基本信息
- 项目名称：
- 用于植入式医疗电子器件的无线供能系统
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 生命科学
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本作品设计了应用于植入式医疗电子器件的无线供能系统，为植入式医疗电子器件提供一种安全有效的能量解决方案。本作品也实现无线电源的有效管理和闭环控制，提高系统自适应性和稳定性。在一定恶劣条件下，仍能进行可靠无线能量传输并获得稳定电源输出。本系统适于低功耗植入式医疗电子器件，也可用于体内诊疗系统其他分支。
- 详细介绍：
- 本作品设计了应用于植入式医疗电子器件的无线供能系统，为植入式医疗电子器件提供了一种更加安全而有效的能量解决方案。系统中能量的无线传输是通过体外的初级线圈与植入皮下的体内次级线圈间电磁耦合方式实现的。其基本思路是通过高频振荡器和功率放大器将直流电源转化为高频交流信号，再通过串联谐振的初级线圈传递出去，体内接收模块的微型次级线圈则通过电磁耦合感应出高频交流电压，经整流、滤波产生稳定的直流电压，再通过有效的电源管理集成电路，对体内充电电池充电或直接供给体内医疗器件工作。同时本系统中考虑到闭环反馈控制，对接收机装置内的电池电量与温度信息监测，并由射频收发芯片CC2430反馈给体外发射机，患者通过LCD显示的监测结果能够“感知”体内医疗电子器件的电池电量和温度状态，从而简便自如操纵发射机是否开始进行充电。本作品在完成能量传输的同时也实现了无线电源的有效管理和闭环控制，提高了系统的自适应性和稳定性。在一定恶劣传输条件下，仍然能够进行可靠地无线能量传输并获得稳定电源输出。本无线供能系统适用于各类低功耗的植入式医疗电子器件，也可用于各种体内诊疗系统的其他分支。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 1.研究目的 为了解决当前植入式医疗电子器件的能量供应问题，作品实现了一个具有闭环控制的经皮无线能量传输系统，在满足植入式医疗电子器件供能的需求下，还能消除原电池供电的存在的缺点和潜在危险，彻底改善了患者的生活质量，为植入式医疗电子器件的供能提供了一个广泛的应用方式。 2.基本思路 作品的设计是从电磁耦合基本原理出发，利用振荡器、功率放大器技术，结合整流稳压电路、充电管理集成电路、微处理器以及射频无线收发模块，设计植入式医疗电子器件经皮无线供能系统。 3.创新点 作品属于交叉学科的研究内容。医工结合，是作品开展研究的出发点。主要有以下创新点： （1）接收线圈采用PCB串联电感（2）动态电源管理（3）通用电源输出（4）闭环反馈控制（5）宽容忍工作范围（6）尺寸优势（7）安全有效的传能工作频率（8）安全可靠的封装设计 4.技术关键 作品的研究涉及多个学科技术领域，主要是综合运用了经皮无线能量传输技术和无线通信技术，其中涉及到的技术关键或难点有： （1）建立经皮无线能量传输的耦合模型，确定初次级线圈的补偿结构（2）优化弱耦合情况下能量传输的效率（3）确定系统最优传能工作频率（4）能量发射机电路的高效设计（5）能量接收机电路的高效设计（6）闭环控制电路的设计（7）优化接收模块尺寸（8）接收模块的封装技术 5.主要技术指标 （1）宽位置容忍范围（2）动态电源管理 （3）系统双电源输出（4）闭环反馈控制功能 （5）接收模块尺寸要求（6）封装要求生物相容性
科学性、先进性
- 1.科学性 本作品综合利用无线能量传输技术方案和无线通信技术方案，建立了用于植入式医疗电子器件的闭环经皮无线能量传输系统。可以根据体内控制电路对器件的供电状态信息进行监测，将信息通过无线通信的方式反馈给体外控制电路，从而实现对外部DC电源的控制，提高了无线供能系统的自适应性和稳定性，实现也更加灵活与方便。本作品设计实现之后，进行了联合测试和动物植入实验，系统能够满足植入的目标，同时能够传输足够的能量，保证植入医疗器件稳定可靠的工作。实验结果也验证了本作品具有科学性和可行性。 2. 先进性 本作品与现有的技术研究相比，具有以下技术特点和显著进步： （1）接收线圈采用PCB串联电感结构。（2）没有采用磁芯。（3）传能工作频率适宜。（4）采用了闭环系统。（5）采用了高效的电路结构。（6）进行了多种介质测试和动物实验。（7）较宽位置容忍指标。（8）尺寸优势。（9）封装设计。（10）外部电源适宜。（11）功能扩展性强。
