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次級線圈間電磁耦合方式實現的。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，經整流、濾波產生穩(wěn)定的直流電壓，再通過有效的電源管理集成電路，對體內充電電池充電或直接供給體內醫(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)測結果能夠“感知”體內醫(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的同時也實現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、技術關鍵和主要技術指標
- 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，作品實現了一個具有閉環(huán)控制的經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，結合整流穩(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容。醫(yī)工結合，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.技術關鍵 作品的研究涉及多個學科技術領域，主要是綜合運用了經皮無線能量傳輸技術和無線通信技術，其中涉及到的技術關鍵或難點有： （1）建立經皮無線能量傳輸的耦合模型，確定初次級線圈的補償結構（2）優(yōu)化弱耦合情況下能量傳輸的效率（3）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 5.主要技術指標 （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方案和無線通信技術方案，建立了用于植入式醫(yī)療電子器件的閉環(huán)經皮無線能量傳輸系統(tǒng)。可以根據體內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，實現也更加靈活與方便。本作品設計實現之后，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 本作品與現有的技術研究相比，具有以下技術特點和顯著進步： （1）接收線圈采用PCB串聯(lián)電感結構。（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構。（6）進行了多種介質測試和動物實驗。（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。
獲獎情況及鑒定結果
- 2010年5月，第十二屆“挑戰(zhàn)杯”全國大學生課外學術科技作品競賽校內選拔賽一等獎
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)轉化。
技術轉讓方式
- 待定
作品可展示的形式
- 實物、產品、電路原理圖紙、現場演示、圖片、錄像、樣品
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測
- 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。接收機為植入體內的接收電路，具有生物相容性封裝，通過手術植入人體皮下。 技術特點和優(yōu)勢 作品具有以下實用性和技術優(yōu)勢： （1）采用了閉環(huán)系統(tǒng)設計。（2）引入了動態(tài)電源管理結構。（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)療電子器件的經皮無線供能技術利用無接觸電磁耦合線圈作為傳能結構，對皮膚沒有損傷，患者可以擺脫二次手術的心理陰影與感染的危險性，可大大改善患者的生活質量。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磅重的綿羊體內進行在體實驗，經過半年的觀察，結果沒有異常反應，證明了非接觸變壓器產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皮傳能系統(tǒng)的變壓器，提高了經皮傳能系統(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通道神經數據采集系統(tǒng)的經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窺鏡。 國內在這一領域的研究尚處于起步階段，只有少數研究機構對植入式醫(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。目前國內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刺激器的無線充電系統(tǒng)開展了相關研究，并于活豬體內做過相關實驗；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)和人工視網膜方面的無線能量傳輸技術的研究。
