植入式自适应无线电源传输方法及系统技术方案

本发明专利技术公开植入式自适应无线电源传输方法及系统，所述系统包括体外无线电源发射单元及体内无线电源接收与恢复单元。所述传输方法中，体外无线电源发射单元发射的能量通过无线电磁耦合方式传递到体内；体内的无线电源接收与恢复单元将无线电能恢复为直流电源；直流电源的波动变化量通过PWM误差采样与LSK调制技术无线反馈到体外无线电源发射单元，并通过体外LSK解调与嵌入的MCU数字控制技术实现根据植入体内设备对所需电量的变化进行体外无线电源发射功率的自适应调节。本发明专利技术避免由于无线电源传输距离的变化导致的体外对植入体内设备供电的不足与过量问题，提高了供电的可靠性及安全性，更加适合于生物医用植入式设备的无线供电。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及涉及无线通信、射频电子电路、无线能量传感、自动控制以及植入式生物医用电子学等交叉领域，具体涉及一种基于PWM (脉宽调制)误差采样与LSK (负载键控)调制无线反馈机制的植入式自适应无线电源传输方法及系统。
技术介绍
近年来随着科技发展，电子信息技术、自动控化技术与生物、医学等领域的融合日渐深入，以生物医用为目的的植入式生物医用电子学已成为一个新兴的热点领域，植入式生物医用电子设备在生物电子和医学诊断等方面的研究扮演着越来越来重要的角色。植入式生物医学电子技术可以使医生对人体的脑电波、神经信号等生物体的电生理活动进行实时准确的监测，在保证医生可以对病人进行准确、可靠治疗的同时，促进如人脑控制假肢、修复脊椎恢复肢体运动、癌变肿瘤监测治疗、人工视网膜修复、人工耳蜗等生物医学前沿技·术领域的发展，为提高人类对生物体及自身的认识，提高人类健康水平及促进全球生态和谐发展与共存起到了重要作用。植入式电子设备都面临如何高效、稳定地供电这个关键问题。传统的办法是在植入式设备中内置电池或者采用有线供电的技术手段。采用内置电池方式会使植入式设备无法获得长时间的使用寿命，而且在植入式设备体积、电池的化学污染、生物排异等方面也存在问题；采用有线供电方式会导致生物体的检测创口因长期保持开放而易受细菌感染，而且无法对生物体在无束缚、无麻醉的日常条件下的生物电信号进行监测与研究。如果采用无线供电方式，则可以解决上述技术手段存在的不足，它能够透过皮肤将能量源源不断地供应给体内的植入式电子设备。因此，业界迫切需要一种安全、可靠的无线供电技术，保证与促进神经科学、智能假肢、脊椎修复等生物医学方面的前沿领域向更广泛、深入的方向发展。目前，关于无线电源的传输问题国内外均处于起步研究阶段，其传输可分为三种基本方式，一种是基于传统电磁波理论，直接将射频电波通过天线及匹配网络整流转化为电能，该方式在无线供电功率方面存在不足，难以用于需要mW级电能供给的植入式系统中；另一种是利用电磁场共振的方式，虽然此方式在无线传输距离上具有优势，但至少需要4个大体积的电磁谐振线圈，因此由于体积上的限制，该方法目前还难以用于植入式生物医用领域；最后一种是采用得较多的感应耦合方案(ICPT)，利用电磁感应原理在近距离的耦合线圈之间进行能量传输，这种方案可以传输数毫瓦至几十毫瓦的能量，但是发送距离需要进一步提闻。纵观上述三种无线电源传输方式，均存在植入体内设备接收的能量会随着无线传输距离的变化而变化问题。若接收的能量不足，会使体内植入式电子设备无法工作。对此目前的解决办法是，在体外无线电源发射端辐射出足够冗余的无线电能以保证体内设备工作所需，但这样作极可能导致体内设备接收的电能过剩，使体内设备以过度热耗散的形式让生物体组织感到不适，甚至造成生物体组织损坏。本专利申请主要针对如脑电、神经及生物电行为信号的无线采集与监控、智能假肢、脊椎修复、膀胱刺激等生物医用植入式电子设备的无线供电需求，采用一种新的技术手段，实现无线供电功率的自适应调节功能，保证生物医用植入式设备安全、可靠地工作，并与生物体和谐共存，推动我国尖端生物医疗电子方面自主知识产权的发展。
