一种基于磁共振技术的人工心脏无线供电系统
技术领域
本实用新型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。
背景技术
根据世界卫生组织(World Health Organization)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。
发明内容
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，本实用新型采用磁共振式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。
本实用新型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。
本实用新型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。本实用新型大大降低了相关医疗风险，提高了病人生活质量。
附图说明
现在参考附图对本实用新型作进一步描述，其中：
图1为本实用新型应用场景图；
图2为本实用新型人移动过程中的应用场景图；
图3为本实用新型整体框架图；
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实用新型做进一步详细说明，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
实施例1
如图1至3所示，本实施例的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3，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12电能的需求量发送相关数据至可变磁共振源1；一个可变磁共振源1，位于病人体外，用于接收磁共振接收终端3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3共振发送使磁共振接收终端3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1包括电源处理单元4、控制单元5、无线数据收发单元8、磁共振调整单元6、磁共振谐振线圈7、状态指示及状态指示及异常报警单元9，所述电源处理单元4一端与外部220V电源连接，电源处理单元4的另一端与控制单元5的第一端连接，控制单元5的第二端与无线数据收发单元8连接，控制单元5的第三端与状态指示及异常报警单元9连接，控制单元5的第四端通过磁共振调整单元6与磁共振谐振线圈7连接。
可变磁共振源1通过电源处理单元4与外部电源连接，220V电源进入设备之后经过转换变为系统所需各种直流电源，直流电压需要：+12V、+5V、-5V、3.3V等。其中12V电源部分主要为各单元动力部分提供功率输入，+5V和-5V主要为模拟信号的处理及各类运算放大器、无线数据收发单元8等提供电源输入，3.3V主要为控制单元5及数字电路部分提供电源输入。电源处理单元4另一端与控制单元5连接，主要提供数据的计算分析、各单元的协调控制、外部模块的互联协作等。控制单元5连接状态指示及状态指示及异常报警单元9与无线数据收发单元8，用于直观显示系统的工作状态、异常情况的报警以及与外部磁共振点接收端的数据实时联络，以便实现磁共振的同步以及相关数据互联互通。控制单元5与磁共振调整单元6相连接，磁共振调整单元6采用的AP1401系列是基于CMOS工艺的高精度低噪声双路输出的线性稳压器，具有低输出噪声，高纹波抑制比，低压差，快速开关响应时间，可以使系统自动跟踪反馈的终端的共振波形的相位，实时微调共振源的频率和相位，以保证磁共振能量传输的功率和效率，并根据负载调制大小的监测，自动调整共振线圈的角度，使系统的效率最高。用于无线供电系统各部分能量传输的为磁共振谐振线圈7，是磁共振能量的转换部件，用于向外界发射磁共振的能量。
优选的，在场景中，可变磁共振源1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3包括磁共振谐振线圈7、磁共振调整单元6、控制单元5、电池充电单元10、血液泵驱动单元11、人工心脏12、无线数据收发单元8，所述磁共振谐振线圈7的一端与可变磁共振源1的磁共振谐振线圈7连接，磁共振谐振线圈7另一端与磁共振调整单元6的一端连接，磁共振调整单元6的另一端与控制单元5的第一端连接，控制单元5的第二端与无线数据收发单元8连接，控制单元5的第三端与电池充电单元10的一端连接，电池充电单元10的另一端通过血液泵驱动单元11与人工心脏12连接。磁共振接收终端3通过接收可变磁共振源1发出的能量，经过转化后为人工心脏12系统提供持续的电能输出，用于驱动系统工作及向系统的电池进行充电等。