(57)【要約】  本発明は、患者または実験動物に移植された、遠隔給電可能な回路生体電子デバイスを充電するための装置に関し、前記装置は、患者または実験動物を受け入れるために適した閉鎖された環境を画定するように構成された、構成可能なコンテナ(10)を備え、前記コンテナ(10)が、前記閉鎖環境を画定するように相互に接続された、非磁性材料製の複数の構成可能な壁を備え、前記コンテナ(10)が、軸が第1の方向(Z)に配置されている少なくとも1つの第1の巻線(20、21、22)と、軸が前記第1の方向(Z)に対して垂直である第2の方向(Y)に配置されている少なくとも1つの第2の巻線(30、31、32、33)とを備える。本装置は、構成可能なコンテナ(10)の巻線に電力を供給して駆動するためのシステム(40)をさらに備え、前記システムは、巻線(20、21、22、30、31、32、33)ごとのスイッチング電力ドライバ(61、62、63、64、65、66、67)と、それぞれが各スイッチング電力ドライバ(61、62、63、64、65、66、67)に接続され、および電力供給および駆動システム(40)のプログラマブル論理回路(80)に接続された複数の位相ロックループ回路(71、72、73、74、75、76、77)であって、前記プログラマブル論理回路(80)が位相比較を実行するように構成されており、プログラマブル論理回路(80)が、電力供給および駆動システム(40)のマイクロプロセッサ(50)に順番に接続されており、前記マイクロプロセッサが、コンテナ(10)の内部に回転磁場を生成するために、巻線(20、21、22、30、31、32、33)に駆動信号を提供するように構成されている複数の位相ロックループ回路(71、72、73、74、75、76、77)とを備える。
2015523070.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
患者または実験動物に移植された、遠隔給電可能な回路生体電子デバイスを充電するための装置であって、
a)患者または実験動物を受け入れるために適した閉鎖環境を画定するように構成された、構成可能なコンテナ(10)であって、前記コンテナ(10)が、前記閉鎖環境を画定するように相互に接続された、非磁性材料製の複数の構成可能な壁を備え、前記コンテナ(10)が、軸が第1の方向(Z)に配置されている少なくとも1つの第1の巻線(20、21、22)と、軸が前記第1の方向(Z)に対して垂直である第2の方向(Y)に配置されている少なくとも1つの第2の巻線(30、31、32、33)とを備え、前記巻線が、前記壁の中、またはその上に設置されており、
前記コンテナ(10)に閉じ込められた前記患者および/または実験動物にとって接触できず、
取り付けられたとき、前記コンテナ(10)の外側からのみ接触可能な電気端子を有し、
交流電流が供給されたとき、前記第1の方向(Z)および前記第2の方向(Y)に沿って前記閉鎖環境の内部に向かって電磁場を放射するように構成された、コンテナ(10)と、
b)前記構成可能なコンテナの前記巻線に電力を供給して駆動するためのシステム(40)であって、
巻線(20、21、22、30、31、32、33)ごとのスイッチング電力ドライバ(61、62、63、64、65、66、67)と、
それぞれが各スイッチング電力ドライバ(61、62、63、64、65、66、67)、および電力供給および駆動システム(40)のプログラマブル論理回路(80)に接続された複数の位相ロックループ回路(71、72、73、74、75、76、77)であって、前記プログラマブル論理回路(80)が位相比較を実行するように構成されており、前記プログラマブル論理回路(80)が、前記電力供給および駆動システム(40)のマイクロプロセッサ(50)に順番に接続されており、前記マイクロプロセッサが、前記コンテナ(10)の内部に回転磁場を生成するために、前記巻線(20、21、22、30、31、32、33)に駆動信号を提供するように構成されている複数の位相ロックループ回路(71、72、73、74、75、76、77)とを備える、構成可能なコンテナの巻線に電力を供給して駆動するためのシステム(40)とを備える装置。
【請求項２】