技术实现思路
本专利技术的目的克服现有技术存在的上述不足，提供一种基于PWM (脉宽调制)误差采样与LSK (负载键控)调制无线反馈机制的植入式自适应无线电源传输方法及系统，以便安全、可靠地满足生物医用植入式电子设备及系统所需的无线供电需求，具体技术方案如下。植入式自适应无线电源传输方法，该方法基于PWM误差采样与LSK调制，通过一个体外无线电源发射单元及一个体内的无线电源接收与恢复单元实现，体外无线电源发射单元发射的能量通过无线电磁耦合方式传递到体内；体内的无线电源接收与恢复单元将无线电能恢复为直流电源，为体内其他植入设备供电；由传输距离变化及负载变化引起的直流 电源的波动变化量通过PWM误差采样与LSK调制技术无线反馈到体外无线电源发射单元，并通过体外LSK解调与嵌入的MCU数字控制技术实现根据植入体内设备对所需电量的变化进行体外无线电源发射功率的自适应调节。实现所述传输方法的植入式自适应无线电源传输系统，包括体外无线电源发射单元及体内无线电源接收与恢复单元；所述体外无线电源发射单元包括本振源、数控增益功率放大器、体外无线感应双向匹配线圈、LSK解调电路和嵌入式MCU单元；所述本振源的输出连接至所述数控功率放大器的一个输入端，所述数控功率放大器的输出端连接至所述体外无线感应双向匹配线圈的输入端，所述体外无线感应双向匹配线圈根据所述数控功率放大器的功率向自由空间发射无线电能；所述体外无线感应双向匹配线圈的采样端口感应到体内通过PWM误差采样与LSK调制并无线反馈至体外的反馈信号，然后输入至所述LSK解调电路，所述LSK解调电路的输出端连接到所述嵌入式MCU单元，所述嵌入式MCU单元完成PWM解调与编码，嵌入式MCU单元的输出接所述数控增益功率放大器的另一个输入端，对所述数控增益功率放大器的输出功率进行数字控制。进一步的，所述体内无线电源接收与恢复单元包括体内无线感应双向匹配线圈、全波整流电路、线性稳压电路、PWM误差采样电路和LSK调制电路；所述体外无线电源发射单元发射的无线电能通过所述体内双向匹配线圈接收后，输入至所述全波整流电路，所述全波整流电路的输出端连接至所述线性稳压电路，所述线性稳压电路输出植入体内设备所需的直流电源信号，所述全波整流电路的输出端同时连接至所述PWM误差采样电路的输入端，所述PWM误差采样电路的输出端连接至所述LSK调制电路的输入端，最终所述LSK调制电路输出的反应所述全波整流电路输出变化量的信号通过所述体内双向匹配线圈无线反馈到所述体外无线电源发射单元。进一步的，所述体外无线感应双向匹配线圈与体内无线感应双向匹配线圈中还包括相应的匹配谐振网络；所述体外无线感应双向匹配线圈向所述体内无线感应双向匹配线圈辐射无线电能，并同时接收所述体内无线感应匹配线圈无线反馈辐射的LSK调制信号。进一步的，所述的数控增益功率放大器包括数控开关电源、功率放大电路和串联谐振回路，所述数控开关电源为所述功率放大电路提供可控的直流电源电压，通过调节所述数控开关电源输出的直流电压，实现对所述功率放大器输出无线电能信号功率的控制，所述功率放大器采用D类功放结构工作于开关状态，其输出端连接到具有阻抗变换与匹配功能的所述串联谐振回路。进一步的，所述LSK解调 电路的输入端连接到所述体外无线感应双向匹配线圈的采样端口，体内无线感应匹配线圈无线反馈辐射的LSK调制信号进行解调，并通过模拟信号放大、滤波、数字判决处理后产生与所述PWM误差采样电路的输出相对应的PWM误差采样数字信号。进一步的，所述的嵌入式MCU单元对数字信号占空比计数测量，实现对所述PWM误差采样数字信号的解调，并对解调后的信号进行数字编码，从而调控所述数控增益功率放大器的输出功率，最终使所述的无线电源传输系统具有高效、高精度的无线电能辐射功率自适应调控功能。进一步的，所述PWM误差采样电路，先将所述全波整流电路输出信号与预设基准电平进行比对与误差采样，随后通过与三角波的比较判决实现PWM调制；所述PWM误差采样电路输出的信号为数字信号，其占空比跟随所本文档来自技高网...