磁共振接收终端3在磁共振能被磁共振谐振线圈7接收后，输出的直流电源最终将给血液泵的驱动单元11供能，供其直接使用以驱动血液泵，即人工心脏12。期间通过磁共振调整单元6、控制单元5与磁共振谐振线圈7连接，并向电池充电单元10供能，电池充电单元10充电后会持续向泵驱动单元11供电，而在无电流流入时，电池充电单元10也能独立输出储备电流4~5小时，以保证人工心脏12的正常持久运转。通过无线通信单元8与可变磁共振源1模块进行交互，以供磁共振源进行相关参数的调整的依据，并同时监控血液泵驱动系统的相关参数，并对其进行一些运行策略的控制，同时将相关数据发送至可变磁共振源1的接收模块，以便使用者及时获取一些内部的运行状态等信息。
优选的，所述电池充电单元10采用AP5900，这是一款专门用于移动电源的管理芯片，内部由1A线性锂电充电模块，5V/1A升压电源模块，充放电指示电路以及综合控制保护模块四部分组成。集成了锂电池充电管理，锂电池放电控制以及锂电欠压保护等多项功能。AP5900具有多重保护设计，包括负载过流保护和负载短路保护、输入端短路限流保护，同时芯片端口设计了高性能的ESD保护电路，使得该款芯片具有极高的可靠性。
优选的，控制单元5采用一款双核（DSP和MCU）芯片SH99F100，MCU可以用来处理开关量、输入输出以及通讯，而DSP只需专注于控制算法的运算，DSP的架构由三个并行的计算单元（ALU，MAC，SHIFTER）、两个独立的地址发生器（DAG）和一个强大的程序序列发生器（PSQ）组成；计算单元提供了所有处理器能够提供的计算功能，包括单周期乘/累加，位操作，移位操作等；双数据地址发生器使得处理器能够在一个周期内从两个数据存储区（DataMemory和Program Memory）同时取出两个数据；程序序列发生器实现了所有指令的单周期操作，快速的中断响应以及嵌套的非CPU干预的循环。16位的PWM模块、正交编码接口（QEI）与14位的流水线型ADC与运算放大器（OP）作为DSP核的内部外设，能够方便地实现多种工业控制算法。MCU核是一种高速高效率8051兼容核，在同样的振荡频率下，较之传统的8051芯片具有运行更快速，性能更优越的特性，其资源有内置256字节SRAM，外部3840字节SRAM，3个16位定时器和3个外部中断，同时还集成了2个增强型UART，1个SPI接口。
实施例2
如图1至3所示，本实施例的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3，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12电能的需求量发送相关数据至可变磁共振源1；一个可变磁共振源1，位于病人体外，用于接收磁共振接收终端3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3共振发送使磁共振接收终端3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1包括电源处理单元4、控制单元5、无线数据收发单元8、磁共振调整单元6、磁共振谐振线圈7、状态指示及状态指示及异常报警单元9，所述电源处理单元4一端与外部220V电源连接，电源处理单元4的另一端与控制单元5的第一端连接，控制单元5的第二端与无线数据收发单元8连接，控制单元5的第三端与状态指示及异常报警单元9连接，控制单元5的第四端通过磁共振调整单元6与磁共振谐振线圈7连接。
可变磁共振源1通过电源处理单元4与外部电源连接，220V电源进入设备之后经过转换变为系统所需各种直流电源，直流电压需要：+12V、+5V、-5V、3.3V等。其中12V电源部分主要为各单元动力部分提供功率输入，+5V和-5V主要为模拟信号的处理及各类运算放大器、无线数据收发单元8等提供电源输入，3.3V主要为控制单元5及数字电路部分提供电源输入。电源处理单元4另一端与控制单元5连接，主要提供数据的计算分析、各单元的协调控制、外部模块的互联协作等。控制单元5连接状态指示及状态指示及异常报警单元9与无线数据收发单元8，用于直观显示系统的工作状态、异常情况的报警以及与外部磁共振点接收端的数据实时联络，以便实现磁共振的同步以及相关数据互联互通。控制单元5与磁共振调整单元6相连接，磁共振调整单元6采用的AP1401系列是基于CMOS工艺的高精度低噪声双路输出的线性稳压器，具有低输出噪声，高纹波抑制比，低压差，快速开关响应时间，可以使系统自动跟踪反馈的终端的共振波形的相位，实时微调共振源的频率和相位，以保证磁共振能量传输的功率和效率，并根据负载调制大小的监测，自动调整共振线圈的角度，使系统的效率最高。用于无线供电系统各部分能量传输的为磁共振谐振线圈7，是磁共振能量的转换部件，用于向外界发射磁共振的能量。