少なくとも1つのコンデンサ(611、612、621、622、631、632、641、642、651、652、661、662、671、672)が、それとともにそれぞれのスイッチング電力ドライバ(61、62、63、64、65、66、67)に接続された共振回路を形成する各巻線(20、21、22、30、31、32、33)の端子に接続されており、前記コンデンサ(611、612、621、622、631、632、641、642、651、652、661、662、671、672)の静電容量の値、および各共振回路の前記巻線(20、21、22、30、31、32、33)のインダクタンスの値が、前記共振回路が、前記それぞれのスイッチング電力ドライバ(61、62、63、64、65、66、67)によって生成された駆動信号の周波数に対応する周波数で共振するように大きさを決められる、請求項1に記載の充電装置。
【請求項３】
前記コンテナ(10)の前記第1の方向(Z)で相互に同軸上に、および相互に間隔をあけて配置された、第1の同一の巻線(20、21、22)のペア、ならびに、前記第1の方向(Z)に対して垂直である前記コンテナ(10)の前記第2の方向(Y)で相互に同軸上に、および相互に間隔をあけて配置された、第2の同一の巻線(30、31、32、33)のペアを備え、各ペアの前記巻線が、ヘルムホルツコイルを形成するように構成および配置され、前記巻線の前記電力供給および駆動システム(40)が、同じ方向を有する磁場を生成して、前記コンテナ(10)の内部で、前記第1および第2の方向(Z、Y)によって識別される平面内に回転磁場を生成するために適した制御信号を提供するように各ペアの前記巻線に電力を供給するように構成された、請求項1または2に記載の充電装置。
【請求項４】
軸が前記第1および第2の方向(Z、Y)に対して垂直である、前記コンテナ(10)の第3の方向(X)に配置されている少なくとも1つの第3の巻線をさらに備える、請求項1から3のいずれか一項に記載の充電装置。
【請求項５】
前記第3の方向(X)で、相互に同軸上に、および相互に間隔をあけて配置された、同一の第3の巻線のペアを備え、各ペアの前記巻線が、ヘルムホルツコイルを形成するように構成および配置され、前記巻線の前記電力供給および駆動システム(40)が、同じ方向を有する磁場を生成して、前記コンテナ(10)の内部で、空間に回転磁場を生成するために適した制御信号を提供するように各ペアの前記巻線に電力を供給するように構成された、請求項4に記載の充電装置。
【請求項６】
前記電力供給および駆動システム(40)の各共振回路が、前記巻線の端部に配置されたコンデンサ(611、612、621、622、631、632、641、642、651、652、661、662、671、672)に前記それぞれのスイッチング電力ドライバ(61、62、63、64、65、66、67)を接続し、前記コンデンサおよび前記巻線に供給される電流を測定するように適合されたケーブルに沿って配置された変圧器(613、614、623、624、633、634、643、644、653、654、663、664、673、674)を有する、電流センサのペアをさらに備え、前記電力供給および駆動システム(40)が、前記マイクロプロセッサ(50)に接続され、および地面への電流漏れがないかを調べるために、電流値間の区別を行うように構成されたブロック(90)も備える、請求項2から5のいずれか一項に記載の充電装置。
【請求項７】
前記電力供給および駆動システム(40)が、前記コンテナ(10)の各コンパートメント(12、13)内の人間または実験動物の存在の検出に適した少なくとも1つのセンサ(120、130)をさらに備える、請求項1から6のいずれか一項に記載の充電装置。
【請求項８】
前記構成可能なコンテナ(10)が生活環境として構成された、請求項1から7のいずれか一項に記載の充電装置。
【請求項９】
前記構成可能なコンテナ(10)が、実験動物用のケージとして構成された、請求項1から7のいずれか一項に記載の充電装置。
【請求項１０】
閉鎖環境を画定するために適した構成可能なコンテナ(10)であって、前記閉鎖環境内に閉じ込められた患者および/または実験動物に移植された、遠隔給電可能な生体電子回路を充電することができ、前記コンテナ(10)が、非磁性材料製の複数の壁を備え、前記壁の少なくとも2つが、コンパートメントが取り付けられたとき相互に直交する位置で配置され、前記2つの壁のそれぞれが、前記それぞれの壁上、またはその内側に取り付けられた電気巻線を備え、
前記コンテナ内に閉じ込められた前記患者および/または実験動物にとって接触できず、
