用于无线功率传输的系统技术方案

本文描述了利用中场源和植入物进行无线功率传输的装置、系统和方法。在一个变型中，中场源可以通过由一个或多个亚波长结构所构成的图案化的金属板来实现。这些中场源可以操纵材料(例如，组织)之外的倏逝场来激励和控制材料(例如，组织)内部的传播场，从而在材料(例如，组织)中产生空间上受限且自适应的能量传输。能量可以被植入装置接收，植入装置可以被配置用于一个或多个功能，例如刺激、感测或药物输送。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】中场耦合器相关申请本申请要求享有于2014年5月18日提交的标题为“MIDFIELDCOUPLER”的美国临时专利申请No.61/994,960的优先权，该申请以全文引用的方式并入本文中。
本公开内容总体上涉及无线功率传输。具体而言，本文描述了用于中场耦合到植入装置(例如，微刺激器、传感器、消融(ablation)或药物输送装置)的装置、系统以及方法。
技术介绍
尽管能量储存技术已经取得了相当大的进步，但电池仍然是植入式电子器件小型化的主要障碍。结果，目前的可植入式电刺激系统通常包括大的脉冲发生器，该脉冲发生器包含包装(encase)电池和用于产生电脉冲的电路的钛外壳。脉冲发生器典型地被植入在身体的腔体内，例如在锁骨下方、胸腔下面、在下腹部区域中或上臀部中。然后电脉冲经由被布线在皮肤下面的引线或通过血管被传递到目标神经或肌肉区域。与这种现有方法相关联的问题包括囊袋感染、引线移位、引线断裂或穿孔、由于植入或取出引线而引起的肌肉撕裂、以及放置电极的有限位置。另外，这些装置的使用寿命是非常有限的，一旦电池组被耗尽，则需要定期的手术更换。可替换地，能量可以从外部源无线地传输，但是将功率传输到位于超过表皮深度的一个或多个小型植入装置的能力仍然是具有挑战性的。用于植入式电子器件的大多数已知的无线供电方法基于近场耦合方法，并且这些和其它建议的方法具有许多缺点。植入装置中的功率采集结构(例如，线圈或天线)通常较大。最大尺寸通常在厘米量级或更大。近场耦合方法中的体外线圈也通常体积庞大且不灵活。这对于将外部装置融入日常生活中存在一些困难。近场的固有指数性衰减限制了超过表皮深度(大于1cm)的植入器件微型化。另一方面，远场的辐射特性严重限制了能量传输效率。因此需要具有用于向小型植入式装置传送无线功率的装置和方法，以及适用于微创传递方法的对应的小型植入式装置。
技术实现思路
本文描述了利用中场源和植入物进行无线功率传输的装置、系统和方法。在一个变型中，中场源(耦合器)可以通过由多个亚波长结构中的一个构成的图案化的金属板来实现。这些中场源可以操纵材料(例如，组织)之外的倏逝场来激发和控制材料内部的传播场，从而在材料中产生空间上受限且自适应的能量传输。能量可以被植入装置接收，植入装置可以被配置用于一个或多个功能，例如刺激、消融、感测或药物输送等功能。在一个变型中，本文描述的装置是中场源。中场源可以包括中场板和一个或多个激励端口。中场板可以包括平面表面和一个或多个亚波长结构。中场源可以被配置用于穿过组织的无线功率传输。在一些变型中，中场源包括平面结构，该平面结构包括金属、槽或金属带中的至少一个、以及耦合到槽或金属带的激励端口，其中，源能够产生电磁场，与源相邻的场的空间频谱具有在范围内的不可忽略的分量。在这些变型中的一些中，该装置包括至少两个槽或至少两个金属带。在这些变型中的一些中，两个槽或两个金属带由相同的激励端口激励。在这些变型中的一些中，两个槽或两个金属带使用微带传输线由相同的激励端口激励。在一些变型中，该装置还包括用于动态地移动电磁场的聚焦区域的控制器。在一些变型中，该装置包括八个槽，其中，八个槽布置成成对的相交线型槽和弯曲槽。在这些变型中的一些中，每一对槽由单个激励端口激励。本文还描述了用于穿过组织为植入物无线供电的系统。在一些变型中，所述系统可以包括中场源，所述中场源包括包含平面结构和亚波长结构的中场板，以及用于激励所述亚波长结构的激励端口，以及包括接收器线圈的植入物，其中，所述中场源被配置成通过组织的传播模式向植入物传送功率。在这些变型中的一些中，源能够产生电磁场，与源相邻的场的空间频谱具有在范围内的不可忽略的分量。