CN101352596A - 体外供电式植入医疗仪器 - Google Patents
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Abstract
体外供电式植入医疗仪器，属于植入式医疗仪器技术领域，其特征在于，该装置含有体内植入式医疗仪器，包括微控制器、储能单元、内部供电电路、内部信号发射电路、内部信号接收电路和内部天线；体外控制器，包括微控制器、电源、外部供电电路、外部信号接收电路、外部信号发射电路和外部天线。植入医疗仪器通过体外控制器的外部供电电路进行供电，可进行体内电刺激或生理信号测量；无线通信调制选择脉冲位置调制方式(PPM)，用数据信令和请求－响应方式进行通信和供电控制。本发明具有供电精确可控、可用功率大等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种植入式医疗仪器，特别是一种体外供电式植入医疗仪器。体外供电式植入医疗仪器是一种以经皮无线供电和PPM通信决定供电参数并进行电刺激或生理信号检测的装置。
背景技术
植入医疗仪器一般使用小型植入装置产生电脉冲，如植入式心脏起搏器、脑起搏器、神经刺激器、肌肉刺激器；或使用小型植入装置进行生理信号检测，如心电记录器。这类小型植入装置多采用原电池供电方式，由体内植入部分和体外控制部分组成，两者之间通过双向无线通信交换信息。
采用原电池供电的植入式医疗仪器普遍价格较高，但寿命大多较短。限制植入式医疗仪器寿命的主要因素是电池的容量，现有的植入式医疗仪器产品多采用高能量密度的锂原电池进行供电，如锂-亚硫酸氯电池和锂-多氟化碳电池等。一旦电池能量耗尽，患者便不得不重新接受手术，更换植入式医疗仪器，不仅为患者造成身体上的创伤，昂贵的价格也为患者带来巨大的经济压力。
为了延长植入式医疗仪器的使用寿命，人们研制了体外供电式植入医疗仪器，如美国专利US3724467和US5002053提出的无源式RF脊髓刺激器，但是这类产品在内部仅包括线圈和电极等基本电气元件，通过体外控制脉冲，导致其能够实现的功能过于简单，难以满足治疗的需求。
中国发明专利“植入式电刺激器的最佳化定位传能装置”给出了一种外部最佳化能量回授控制无线传能定位装置，但是回授信号所反馈的信息是到达内部射频介面电路的能量情况，而不能反映施加于人体组织的电刺激能量是否足够。另外，在使用体外无线供电方式的同时，体内植入部分难免会产生发热现象，过量的发热会对人体产生不良影响。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种体外供电式植入医疗仪器，通过体外精确供电和低功耗、高可靠通信，降低植入医疗仪器发热，减小体外供电装置位置精确度需求。
本发明的特征在于，包括体外控制器和体内植入医疗仪器，其中：
体外控制器置于人体外部，包括：第一微控制器、电源、外部供电电路、外部信号接收电路、外部信号发射电路和外部天线，其中：
所述外部信号发射电路，输入端与所述第一微控制器的向外部发射用的控制信号输出端相连，而该外部信号发射电路输出的外部发射信号则通过所连外部天线经皮无线供电向所述体内植入医疗仪器的内部天线发出，
所述外部供电电路，输入端与所述第一微控制器的供电控制信号输出端相连，向该外部供电电路输出的供电信号则通过所述外部天线经皮无线供电向所述体内植入医疗仪器经所述内部天线供电，
所述外部信号接收电路，输入端与所述外部天线的反馈信号输出端相连，而该外部信号接收电路的输出端则与所述第一微控制器的外部反馈信号输入端相连，
所述电源，其电压输出端与所述第一微控制器、外部信号发射电路、外部信号接收电路以及外部供电电路的电源输入端相连，
所述体内植入医疗仪器，置于人体内部，包括：第二微控制器、储能单元、内部供电电路、内部信号发射电路、内部信号接收电路和内部天线，此外还有电刺激单元和/或生理信号检测单元，其中：
所述电刺激单元和/或生理信号检测单元和所述第二微控制器互连，
所述内部信号发射电路，输入端和所述第二微控制器的内部发射控制信号输出端相连，而该内部信号发射电路的供电接收参数经所述内部天线向所述体外控制器的所述外部天线发出，
所述内部信号接收电路输入端经所述内部天线接收从所述体外控制器通过所述外部天线发出的体外会话指令，并向所述第二微控制器输出，