【技术保护点】
植入式自适应无线电源传输方法，其特征在在于该方法基于PWM误差采样与LSK调制，通过一个体外无线电源发射单元及一个体内的无线电源接收与恢复单元实现，体外无线电源发射单元发射的能量通过无线电磁耦合方式传递到体内；体内的无线电源接收与恢复单元将无线电能恢复为直流电源，为体内其他植入设备供电；由传输距离变化及负载变化引起的直流电源的波动变化量通过PWM误差采样与LSK调制技术无线反馈到体外无线电源发射单元，并通过体外LSK解调与嵌入的MCU数字控制技术实现根据植入体内设备对所需电量的变化进行体外无线电源发射功率的自适应调节。

【技术特征摘要】
1.植入式自适应无线电源传输方法，其特征在在于该方法基于PWM误差采样与LSK调制，通过一个体外无线电源发射单元及一个体内的无线电源接收与恢复单元实现，体外无线电源发射单元发射的能量通过无线电磁耦合方式传递到体内；体内的无线电源接收与恢复单元将无线电能恢复为直流电源，为体内其他植入设备供电；由传输距离变化及负载变化引起的直流电源的波动变化量通过PWM误差采样与LSK调制技术无线反馈到体外无线电源发射单元，并通过体外LSK解调与嵌入的MCU数字控制技术实现根据植入体内设备对所需电量的变化进行体外无线电源发射功率的自适应调节。2.实现权利要求I所述传输方法的植入式自适应无线电源传输系统，其特征在于包括体外无线电源发射单元及体内无线电源接收与恢复单元，所述体外无线电源发射单元包括本振源、数控增益功率放大器、体外无线感应双向匹配线圈、LSK解调电路和嵌入式MCU 单元；所述本振源的输出连接至所述数控功率放大器的一个输入端，所述数控功率放大器的输出端连接至所述体外无线感应双向匹配线圈的输入端，所述体外无线感应双向匹配线圈根据所述数控功率放大器的功率向自由空间发射无线电能；所述体外无线感应双向匹配线圈的采样端口感应到体内通过PWM误差采样与LSK调制并无线反馈至体外的反馈信号，然后输入至所述LSK解调电路，所述LSK解调电路的输出端连接到所述嵌入式MCU单元，所述嵌入式MCU单元完成PWM解调与编码，嵌入式MCU单元的输出接所述数控增益功率放大器的另一个输入端，对所述数控增益功率放大器的输出功率进行数字控制。3.如权利要求2所述的植入式自适应无线电源传输系统，其特征在于所述体内无线电源接收与恢复单元包括体内无线感应双向匹配线圈、全波整流电路、线性稳压电路、PWM误差采样电路和LSK调制电路；所述体外无线电源发射单元发射的无线电能通过所述体内双向匹配线圈接收后，输入至所述全波整流电路，所述全波整流电路的输出端连接至所述线性稳压电路，所述线性稳压电路输出植入体内设备所需的直流电源信号，所述全波整流电路的输出端同时连接至所述PWM误差采样电路的输入端，所述PWM误差采样电路的输出端连接至所述LSK调制电路的输入端，最终所述LSK调制电路输出的反应所述全波整流电路输出变化量的信号通过所述体内双向匹配线圈无线反馈到所述体外无线电源发射单元。4.如权利要求3所述的植入式自适应无线电源传输系统，其特征在于所述体外无线感应双向匹配线圈与体内无线感应双向匹配线圈中还包括相应的匹配谐振网络；所述体外无线感应双向匹配线圈向所述体内无线感应双向匹配线圈辐射无线电能，并同时接收所述体内无线感应匹配线圈...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴朝晖，赵明剑，李斌，黄穗彪，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：