信。 適用范圍 作品可適用除人工心臟之外的各類(lèi)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(shí)用臨床化的供能問(wèn)題，提供了廣泛的應(yīng)用方式，具有重大實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。 市場(chǎng)分析和經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè) 近年來(lái)，我國(guó)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(chǎng)快速增長(zhǎng)。2009年，我國(guó)植入或便攜式醫(yī)療電子器件市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到167億元左右，因此本作品的應(yīng)用必定會(huì)帶來(lái)廣闊的市場(chǎng)前景。
同類(lèi)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(wú)線供能技術(shù)利用無(wú)接觸電磁耦合線圈作為傳能結(jié)構(gòu)，對(duì)皮膚沒(méi)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(xiǎn)性，可大大改善患者的生活質(zhì)量。國(guó)外對(duì)植入式器件的無(wú)線能量傳輸研究較早，其中日本和美國(guó)在該技術(shù)領(lǐng)域取得了比較大的進(jìn)展。 最早的研究始于20世紀(jì)60年代，主要用于聽(tīng)覺(jué)修復(fù)系統(tǒng)和人工心臟系統(tǒng)的供電。1970年，美國(guó)紐約大學(xué)的Alfred等人設(shè)計(jì)了3-15 kHz頻率下的無(wú)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(jìn)行在體實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)半年的觀察，結(jié)果沒(méi)有異常反應(yīng)，證明了非接觸變壓器產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)生物組織沒(méi)有明顯的負(fù)面影響；近年來(lái)，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(shí)驗(yàn)室樣機(jī)問(wèn)世；美國(guó)南加州大學(xué)G. E. Loeb等人從1990開(kāi)始了應(yīng)用于癱瘓肌肉刺激的BION器件研究，采用的也是經(jīng)皮無(wú)線供能的方案，該小組的研究是圍繞植入器件BION進(jìn)行的，并且BION器件和相關(guān)輔助器件的研究和開(kāi)發(fā)相當(dāng)完善，正在進(jìn)行臨床實(shí)驗(yàn)，但目前還沒(méi)有進(jìn)行商用；美國(guó)杜克大學(xué)Michael Rizk等人設(shè)計(jì)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(wú)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(cè)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(guó)內(nèi)在這一領(lǐng)域的研究尚處于起步階段，只有少數(shù)研究機(jī)構(gòu)對(duì)植入式醫(yī)療電子器件的無(wú)線供能進(jìn)行了研究。對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的研究也大多以理論分析和模擬實(shí)驗(yàn)研究為主，電路功能基本都能實(shí)現(xiàn)。目前國(guó)內(nèi)的研究水平距離臨床的植入醫(yī)療應(yīng)用仍有很多需要解決的難題。清華大學(xué)李路明教授課題組主要對(duì)應(yīng)用于植入式神經(jīng)刺激器的無(wú)線充電系統(tǒng)開(kāi)展了相關(guān)研究，并于活豬體內(nèi)做過(guò)相關(guān)實(shí)驗(yàn)；重慶大學(xué)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(wú)線能量傳輸技術(shù)的研究。