所述内部供电电路，输入端接收所述体外控制器中所述外部天线通过所述内部天线发来的供电能量信号，并存储在所述储能单元中，
所述储能单元，电压输出端与所述第二微控制器、内部信号发射电路、内部信号接收电路、内部供电电路的电源输入端相连，
所述第一微控制器依次按以下步骤对所述体外供电式植入医疗仪器进行控制：
调入上一次自动保存的最佳供电参数，作为设定值，是指供电效率或输入端的耗电量；
控制所述外部供电电路和所述外部天线开始发射供电，在经过设定的时间间隔后，通过所述外部信号发射电路和所述外部天线向所述体内植入医疗仪器发射会话指令，若在设定时间内所述外部信号接收电路收不到所述反馈信号，则继续进行发射供电，
当所述第一微控制器接收到所述反馈信号所带来的供电接收参数后，与设定的供电效率值或所述体内植入医疗仪器耗电量进行比较，根据比较结果控制所述外部供电电路的发射能量；
所述第二微控制器依次按以下步骤接收供电能量并向外发射所述反馈信号：
在所述储能单元存储的能量达到整个所述体内医疗仪器所需的功率时，第二微控制器开始工作，
根据所述内部供电电路所接收的能量以及当前所述电刺激和/或信号检测单元的功耗得到当前供电参数，
在收到所述体外控制器发出的会话指令后，通过所述内部信号发射电路、所述内部天线，向所述外部天线发出含有供电接收参数的反馈参数。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)体外控制器信号接收、信号发射和供电电路共用线圈，可避免收发用两个线圈可能产生的互扰，供电、通信距离远、可靠性高；同样，体内脉冲发生器信号接收、信号发射和能量接收也共用一个内部天线，减小了体内医疗仪器的体积和重量，从而减小了植入式医疗仪器作为人体内异物对患者身体的不良影响，改善了患者的生活质量；
(2)体内植入医疗仪器与体外控制器之间采用PPM通信方式，可以对供电强度进行精确调节；
(3)体外控制器和体内植入医疗仪器采用包含磁芯的线圈进行通信和供电，增强了供电装置对发射线圈和接收线圈位置的容差性。
附图说明
图1是本发明的整体示意图。
图2是本发明的体外控制器和体内医疗仪器原理框图。
图3是本发明的通信、供电时序图。
具体实施方式
本发明提供了一种体外供电式植入医疗仪器，所述体外供电式植入医疗仪器包括：
体外控制器，其置于人体外部，包括第一微控制器、电源、外部供电电路、外部信号接收电路、外部信号发射电路和外部天线；其中外部供电电路和外部天线用于向植入医疗仪器供电，通过外部信号接收电路和外部信号发射电路与体内植入医疗仪器通信，根据植入医疗仪器反馈的供电接收参数确定供电能量大小，若体外控制器位置导致供电效率过低时，通过声音或其他形式给出提醒。
植入医疗仪器，其置于人体内部，包括第二微控制器、储能单元、内部供电电路、内部信号发射电路、内部信号接收电路和内部天线，还包括电刺激单元和/或生理信号检测单元；其中内部天线和内部供电电路接收外部供电，电量通过储能单元进行存储；所述第二微控制器通过内部信号发射电路和内部天线与体外控制器通信，反馈供电接收参数；所述供电接收参数包括储能单元存储的电量和/或植入医疗仪器的功耗。
掌上电脑，包括与体外控制器相连的通讯端口，用于向医生提供参数编程和信息查看。
其中，外部天线为一个或多个线圈；供电时，外部供电电路控制外部天线通过电磁耦合向植入医疗仪器供电，内部微控制器对供电状态进行监测，并定时把供电接收参数通过内部信号发射电路和内部天线传送给体外控制器，体外控制器根据收到的供电接收参数调整供电能量大小，当外部天线为多个线圈时，可通过调整使用的线圈组合来调整发射功率，以使耦合供电效率最高。
内部供电电路接收体外供电、内部信号发射电路向体外发射信号、内部信号接收电路接收体外信号均通过同一内部天线进行。
体内植入医疗仪器与体外控制器通信通过PPM方式进行，PPM载波频率范围为120-200KHz，体外发送PPM脉冲波形为等幅振荡脉冲波形；为减小体内功耗，体内发送PPM脉冲波形为衰减振荡脉冲。
本发明还提供了一种自适应调节供电强度的方法，其包括如下步骤：
1)体外控制器以缺省最小强度启动供电，等待体内植入医疗仪器反馈信号；
2)体内供电电路接收外部能量，并通过储能单元存储电量，在电量足以启动电刺激/信号检测电路后，通过PPM方式向体外反馈接收能量情况的信号；