組み立てられたとき、前記コンテナの外側から接触可能な電気端子を有し、
交流電流によって供給されたとき、前記壁に実質的に直交する方向で、前記閉鎖環境の内部に向かって電磁場を放射するように構成された、少なくとも1つの電気巻線を有するように構成された、構成可能なコンテナ(10)。
【請求項１１】
前記巻線が、組み立てられたとき前記コンテナの外側になるように、前記壁の上に設置されている、請求項10に記載の構成可能なコンテナ(10)。
【請求項１２】
前記コンテナが組み立てられたとき前記2つの壁に直交する位置に配置された第3の壁を備え、前記第3の壁が、
前記コンテナに閉じ込められた前記患者および/または実験動物にとって接触できず、
組み立てられたとき、前記コンテナの外側に配置された電気端子を有し、
交流電流によって供給されたとき、前記第3の壁に実質的に直交する方向で、前記閉鎖環境の内部に向かって電磁場を放射できるようにするために取付けおよび構成された少なくとも1つの電気巻線を有する、請求項10または11に記載の構成可能なコンテナ。
【請求項１３】
実験動物または患者に移植された生体電子デバイスの共振モードでの無線充電のための方法であって、
i)請求項1から9のいずれか一項に記載の装置を提供して設置するステップと、
ii)前記装置の前記構成可能なコンテナ(10)に実験動物または患者を閉じ込めるステップと、
iii)前記コンテナ(10)の前記巻線(20、21、22、30、31、32、33)に、前記コンテナ(10)の内部に回転磁場を生成するために適した公称基準振幅および位相シフトを有するそれぞれの交流電流を供給するために制御信号を生成するステップと、
iv)前記巻線(20、21、22、30、31、32、33)内で実際に循環している電流の検出信号を生成するステップと、
v)前記検出信号を通じて、前記巻線内を実際に循環している前記電流の相互位相シフトおよび前記電流の周波数の実際の値を評価するステップと、
vi)前記実際の前記位相シフトと、対応する公称値との間の差異を補償するために、前記駆動信号を調節するステップと、
vii)前記巻線への電力伝達を最大化するように、前記電流の前記周波数を所望の周波数に同調させるステップとを備える、実験動物または患者に移植された生体電子デバイスの共振モードでの前記無線充電のための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、実験動物または人間に移植された生体電子デバイスの共振モードでのワイヤレス充電の装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
実験動物への科学実験は、生物医学装置、特に生体電子デバイスの臨床使用に向けた必須の工程であり、実験動物への実験的な生体電子デバイスの設置が常に増加していることが知られている。
【０００３】
たとえば、てんかんの治療において、人間の内部の脳生体電気信号を取得および監視するためのシステムの移植に基づく、すでに知られている実験プロトコルもある。
【０００４】
これらの生体電子デバイスの充電は、適切なケーブルを使用することによって、または電磁誘導によりワイヤレスモードで実行され得る。ケーブルの使用は、実験動物ならびに患者にとって感染源であり、移植されたデバイスを外さないと取り外すことができず、したがって、実験活動や治療の中断をもたらすので、後者のモードが好ましい。無視できない大きさを有し、体の外部にある電源ケーブルの取外しは、実験活動または治療の間、実験動物および患者が行動上の問題を経験することを妨げる。
【０００５】
ワイヤレス充電を実行するために、誘導結合器などの電源装置の巻線を、移植された生体電子デバイスに関連付けられた電源回路の対応する巻線に磁気的に結合することが必要である。この目的のために、2つの巻線が整列されなければならず、それには実験動物または患者が実験活動の間ずっと動かずにいること、および/または移植された生体電子デバイスの再充電可能バッテリの充電を完了することが必要である。人間の場合は、患者の協力によってこの状況を容易に管理することができるが、実験動物の場合は保持手段、あるいは麻酔に頼る必要があり、重大な倫理的および組織的問題がある。
【０００６】