在这些变型中的一些中，中场板包括柔性基板。在这些变型中的一些中，柔性基板包括粘合剂并且被构造成附接到患者的皮肤。在这些变型中的一些中，植入物的直径小于3mm。在这些变型中的一些中，植入物包括电极。在一些变型中，植入物包括传感器。在一些变型中，中场源包括用于响应于来自传感器的反馈而动态地移动电磁场的焦点区域的控制器。本文还描述了用于穿过材料向植入物无线传送功率的方法。在一些变型中，该方法包括利用源产生电磁场，并且穿过材料将能量无线地传输到植入物的接收器线圈，其中，与源相邻的场的空间频谱包括在范围内的不可忽略的分量。在一些变型中，源和植入物相距至少5cm，植入物的直径小于3mm。在这些变型中的一些中，当500mW耦合到材料中时，传输到线圈的功率至少为10μW。在一些变型中，该方法还包括将能量无线地传送到第二植入物的第二接收器线圈。在一些变型中，该方法还包括调整电磁场的聚焦区域。本文还描述了包括源的无线供电系统，所述源包括一个或多个亚波长结构，所述一个或多个亚波长结构被配置为通过操纵组织外的倏逝场以在组织中产生空间聚焦的场来无线传送功率，植入物被配置为从外部模块接收无线功率，该植入物包括至少一个传感器或刺激器。在一些变型中，传感器选自由以下各项构成的组中：热传感器、化学传感器、压力传感器、氧传感器、PH传感器、流量传感器、电传感器、应变传感器、磁传感器以及成像传感器。在一些变型中，刺激器选自由以下各项构成的组中：电刺激器、光刺激器、化学刺激器和机械刺激器。在一些变型中，植入式装置包括允许可互换的传感器和/或刺激器的模块化设计。在一些变型中，一个或多个亚波长结构选自由以下各项构成的组中：贴片、PIFA、槽、十字槽、孔耦合圆形槽和半槽。在一些变型中，源被配置为调整空间聚焦场的焦点的位置。在这些变型中的一些中，植入物包括用于检测所接收的无线能量的功率水平的传感器，并且包括发射器，用以向外部模块提供反馈以自动调整焦点的位置从而优化无线功率传输。在一些变型中，植入物被配置为被植入在心脏上、心脏内或心脏附近以将无引线起搏施加到心脏。在一些变型中，植入物被配置为被植入在脑上、脑中或脑附近以将深度脑刺激施加到大脑。在一些变型中，植入物被配置为被植入在脊髓上、脊髓内或脊髓附近以对脊髓施加刺激。在一些变型中，植入物被配置为被植入在舌头的肌肉组织上、中或附近，以对舌头施加刺激来治疗阻塞性睡眠呼吸暂停。本文还描述了一种心脏起搏的方法，包括将无线功率接收模块植入心脏中、心脏上或心脏附近，向无线功率接收模块传送中场传播波以给该模块供电，用该模块感测心脏的参数；并用该模块向心脏提供电起搏。本文还描述了一种深度脑刺激的方法，包括将无线功率接收模块植入脑中、脑上或脑附近，向无线功率接收模块传送中场传播波以给该模块供电，用该模块感测大脑的参数，以及用该模块向大脑提供刺激。本文还描述了一种刺激组织的方法，包括：将无线功率接收模块植入组织中，向无线功率接收模块传送中场传播波以给该模块供电，用该模块感测组织的参数；以及用该模块向组织提供刺激。在一些变型中，该方法还包括调整传播波的焦点以优化到模块的无线功率传输。在一些变型中，传送步骤包括用亚波长结构来传送波，所述亚波长结构产生垂直于波并平行于组织界面的磁场。附图说明图1示出了位于空气和高折射率材料之间的界面上方的源的示意性侧视图。图2A示出了向安装在心脏表面上的线圈传输功率的示意图。图2B和2C示出了针对跨多层材料的功率传输优化的由源电流密度产生的磁场。图3A和3C示出了由中场源产生的磁场，用于本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种系统，包括：第一收发器，所述第一收发器发送和接收第一频率的微波信号，所述第一收发器包括中场耦合器，所述中场耦合器将来自所述第一收发器的信号转换为具有与所述中场耦合器的表面平行的不可忽略的H场分量的信号并且将经转换的信号聚焦到组织内的位置，所述位置在所述微波信号的在空气中测量的波长内；以及至少部分可植入的生物相容装置，所述至少部分可植入的生物相容装置包括第二收发器，所述第二收发器包括基于电场的天线，所述基于电场的天线接收来自所述中场耦合器的信号，并且所述第二收发器发送与所述第一收发器大约相同频率的信号。