获奖情况及鉴定结果
- 2010年5月，第十二届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛校内选拔赛一等奖
作品所处阶段
- 样机设计制作完成，已植入家兔体内进行活体应用实验，能够稳定可靠供能。目前还未进行商业转化。
技术转让方式
- 待定
作品可展示的形式
- 实物、产品、电路原理图纸、现场演示、图片、录像、样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明 作品包括发射机和接收机。发射机为体外发射电路，外部有供能开关和监测开关，采用5V电源适配器供电，使用时佩戴于人体皮肤外侧。接收机为植入体内的接收电路，具有生物相容性封装，通过手术植入人体皮下。 技术特点和优势 作品具有以下实用性和技术优势： （1）采用了闭环系统设计。（2）引入了动态电源管理结构。（3）更安全有效的传能工作频率。（4）较宽位置容忍指标。（5）尺寸优势。（6）外部电源适宜。（7）封装设计。（8）基于Zigbee技术的无线通信。 适用范围 作品可适用除人工心脏之外的各类低功耗植入式医疗器件，还可用于体内诊疗微系统的其他分支。作品解决了植入式医疗器件实用临床化的供能问题，提供了广泛的应用方式，具有重大实际应用价值。 市场分析和经济效益预测 近年来，我国医疗保健体系的不断完善和居民医疗健康需求的持续增加，植入医疗电子器件市场快速增长。2009年，我国植入或便携式医疗电子器件市场规模达到167亿元左右，因此本作品的应用必定会带来广阔的市场前景。
同类课题研究水平概述
- 用于植入式医疗电子器件的经皮无线供能技术利用无接触电磁耦合线圈作为传能结构，对皮肤没有损伤，患者可以摆脱二次手术的心理阴影与感染的危险性，可大大改善患者的生活质量。国外对植入式器件的无线能量传输研究较早，其中日本和美国在该技术领域取得了比较大的进展。 最早的研究始于20世纪60年代，主要用于听觉修复系统和人工心脏系统的供电。1970年，美国纽约大学的Alfred等人设计了3-15 kHz频率下的无线能量传输系统，并将该系统植入三只70-80磅重的绵羊体内进行在体实验，经过半年的观察，结果没有异常反应，证明了非接触变压器产生的磁场对生物组织没有明显的负面影响；近年来，则采用铁氧体作为铁芯，提出了一种用于高效经皮传能系统的变压器，提高了经皮传能系统传输效率。目前，该课题组已有实验室样机问世；美国南加州大学G. E. Loeb等人从1990开始了应用于瘫痪肌肉刺激的BION器件研究，采用的也是经皮无线供能的方案，该小组的研究是围绕植入器件BION进行的，并且BION器件和相关辅助器件的研究和开发相当完善，正在进行临床实验，但目前还没有进行商用；美国杜克大学Michael Rizk等人设计了用于全植入式96通道神经数据采集系统的经皮无线能量传输系统，工作频率在250 kHz的能量传输系统在测试条件下接收端获得了接近2W的功率；商用产品上，日本的RF system公司与以色列的Given Imaging公司已相推出了具有体外能量供给功能的胶囊型内窥镜。 国内在这一领域的研究尚处于起步阶段，只有少数研究机构对植入式医疗电子器件的无线供能进行了研究。对该项技术的研究也大多以理论分析和模拟实验研究为主，电路功能基本都能实现。目前国内的研究水平距离临床的植入医疗应用仍有很多需要解决的难题。清华大学李路明教授课题组主要对应用于植入式神经刺激器的无线充电系统开展了相关研究，并于活猪体内做过相关实验；重庆大学郑小林教授课题组主要从事了消化道诊疗胶囊系统和人工视网膜方面的无线能量传输技术的研究。
