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植入式医疗设备无线通信与无线供电系统

2020-10-27

随着植入式医疗电子器件的发展,植入式医疗设备(implantable medical device ,IMD)在临床上被广泛使用。其中,植入式神经刺激器已被证明对于癫痫、帕金森、疼痛等神经类疾病有较好的治疗效果。与此同时,IMD在实际使用过程中也面临着长期稳定供电、实时有效调控等方面问题的困扰。

IMD在临床应用时,需要长期稳定地的供能,而使用一次性电池会受到电池容量和使用寿命的限制,需要定期进行外科手术更换电池,这将会给患者带来巨大的痛苦甚至生命危险。上世纪七八十年代,Wen H.Ko和N.de N.Donaldson等人率先提出了将无线供电技术(wireless power transfer, WPT)应用于为IMD供能的想法并进行了相关实验,但早期的磁感应耦合无线供电方式(magnetically-coupled inductive wireless power transfer, MCI-WPT),适用于近距离、中大功率的应用场合,并不适用于IMD。麻省理工学院的Marin Soljacic教授在2007年提出了磁耦合谐振的无线供电方式(magnetically-coupled resonant wireless power transfer,MCR-WPT),提高了无线供电的供电效率和有效距离,为IMD的供能开辟了一条新的渠道。MCR-WPT是利用线圈间耦合谐振的原理建立能量传输通道,将能量高效地从发射端传递到接收端,近年来,MCR-WPT技术已被广泛应用于IMD。另外,在实际临床应用时,由于植入接收线圈与体外发射线圈间相对位置会随患者移动而发生改变,接收功率也会随之改变,因此,需要一个闭环控制系统来稳定接收功率。目前,各类IMD一般通过调制能量载波的方式传输数据,形成闭环调节系统,从而在外部环境变化时稳定接收功率并设定工作参数。部分学者采用负载键控调制(LSK)调制方式是通过调制能量载波再经由线圈耦合传输数据,当线圈耦合程度较弱或线圈间耦合程度动态变化时,这种通信方式显然不可靠。通过脉冲幅度调制(PAM)进行无线通信,传输大量数据时,PAM调制需要很长的关断时间,这将会影响到IMD的正常供电。

合肥工业大学张章教授团队在传统MCR-WPT技术的基础上,提出了应用于植入式脑神经刺激器的可穿戴四线圈无线通信与无线供电系统,系统通过外加无线模块实现数据的无线双向传输,采用树莓派(RPi)作为系统的控制中枢,加入功率调节模块来稳定接收功率,此外,还在PC端设计了用户图形界面(Graphical User Interface,GUI),通过WIFI与树莓派相连,使用户可以在GUI上实时更改设置刺激参数、监控供电系统运行状态。

如图1所示,整个系统主要由以下几个模块组成,GUI、功率调节模块以及四线圈耦合谐振网络。逆E类功率放大器将直流功率调控模块提供的直流功率转变为1MHz的交流功率,传输到发送线圈,再经由四线圈网络传输到接收端。RPi作为系统的控制中枢,无线通信模块中集成的ADC采集接收端的电压值Vx并打包为第一数据包发送至体外的RPi,RPi依据Vx来调控供给功放的直流功率。此外,RPi还以WIFI通信方式与PC连接,将第一数据包发送到PC端并显示在GUI上供用户监测,同时GUI会将用户调节工作参数的数据打包为第二数据包,发送至RPi,再经过无线通信装置传输至体内的刺激器。

图1.无线通信与无线供电系统结构图。

与传统的磁耦合共振无线功率传输技术相比,该系统实现了一系列的创新。在传统的二线圈谐振结构的基础上,设计了一种可穿戴的四线圈PSSP谐振结构,当传输距离和发射线圈和接收线圈的偏转角增加时,有效地提高了系统的PTE性能。这项工作还可以有效地实现闭环实时控制,并完成线圈之间的无线功率传输和无线通信。闭环结构实时调整输出电压以确保电压值的稳定性,PC终端通过无线通信实时控制激励参数。无线通信设备使数据传输更加可靠,即使系统的传输距离增加,四线圈谐振结构也可以保持良好的效率。

植入式医疗设备无线通信与无线供电系统的目前研究仅仅局限于无线能量传输和无线通信功能,传输后的数据信息如何具体实施到人体内还需要后续更深入的研究。对于癫痫、帕金森、疼痛等神经类疾病来说,主要的病症原因在于人体内电学信号的异常工作。将本文中的植入式医疗设备无线通信与无线供电系统应用于神经类疾病治疗,既可以通过无线能量传输方式实现供电,减少由于更换电池带来的外科手术风险,而且与医疗设备结合以后,通过参考正常人体电学信号参数,有效地利用人为控制信号,完成无线通信功能实现对体内神经刺激器的信号调节,改变电学信号,达到药物治疗同样的效果甚至优于药物治疗,避免药物治疗带来的副作用。

Wireless communication and wireless power transfer system for implantable medical device

Zhang Zhang, Chao Chen, Tairan Fei, Hao Xiao, Guangjun Xie, Xin Cheng

J. Semicond. 2020, 41(10): 102403

doi: 10.1088/1674-4926/41/10/102403

Full Text: http://www.jos.ac.cn/article/doi/10.1088/1674-4926/41/10/102403?pageType=en



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