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种系统，包括：第一收发器，所述第一收发器发送和接收第一频率的微波信号，所述第一收发器包括中场耦合器，所述中场耦合器将来自所述第一收发器的信号转换为具有与所述中场耦合器的表面平行的不可忽略的H场分量的信号并且将经转换的信号聚焦到组织内的位置，所述位置在所述微波信号的在空气中测量的波长内；以及至少部分可植入的生物相容装置，所述至少部分可植入的生物相容装置包括第二收发器，所述第二收发器包括基于电场的天线，所述基于电场的天线接收来自所述中场耦合器的信号，并且所述第二收发器发送与所述第一收发器大约相同频率的信号。2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述基于电场的天线是偶极子天线。3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一收发器包括：相位匹配网络，所述相位匹配网络包括相位检测器和移相器，所述相位检测器和所述移相器电耦合到所述中场耦合器，所述相位检测器确定从所述第二收发器接收的信号的相位，并且所述移相器基于从所述第二收发器接收的所述信号的所确定的相位来调整被提供给所述中场耦合器的信号的相位。4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述移相器依照从所述第二收发器接收的所述信号的所确定的相位来调整所述信号的所述相位。5.根据权利要求3所述的系统，其中，所述移相器调整所述信号的所述相位以匹配从所述第二收发器接收的所述信号的所述相位。6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一收发器包括：幅度匹配网络，所述幅度匹配网络包括电耦合到所述中场耦合器的幅度检测器和可变增益放大器，所述幅度检测器确定从所述第二收发器接收的信号的幅度，并且所述可变增益放大器基于从所述第二收发器接收的所述信号的所述幅度来调整被提供给所述中场耦合器的信号的幅度。7.根据权利要求6所述的系统，其中：所述中场耦合器包括两个或更多个端口，所述幅度检测器是两个或更多个幅度检测器中的一个幅度检测器，所述两个或更多个幅度检测器中的每个幅度检测器电耦合到所述中场耦合器的相应端口，所述第一收发器还包括功率分配器，所述功率分配器接收射频(RF)信号并将所述RF信号划分并分成两个或更多个信号，所述中场耦合器的每个端口一个信号，并且其中，所述可变增益放大器是多个可变增益放大器中的一个可变增益放大器，每个可变增益放大器电耦合在所述中场耦合器的相应端口与所述功率分配器之间，每个放大器接收来自所述功率分配器的所述两个或更多个信号中的信号并且依照增益来放大所述信号，其中，所述增益是基于由耦合到所述中场耦合器的同一相应端口的幅度检测器所确定的幅度来确定的。8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述多个放大器中的每个放大器的增益是所述幅度检测器所确定的幅度乘以一数量。9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述数量是其中，Ptt是特定幅度，并且Pi是在用于所述中场耦合器的i个端口中的每个端口的所述幅度检测器处确定的多个幅度中的幅度。10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述数量Pk进一步除以效率指标η，其中，其中，Pit是从所述第二收发器发送的信号的幅度。11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述天线被...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·J·叶，M·M·莫里斯，
申请(专利权)人：诺伊斯佩拉医疗有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US