一种基于磁共振技术的人工心脏无线供电系统技术方案

本发明专利技术公开一种基于磁共振技术的人工心脏无线供电系统，包括：一个磁共振接收终端，位于病人体内，通过检测磁共振度的大小以及根据当前人工心脏电能的需求量发送相关数据至可变磁共振源；一个可变磁共振源，位于病人体外，用于接收磁共振接收终端发送的数据，经过计算改变共振及谐振参数，并与磁共振接收终端共振发送使磁共振接收终端接收的电能刚好满足当前电能需求量。本发明专利技术解决了微波式WPT技术但系统存在传输效率低、受障碍物的影响较大、存在辐射问题，感应式WPT技术仅能实现厘米级的短距离传输等问题。本发明专利技术采用磁共振式WPT方式，可以实现病人在一定空间内边充电边自由活动的基于磁共振技术的人工心脏无线供电系统。

A wireless power supply system of artificial heart based on magnetic resonance technology

【技术实现步骤摘要】
一种基于磁共振技术的人工心脏无线供电系统
本专利技术属于人工心脏充电装置，具体涉及一种为人工心脏心室辅助装置提供电能的基于磁共振技术的人工心脏无线供电系统。
技术介绍
根据世界卫生组织(WorldHealthOrganization)的数据，每年有1790万人死于心血管疾病，占全球死亡人数的31%。近年来连续血流左心室辅助装置的相关研究也取得了很大的成果，如血液相容性相关不良事件已通过新技术使之大大减少，但因为驱动泵体本身所需的电缆等必须经皮肤引出，因此导致的感染率仍然很高。全球注册数据(IMACS)显示只有一半的患者在2年期间免于感染。主要的是在2年的时间里，1/2的患者报告了传动系统感染，这代表了相当大的发病率、死亡率、再入院率和护理费用等。所以急需一种永久密封的方式，将相关外部控制器和电池等全部移入患者体内，以解决电缆引出问题。如此就必须采用无线充电的方式，对体内电池进行充电，以及无线的方式与内部控制器进行通信以及获取相关运行状态数据等。根据实现原理的不同，研究比较广泛且得到一定发展的无线电能传输技术（WPT技术）主要有三类：微波式、感应式以及磁共振式。微波式WPT技术是利用微波频段（300MHZ~300GHZ）的电磁波在远区辐射场实现远距离传输的技术。该技术利用微波发生器将电能转换为微波，并通过发射天线向外发射，由远处的接收天线接收之后，经由微波整流器转换为电能，向负载供电。微波式WPT技术能够广泛应用于太空、飞行器等领域，成为卫星、空间站、飞机供电方式的新选项。美国论证了利用空间太阳能进行发电的可行性，将太阳能转化为电能，再转换为携能微波传输到地球上，在地面上的接收站点中完成发电的应用。微波式WPT技术具有传输距离远的显著特性。它的特点有：系统工作频率高，变流器体积小；微波光速传输，在真空中能够无损耗地传输能量；能够实现点对点的定向传输。但系统存在传输效率低、受障碍物的影响较大、存在辐射问题等缺点，离实际应用尚有一定距离。目前该技术在高频半导体器件及相关技术的研发中存在发展瓶颈，并且微波对生物安全性的负面影响也限制了它的应用。所以该无线电能传输技术在人工心脏无线供电中不适合使用。感应式WPT技术利用电磁感应原理和互感耦合理论，在非福射近场范围内实现电能的无线传输。该系统使用松耦合变压器，在发射线圈和接收线圈之间形成一段空气磁路。两个线圈邻近放置，当发射线圈通以电流，利用所产生的磁通作为载体实现能量的耦合传输。感应式WPT技术目前研究比较成熟且得到了广泛应用。它的工作频率低；功率等级较大，可实现从几百瓦到几百千瓦的功率范围；传输效率高，整体可达90%及以上。但是由于其工作原理的限制，仅能实现厘米级的短距离传输，这严重制约了感应式WPT技术的应用，只能够应用在对距离要求不太高的场合。该技术在人工心脏无线供电中可以隔皮传输，实现高效率的无线充电，唯一不足即必须将充电基座部分穿戴在病人身上，以满足和接收部分的近距离要求，否则距离稍微增大即会造成传输效率的急剧下降。磁共振式WPT技术，也称WITRICITY技术，可实现中等距离的电能传输。它在非辐射近场范围内利用处于谐振状态的两个或多个具有相同谐振频率、高品质因数的LC电磁谐振系统，使得能量发生强烈交换以实现高效传输。该技术具有工作频率较高，约为数兆赫兹频率范围；传输距离相对较远，为线圈尺寸一倍或几倍的显著特点。同时具有传输效率高，传输功率中等；无辐射，生物安全性好；穿透性好，可穿越非金属障碍物的优点，在许多领域都具有极大应用价值。该技术在人工心脏无线供电中具有很大优势，可以解决电磁感应式供电必须近距离贴身供电的不便之处，使病人可以有一定的活动范围，大大增强了病人的自主生活能力。
技术实现思路
为了克服微波式WPT技术但系统存在传输效率低、受障碍物的影响较大、存在辐射问题，感应式WPT技术仅能实现厘米级的短距离传输等缺陷，本专利技术采用磁共振式WPT方式，可以实现病人在一定空间内边充电边自由活动的基于磁共振技术的人工心脏无线供电系统。本专利技术为了实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于磁共振技术的人工心脏无线供电系统，包括：一个磁共振接收终端，位于病人体内，通过检测磁共振度的大小以及根据当前人工心脏电能的需求量发送相关数据至可变磁共振源；一个可变磁共振源，位于病人体外，用于接收磁共振接收终端发送的数据，经过计算改变共振及谐振参数，并与磁共振接收终端共振发送使磁共振接收终端接收的电能刚好满足当前电能需求量。这样可以避免能量接收不足造成无法提供足够能量，也能可以避免接收过多的能量需要释放造成发热等问题。优选的，所述共振及谐振参数包括共振频率、共振幅值、谐振角度等参数。进一步地，所述可变磁共振源包括电源处理单元、控制单元、无线数据收发单元、磁共振调整单元、磁共振谐振线圈、状态指示及状态指示及异常报警单元，所述电源处理单元一端与外部220V电源连接，电源处理单元的另一端与控制单元的第一端连接，控制单元的第二端与无线数据收发单元连接，控制单元的第三端与状态指示及异常报警单元连接，控制单元的第四端通过磁共振调整单元与磁共振谐振线圈连接。优选的，在场景中，可变磁共振源可放置在茶几或书桌等位置，只要有相应电源插座即可，整机功率在50W以下，自重在1KG以内，但在使用中尽量选择空间宽阔无障碍物的位置。进一步地，所述磁共振接收终端包括磁共振谐振线圈、磁共振调整单元、控制单元、电池充电单元、血液泵驱动单元、人工心脏、无线数据收发单元，所述磁共振谐振线圈的一端与可变磁共振源的磁共振谐振线圈连接，磁共振谐振线圈另一端与磁共振调整单元的一端连接，磁共振调整单元的另一端与控制单元的第一端连接，控制单元的第二端与无线数据收发单元连接，控制单元的第三端与电池充电单元的一端连接，电池充电单元的另一端通过血液泵驱动单元与人工心脏连接。进一步地，所述可变磁共振源与磁共振接收端之间还设有用做大空间的磁共振能量中继且使磁共振能量可以传输更远的谐振中继球。更进一步地，所述谐振中继球包括磁共振谐振线圈、磁共振调整单元、控制单元、无线数据收发单元，所述磁共振谐振线圈的第一端与可变磁共振源中的磁共振谐振线圈连接，磁共振谐振线圈的第二端与磁共振接收终端中的磁共振谐振线圈连接，磁共振谐振线圈的第三端与磁共振调整单元一端连接，磁共振调整单元的另一端与控制单元一端连接，控制单元的另一端与无线数据收发单元连接。优选的，所述谐振中继球安装在活动空间的中间位置，在工作时与可变磁共振源共振转发相应能量。本专利技术采用球型可变磁共振源技术，配合磁谐振中继球实现远距离（直径8米以内）人工心脏无线电能传送，基本满足病人充电过程中简单活动空间的需求。本专利技术大大降低了相关医疗风险，提高了病人生活质量。附图说明现在参考附图对本专利技术作进一步描述，其中：图1为本专利技术应用场景图；图2为本专利技术人移动过程中的应用场景图；图3为本专利技术整体框架图；附图标记说明：1、可变磁共振源，2、谐振中继球，3、磁共振接收终端，4、电源处理单元，5、控制单元；6、磁共振调整单元；7、磁共振谐振线圈，8、无线数据收发单元，9、状态指示及异常报警单元，10、电池充电单元，11、泵驱动单元，12、人工心脏。具体实施方式下面结合实施例及附图对本专利技术做进一步详细说明，对本本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于磁共振技术的人工心脏无线供电系统，其特征在于，包括：一个磁共振终端，位于病人体内，通过检测磁共振度的大小以及根据当前人工心脏电能的需求量发送相关数据至可变磁共振源；一个可变磁共振源，位于病人体外，用于接收磁共振接收终端发送的数据，经过计算改变共振及谐振参数，并与磁共振终端共振发送使磁共振接收终端接收的电能刚好满足当前电能需求量。

