[其他]透過皮膚傳輸電能和數據的寬帶感應耦合器

無效

• 申請號: 86103021
• 申請日: 1986-03-31
• 公開（公告）號: CN86103021A
• 公開（公告）日: 1986-11-12
• 發明（設計）人: 道格拉斯·塞西爾·加爾布雷思
• 申請（專利權）人: 萊蘭斯坦福初級大學評議會
• 主分類號: A61N1/08
• 分類號: A61N1/08
• 代理公司: 中國專利代理有限公司
• 代理人: 楊凱,黃向陽

本發明一般涉及電子醫療儀器的領域，特別地，本發明提出了一種不需破壞施用對象的皮膚而透過其皮膚傳輸電能和信息數據的方法及其裝置。

隨著在人的皮下植入電子裝置這種技術應用的不斷增長，人們越來越迫切地希望能夠不穿破皮膚向植入體內的裝置傳輸電能和數據。一種先前采用的典型傳輸途徑是利用穿過皮膚的插頭，該插頭能輸送電能，但必須刺破皮膚才能使插頭聯及刺激器。而皮膚上的創口卻給病菌的入侵提供了潛在的通道，因此危及人和植入物的安全。另一種采用的方法是植入電池，遺憾的是，許多使用情況所要求的安培小時數遠大于一個電池所能夠提供的，除非經常更換所植入的電池。

運用感應耦合器就沒有上面的這些局限性，這是因為它能從體外的電源獲取電能而保持皮膚不受損傷。對于醫療用途，一個感應耦合器通常包含兩個扁平線圈，其中一個植入體內而另一個在體外。兩個線圈組成一個能夠傳送能量的互感器。感應耦合器現已用來向植入體內的刺激器傳送電能和信息數據。有關這方面的實例可參閱：M.Soma的博士論文“可植入體內的多路神經刺激器之設計和創造”“（Design????and????Fabrication????of????an????Implantable????Multi-Channel????Neural????Stimulator”）博士論文，1980年6月;T.Gheewala的博士論文“一種利用集成電路技術制成的可植入體內的CMOS聽覺假體”（“ACMOS????Implantable????Anditory????Prosthesis????Using????Inteyrated????Circuit????Technology”），斯坦福大學，1976年3月;以及E.S.Hochmair的題為：“為改善透過皮膚傳輸信號和電能之準確性的系統最佳化技術”的論文（“System????Optimization????for????Improved????Accuracy????in????Transcutaneous????Signal????and????Power????Transmission”），IEEE（電氣與電子工程師協會）生物醫學技術會刊，第BME-31號，第2期，177～186頁，1984年2月。

然而，上述先有技術成果中所研究的感應耦合器存在著它們固有的難點，過去的這些耦合器在提供傳輸效率、帶寬以及對偏差的不敏感度等方面都存在問題。

本發明的目的之一就是提出一種改進的新型感應耦合器。

本發明的另一個目的就是提出這樣一種耦合器，當線圈之間因相對位移而產生耦合偏差時，此偏差對該耦合器的增益影響不大。

本發明還有一個目的在于提出一種耦合器，這種耦合器具有比較寬的頻帶寬度。

傳輸效率是設計這種耦合系統時需要著手解決的主要問題之一。效率之所以成為主要問題，是因為發送器電源的輕便程度限制著被植入者的活動自由。如果透皮膚耦合器的效率不高，那么一個功率需求不大的植入物就可能使發送器要耗費很多電能才能滿足其要求。如果系統需求過多的電能，那么被植入者就必須帶著一個很大的電池包。例如，上文提到的博士論文中所討論的那種耦合系統，就需要一個大小與磚塊相仿的電池包，該電池包還必須每八小時充一次電。

因此，本發明的目的之一就是提供一種體積足夠小而效率足夠高的耦合系統，以供人方便地攜帶，并且用上它后能進行日常的活動。

過去的感應耦合器之所以效率低，是因為用以補償耦合線圈不同軸的裝置效率不高。如圖1所示，線圈之間能相互移動。當它們移動時，其增益（電壓增益、電流增益、跨導增益或跨阻增益，取決于輸入和輸出電路）就變化，這是由于它們的耦合率決定于它們的相對位置。許多應用場合要求穩定的內部電源，因此，必須穩定接收線圈的輸出。

如果增益的變化太大，那么大部分接收到的電能不是用于刺激器，而是耗費在與接收線圈相聯的電壓穩定器上。

解決這個問題的最常用的方法是幾何法，它以犧牲耦合量來換取耦合偏差的減小。這種方法采用一個比內植線圈大的外部線圈。只要小線圈在大線圈的園周范圍之內，兩個線圈所共有的磁力線便基本上相同，并且耦合量也將保持完全不變。線圈的橫向移動甚至傾斜一些僅僅對它們的增益產生較小的影響。這種方法為上文提及的參考資料之一或更多的場合所采用。

遺憾的是，幾何法除了效率低之外，它對線圈的間距也很敏感。對于小間距（近場），耦合量隨間距的增加按比例下降。如果線圈間距增加一倍，則增益下降一半。因此，這種方法只是部分地降低了耦合增益對線圈位置的敏感程度。