3)体外控制器根据体内反馈信号情况，在体外天线采用一个线圈时，调节供电强度；在体外天线采用多个线圈时，调节发射线圈组合及发射强度；
进一步的，本发明的体外控制器可通过串行端口与掌上电脑连接，体内植入医疗仪器的工作参数可通过掌上电脑中的软件进行调节。
下面结合附图对本发明的植入式体外供电脊髓刺激装置的实施方式做出详细说明。
图1所示的是一种体外供电式植入医疗仪器，包括植入医疗仪器1、体外控制器2和掌上电脑3，即PDA。PDA为可选设备，在医生需要监控或改变体内植入医疗仪器的工作参数时才通过串行端口接入，其通过体外控制器和体内的植入医疗仪器进行数据传输，体外控制器同时为体内植入医疗仪器通过电磁耦合的方式供电。体外控制器2一方面是PDA和体内植入医疗仪器的通讯接口设备，另一方面也是体内脉冲发生器的供电设备。PDA和体外控制器2通信使用串口通信；体外控制器2和体内植入医疗仪器1通信使用PPM无线通信调制方式，供电使用电磁耦合的方式。植入医疗仪器1内部电路部分使用生物相容性金属进行封装，天线的线圈则使用生物相容性有机材料进行封装，位于金属密封壳之外。
如图2所示，体外控制器2包括第一微控制器5，声音报警单元11，外部信号发射电路6，外部信号接收电路7，外部供电电路8，外部天线9和电源10，外部天线9可以采用一个或多个带磁芯的线圈。体内植入医疗仪器包括内部天线12，内部信号发射电路13，内部信号接收电路14，内部供电电路15，储能单元16，第二微控制器17和电刺激/生理信号检测单元18。体外控制器2和体内植入医疗仪器1之间通过外部天线9和内部天线12进行通信与供电。
如图3所示，体外供电式植入医疗仪器的典型的供电、通信时序包括体外发射信号19、体内接收信号22、体内发射信号23、体外接收信号20、体外发射供电21、体内接收供电24等阶段。当体外PDA断开时，则体外控制器的主要功能为供电，同时兼有根据体内反馈的供电接收参数调节体外发射的供电能量大小的功能；PDA接入时，体外控制器同时有编程和供电功能。体外控制器固定在体内植入医疗仪器上方，启动后体外控制器首先调入上一次自动保存的最佳供电参数，然后通过外部供电电路8和外部天线9开始发射供电，体内植入医疗仪器通过内部天线12和内部供电电路15接收外部供电能量，并通过储能单元16将电量进行存储。体外控制器发射供电一定时间间隔后，通过外部信号发射电路6和外部天线9向体内植入医疗仪器发射进入会话指令。会话指令数据由第一微控制器5进行PPM编码，通过PWM端口产生相应的驱动脉冲触发外部发射电路6。若在规定时间内外部信号接收电路7接收不到反馈信号，则需继续进行发射供电。在储能单元16的电量达到第二微控制器17及其附属电路所需的功率时，微控制器17开始工作，对内部供电电路15所接收的能量进行采样、判断，同时结合电刺激单元和/或信号检测单元的功耗状况生成当前供电接收参数，在接收到体外会话指令后，将当前供电接收参数由微控制器17进行PPM编码，并且根据编码结果发出相应的PWM驱动脉冲，触发内部信号发射电路13，内部信号发射电路13产生相应的PPM脉冲，PPM载波频率范围设计为120-200KHz；植入式医疗仪器发射的PPM脉冲波形为衰减振荡脉冲。体外控制器2通过外部信号接收电路7和外部天线9接收上述PPM信号，并通过第一微控制器5进行解码，得到供电接收参数。若供电效率提高或者体内植入医疗仪器耗电量减小，此时供电接收参数指示供电强度过大，则体外控制器2通过第一微控制器5控制外部供电电路8降低发射能量；若供电效率降低或者体内植入医疗仪器耗电量增大，供电接收参数指示供电强度过小，外部供电电路则会增加发射能量。若体外控制器发射能量达到所限定的最大值时，体内供电接收参数仍指示供电强度过小，则通过声音报警单元11给出报警，提示病人体外控制器已超出正常工作范围，需要调整位置。
另外，供电接收参数中还能够包括植入医疗仪器的温度，当温度过高时向用户给出提示并限制供电能量大小。
体外控制器在对工作参数进行调整的同时，还对调整后工作参数进行保存，默认其为最佳工作参数。
上述方式只是本发明优选的实施方式，对于本领域内的普通技术人员而言，在本发明公开的体外供电植入式医疗仪器基础上，很容易想到将其应用于其它植入式医疗仪器***，而不仅限于本发明具体实施方式所描述的***结构，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。