【技术特征摘要】
1.一种基于磁共振技术的人工心脏无线供电系统，其特征在于，包括：一个磁共振终端，位于病人体内，通过检测磁共振度的大小以及根据当前人工心脏电能的需求量发送相关数据至可变磁共振源；一个可变磁共振源，位于病人体外，用于接收磁共振接收终端发送的数据，经过计算改变共振及谐振参数，并与磁共振终端共振发送使磁共振接收终端接收的电能刚好满足当前电能需求量。2.根据权利要求1所述的基于磁共振技术的人工心脏无线供电系统，其特征在于，所述可变磁共振源包括电源处理单元、控制单元、无线数据收发单元、磁共振调整单元、磁共振谐振线圈、状态指示及状态指示及异常报警单元，所述电源处理单元一端与外部220V电源连接，电源处理单元的另一端与控制单元的第一端连接，控制单元的第二端与无线数据收发单元连接，控制单元的第三端与状态指示及异常报警单元连接，控制单元的第四端通过磁共振调整单元与磁共振谐振线圈连接。3.根据权利要求1至2中任一项所述的基于磁共振技术的人工心脏无线供电系统，其特征在于，所述可变磁共振源放置在有相应电源插座的茶几或书桌上。4.根据权利要求1所述的基于磁共振技术的人工心脏无线供电系统，其特征在于，所述磁共振接收终端包括磁共振谐振线圈、磁共振调整单元、控制单元、电池充电单元、血液泵驱动单...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈喆，陈海丰，李国华，王中华，田步升，
申请(专利权)人：长治市人工心脏研发中心，
类型：发明
国别省市：山西,14