优选的，在场景中，可变磁共振源1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3包括磁共振谐振线圈7、磁共振调整单元6、控制单元5、电池充电单元10、血液泵驱动单元11、人工心脏12、无线数据收发单元8，所述磁共振谐振线圈7的一端与可变磁共振源1的磁共振谐振线圈7连接，磁共振谐振线圈7另一端与磁共振调整单元6的一端连接，磁共振调整单元6的另一端与控制单元5的第一端连接，控制单元5的第二端与无线数据收发单元8连接，控制单元5的第三端与电池充电单元10的一端连接，电池充电单元10的另一端通过血液泵驱动单元11与人工心脏12连接。磁共振接收终端3通过接收可变磁共振源1发出的能量，经过转化后为人工心脏12系统提供持续的电能输出，用于驱动系统工作及向系统的电池进行充电等。磁共振接收终端3在磁共振能被磁共振谐振线圈7接收后，输出的直流电源最终将给血液泵的驱动单元11供能，供其直接使用以驱动血液泵，即人工心脏12。期间通过磁共振调整单元6、控制单元5与磁共振谐振线圈7连接，并向电池充电单元10供能，电池充电单元10充电后会持续向泵驱动单元11供电，而在无电流流入时，电池充电单元10也能独立输出储备电流4~5小时，以保证人工心脏12的正常持久运转。通过无线通信单元8与可变磁共振源1模块进行交互，以供磁共振源进行相关参数的调整的依据，并同时监控血液泵驱动系统的相关参数，并对其进行一些运行策略的控制，同时将相关数据发送至可变磁共振源1的接收模块，以便使用者及时获取一些内部的运行状态等信息。
优选的，所述电池充电单元10采用AP5900，这是一款专门用于移动电源的管理芯片，内部由1A线性锂电充电模块，5V/1A升压电源模块，充放电指示电路以及综合控制保护模块四部分组成。集成了锂电池充电管理，锂电池放电控制以及锂电欠压保护等多项功能。AP5900具有多重保护设计，包括负载过流保护和负载短路保护、输入端短路限流保护，同时芯片端口设计了高性能的ESD保护电路，使得该款芯片具有极高的可靠性。
优选的，控制单元5采用一款双核（DSP和MCU）芯片SH99F100，MCU可以用来处理开关量、输入输出以及通讯，而DSP只需专注于控制算法的运算，DSP的架构由三个并行的计算单元（ALU，MAC，SHIFTER）、两个独立的地址发生器（DAG）和一个强大的程序序列发生器（PSQ）组成；计算单元提供了所有处理器能够提供的计算功能，包括单周期乘/累加，位操作，移位操作等；双数据地址发生器使得处理器能够在一个周期内从两个数据存储区（DataMemory和Program Memory）同时取出两个数据；程序序列发生器实现了所有指令的单周期操作，快速的中断响应以及嵌套的非CPU干预的循环。16位的PWM模块、正交编码接口（QEI）与14位的流水线型ADC与运算放大器（OP）作为DSP核的内部外设，能够方便地实现多种工业控制算法。MCU核是一种高速高效率8051兼容核，在同样的振荡频率下，较之传统的8051芯片具有运行更快速，性能更优越的特性，其资源有内置256字节SRAM，外部3840字节SRAM，3个16位定时器和3个外部中断，同时还集成了2个增强型UART，1个SPI接口。
进一步地，所述可变磁共振源1与磁共振接收终端3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2。谐振中继球2可以根据空间的大小选择是否使用该部件。
更进一步地，所述谐振中继球2包括磁共振谐振线圈7、磁共振调整单元6、控制单元5、无线数据收发单元8，所述磁共振谐振线圈7的第一端与可变磁共振源1中的磁共振谐振线圈7连接，磁共振谐振线圈7的第二端与磁共振接收终端3中的磁共振谐振线圈7连接，磁共振谐振线圈7的第三端与磁共振调整单元6一端连接，磁共振调整单元6的另一端与控制单元5一端连接，控制单元5的另一端与无线数据收发单元8连接。磁共振能在空间内被磁共振谐振线圈7捕获，其中极小部分能量经过转化稳压等得到稳定的直流电源，为后面的各部件提供直流电源的输入。无线数据收发单元8通过无线连接时刻和磁共振源保持通信连接，获取磁谐振源的共振频率、相位等实时数据，通过控制单元5与从磁共振谐振线圈7的检测数据进行对比分析计算后得出相应的调整参数，通过磁共振调整单元6微调谐振线圈的参数使谐振相位、谐振线圈本征频率等参数达到最佳，即传输效率达到最大，可以更好地做好能量传输的“中转站”。
优选的，所述谐振中继球2安装在活动空间的中间位置，在工作时与可变磁共振源1共振转发相应能量。
本实用新型中未提到型号的单元均采用的是通用型号单元。
对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
