符合人体热安全性的闭环经皮无线能量传输系统

本发明涉及的是一种无线供能医疗器械领域的技术，具体是一种符合人体热安全性的闭环经皮无线能量传输系统。

背景技术：

1、安全稳定的经皮无线能量传输系统是人工肛门括约肌能实现临床应用的关键。现有经皮无线能量传输系统均采用串联-串联补偿网络，其输出电压随接收端阻抗变化而变化的缺点导致接收端电压在充电过程中极不稳定，不易控制，并且该系统容易随负载变化而失谐，难以实现稳定可靠的经皮无线能量传输。另外，接收端植入体内后极易出现偏移或倾斜等情形，导致收发线圈之间互感变化，若发射电压不进行相应调节将导致接收电压不足。现有接收端集成了电池、线圈和接收端电路，设计中未充分考虑人体组织热安全性，充电过程中短时间内就会产生高温，极易烫伤植入部位组织。

技术实现思路

1、本发明针对现有无线体内充电技术的接收端电压无法恒定控制导致设备容易过热的问题，以及无法根据互感变化对发射功率进行准确的闭环控制的不足，提出一种符合人体热安全性的闭环经皮无线能量传输系统，采用高阶补偿网络与闭环控制实现了输出电压可控，充电过程中无论线圈是否偏移或倾斜均可维持输出电压不变，确保接收功率的同时设备最高温度不超过42.5℃。

2、本发明是通过以下技术方案实现的：

3、本发明涉及一种符合人体热安全性的闭环经皮无线能量传输系统，包括：用于发射无线能量的发射端、用于接收无线能量的接收端以及与接收端相连的储能模块，其中：储能模块将电流输出至人工肛门括约肌假体内的主控电路，发射端采集来自接收端的体内电压信息并进行闭环控制。

4、所述的发射端包括：控制模块以及分别与之相连的具有buck电路的电源模块、无线通信模块、采样模块和逆变模块，其中：控制模块根据体内电压信息计算发射端电压应调节的电压值，产生逆变模块所需的pwm信号的同时对发射功率进行闭环控制；无线通信模块接收来自人工肛门括约肌假体内的体内主控电路发出的体内电压信息并将其输入至控制模块；采样模块实时采集逆变模块的输入直流电压、输入电流和电池电压；逆变模块根据pwm信号将直流电压转换为方波输入至具有高阶补偿网络的补偿拓扑模块中，补偿拓扑模块与发射线圈构成高阶谐振回路，发射线圈正对接收端并输出无线能量。

5、所述的接收端包括：圆形接收电路、环形线圈、拼接隔磁片和组合散热片，其中：圆形接收电路置于拼接隔磁片中心凹槽内，组合散热片粘贴在圆形接收电路和拼接隔磁片背面。

6、所述的闭环控制是指：控制模块收到体内电压信息后计算其与设定电压的差值△u2，根据高阶补偿拓扑下接收电压与发射电压的关系计算发射电压需调节的值△u1，然后依据控制模块输出的控制电压与电源模块内buck电路输出电压的关系，通过pid算法调节发射电压，实现闭环控制。

7、技术效果

8、与现有技术相比，本发明通过高阶补偿网络与闭环控制方法的结合实现了线圈互感不变和变化时的接收电压恒定，通过改进接收端实现充电过程的低温升。当使线圈偏移或倾斜时也不需实时手动调节发射功率和线圈位置的同时，可解决现有经皮能量传输系统接收端过热烫伤组织的问题，接收端在充电过程中不会超过人体热安全性温度上限。

技术特征：

1.一种符合人体热安全性的闭环经皮无线能量传输系统，其特征在于，包括：用于发射无线能量的发射端、用于接收无线能量的接收端以及与接收端相连的储能模块，其中：储能模块将电流输出至人工肛门括约肌假体内的主控电路，发射端采集来自接收端的体内电压信息并进行闭环控制；

2.根据权利要求1所述的符合人体热安全性的闭环经皮无线能量传输系统，其特征是，所述的电源模块包括：锂电池、可调节buck电路和稳压模块，其中：可调节buck电路将调节后的电压输出至逆变电路中作为输入直流电压。

3.根据权利要求1所述的符合人体热安全性的闭环经皮无线能量传输系统，其特征是，所述的发射线圈采用平面螺旋线圈，背后粘贴有锰锌铁氧体隔磁片提高品质因数。

4.根据权利要求1所述的符合人体热安全性的闭环经皮无线能量传输系统，其特征是，所述的圆形接收电路包括：串联补偿电容、四个肖特基二极管、稳压芯片和电压检测电路，其中：稳压芯片设置于电路板正中心，四个肖特基二极管分散对角设置，电压检测电路设置于边缘。

5.根据权利要求1所述的符合人体热安全性的闭环经皮无线能量传输系统，其特征是，所述的环形线圈采用单层平面螺旋线圈；

6.根据权利要求1所述的符合人体热安全性的闭环经皮无线能量传输系统，其特征是，所述的组合散热片包括：粘贴在接收电路板上的导热硅胶片和粘贴在接收端整体表面的石墨烯导热贴片。

7.根据权利要求1所述的符合人体热安全性的闭环经皮无线能量传输系统，其特征是，所述的体内主控电路包括：微控制器和体内无线通信模块，其中：微控制器将采集到的体内电压信息通过体内无线通信模块输出至发射端。

8.根据权利要求1-7中任一所述的符合人体热安全性的闭环经皮无线能量传输系统，其特征是，所述的闭环控制是指：控制模块收到体内电压信息后计算其与设定电压的差值△u2，根据高阶补偿拓扑下接收电压与发射电压的关系计算发射电压需调节的值△u1，然后依据控制模块输出的控制电压与电源模块内buck电路输出电压的关系，通过pid算法调节发射电压，实现闭环控制。

9.根据权利要求8所述的符合人体热安全性的闭环经皮无线能量传输系统，其特征是，所述的接收电压与发射电压的关系具体是指：其中：uo为接收电压，ui为发射电压，m为线圈互感值，l1为串联补偿电感值；

10.根据权利要求1所述的符合人体热安全性的闭环经皮无线能量传输系统，其特征是，所述的高阶补偿网络为串联补偿电感、并联补偿电容和线圈串联补偿电容组成的lcc补偿网络。

技术总结一种符合人体热安全性的闭环经皮无线能量传输系统，包括：用于发射无线能量的发射端、用于接收无线能量的接收端以及与接收端相连的储能模块，其中：储能模块将电流输出至人工肛门括约肌假体内的主控电路，发射端采集来自接收端的体内电压信息并进行闭环控制。本发明采用高阶补偿网络与闭环控制实现了输出电压可控，充电过程中无论线圈是否偏移或倾斜均可维持输出电压不变，确保接收功率的同时设备最高温度不超过42.5℃。技术研发人员：姜萍萍,王立超,颜国正,王志武,陈叶淋,刘常靖受保护的技术使用者：上海交通大学技术研发日：技术公布日：2024/9/29