Claims (9)
1、体外供电式植入医疗仪器，其特征在于，包括体外控制器和体内植入医疗仪器，其中：
体外控制器置于人体外部，包括：第一微控制器、电源、外部供电电路、外部信号接收电路、外部信号发射电路和外部天线，其中：
所述外部信号发射电路，输入端与所述第一微控制器的向外部发射用的控制信号输出端相连，而该外部信号发射电路输出的外部发射信号则通过所连外部天线经皮无线供电向所述体内植入医疗仪器的内部天线发出；
所述外部供电电路，输入端与所述第一微控制器的供电控制信号输出端相连，向该外部供电电路输出的供电信号则通过所述外部天线经皮无线供电向所述体内植入医疗仪器经所述内部天线供电；
所述外部信号接收电路，输入端与所述外部天线的反馈信号输出端相连，而该外部信号接收电路的输出端则与所述第一微控制器的外部反馈信号输入端相连；
所述电源，其电压输出端与所述第一微控制器、外部信号发射电路、外部信号接收电路以及外部供电电路的电源输入端相连；
所述体内植入医疗仪器，置于人体内部，包括：第二微控制器、储能单元、内部供电电路、内部信号发射电路、内部信号接收电路和内部天线，此外还有电刺激单元和/或生理信号检测单元，其中：
所述电刺激单元和/或生理信号检测单元和所述第二微控制器互连；
所述内部信号发射电路，输入端和所述第二微控制器的内部发射控制信号输出端相连，而该内部信号发射电路的供电接收参数经所述内部天线向所述体外控制器的所述外部天线发出；
所述内部信号接收电路输入端经所述内部天线接收从所述体外控制器通过所述外部天线发出的体外会话指令，并向所述第二微控制器输出；
所述内部供电电路，输入端接收所述体外控制器中所述外部天线通过所述内部天线发来的供电能量信号，并存储在所述储能单元中；
所述储能单元，电压输出端与所述第二微控制器、内部信号发射电路、内部信号接收电路、内部供电电路的电源输入端相连；
所述第一微控制器依次按以下步骤对所述体外供电式植入医疗仪器进行控制：
调入上一次自动保存的最佳供电参数作为设定值，最佳供电参数是指供电效率或输入端的耗电量；
控制所述外部供电电路和所述外部天线开始发射供电，在经过设定的时间间隔后，通过所述外部信号发射电路和所述外部天线向所述体内植入医疗仪器发射会话指令，若在设定时间内所述外部信号接收电路收不到所述反馈信号，则继续进行发射供电；
当所述第一微控制器接收到所述反馈信号中带来的供电接收参数后，与设定的供电效率值或所述体内植入医疗仪器耗电量进行比较，根据比较结果控制所述外部供电电路的发射能量；
所述第二微控制器依次按以下步骤接收供电能量并向外发射所述反馈信号：
在所述储能单元存储的能量达到整个所述体内医疗仪器所需的功率时，第二微控制器开始工作，
根据所述内部供电电路所接收的能量以及当前所述电刺激和/或信号检测单元的功耗得到当前供电参数，
在收到所述体外控制器发出的会话指令后，通过所述内部信号发射电路、所述内部天线，向所述外部天线发出含有供电接收参数的反馈参数。
2、根据权利要求1所述的体外供电式植入医疗仪器，其特征在于，还包括掌上电脑，其具有与所述体外控制器相连的通讯端口。
3、根据权利要求1所述的体外供电式植入医疗仪器，其特征在于，所述外部天线为一个或多个线圈。
4、根据权利要求1所述的体外供电式植入医疗仪器，其特征在于，所述体外控制器和体内植入医疗仪器的通信采用PPM方式。
5、根据权利要求1所述的体外供电式植入医疗仪器，其特征在于，所述内部供电电路接收体外供电、内部信号发射电路向体外发射信号、内部信号接收电路接收体外信号均通过所述同一内部天线进行。
6、根据权利要求1所述的体外供电式植入医疗仪器，其特征在于，所述体内植入医疗仪器中的储能单元是储能电容或者可充电电池。
7、根据权利要求1所述的体外供电式植入医疗仪器，其特征在于，所述供电接收参数还包括植入医疗仪器的温度。
8、根据权利要求1所述的体外供电式植入医疗仪器，其特征在于，所述体外控制器能够根据所述供电接收参数确定供电效率，并在供电效率过低时向操作者给出提示。
9、根据权利要求1所述的体外供电式植入医疗仪器，其特征在于，所述内部天线位于所述体内植入医疗仪器的密封金属壳之外。
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