実験動物の特定の場合では、実験動物が移動できる床の下に、配置された複数の巻線が設けられた、閉じ込めケージが開発されている。巻線は、相互に平行であり、垂直軸に沿って向けられた複数の磁場を生成することができ、それによって、ケージに収容された実験動物は、平行磁場間を自由に動くことができ、移植された生体電子デバイスの電源回路は、それらの磁場のうちの少なくとも1つに実質的に常に結合されているので、ケージ内の実験動物の位置とは無関係に電力を供給することができる。
【０００７】
たとえば軸に対して平行である、磁場を生成することができる巻線にケージが完全に挿入されている、実験動物用のケージに関連付けられた、知られている電源システムもある。
【０００８】
これらの解決策は、実質的に床と平行の位置、たとえば腹部に生体電子デバイスを移植することができる、ネズミなどの4本足の実験動物の場合は非常に効果的だが、これらの解決策は、はるかに移動度が高く、たとえば、ケージの壁と天井を形成する鉄格子上に登ることによって、利用可能なスペース全体を非常な機敏さで継続的に移動する、サルなどの実験動物に移植された生体電子デバイスへの電力供給にはまったく不向きであることがわかっている。
【０００９】
特許公報WO 2012/143850 A1号に申請者名で開示されたデバイスなどの、遠隔で電力供給される生体電子デバイスを移植した患者に、類似しているが、より重要な問題が発生する。実際には、患者をケージに閉じ込めることはできないので、移植したデバイスのバッテリを再充電するために必要な時間にわたってベッドまたは椅子に収容しなければならず、一般的に、患者の体の、生体電子デバイスが移植されている領域と接触するように直接配置された巻線を備える、電源装置を経由して実行される。この状態は、患者がかなり長時間にわたって実質的に動かずにいることを必要とするので、患者によってあまり許容されない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
したがって、充電装置は、生体電子デバイスが移植された患者または実験動物の動きを制限することなしに、ワイヤレスモードで生体電子デバイスのバッテリを充電するために適していることが望ましく、それが本発明の目的である。前記目的は、添付の特許請求の範囲で定義される充電する装置および方法で達成される。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の基礎となる解決策の概念は、ワイヤレス電力供給技術を共振モードで使用することであり、一般的に、電気機械、ロボット、電気掃除機、またはラップトップコンピュータなどの、大量のエネルギーを必要とするデバイスで使用される。ワイヤレス電力供給モードによって、送信ユニットとして電源に接続された第1の巻線、および受信ユニットとして電力供給されるべきデバイスに接続された第2の巻線が使用され、両方の巻線は、同じ共振周波数を有するように構成される。この原理を利用することによって、本発明による装置は、1つ1つが、軸が第1の方向に配置されている少なくとも1つの第1の巻線と、軸が第1の方向に対して垂直である第2の方向に配置されている少なくとも1つの第2の巻線とに関連付けられた、1つまたは複数のコンパートメントを順番に備える構成可能なコンテナを備える。構成可能なコンテナは、その内側に、巻線の軸によって画定される平面内に回転磁場を作成するように構成された巻線に電力を供給して駆動するためのシステムも含む。
【００１２】
これらの特徴によって、患者または実験動物に動かずにいることを強制せずに、コンテナ内の回転磁場に磁気的に結合された、移植された生体電子デバイスの電源回路を維持することが可能になる。
【００１３】
構成可能なコンテナは、実験動物用のケージとして構成されてもよく、人間を収容するために適した環境として構成されてもよく、たとえば、病室または家庭内の部屋に統合されてよい。
【００１４】
本発明の実施形態によれば、構成可能なコンテナは、コンパートメントごとに、軸が第1および第2の方向に対して垂直である第3の方向に配置されている、少なくとも1つの第3の巻線を備え得る。この構成は、3つの巻線を駆動し、もはや平面上にないが空間内にある、すなわち、3つの巻線の軸によって画定されるすべての平面に関して、磁場の回転を得ることを可能にする。
【００１５】
本発明の好ましい実施形態によれば、第1の方向で相互に同軸上に、および相互に間隔をあけて配置された、同一の巻線の第1のペアは、構成可能なコンテナの各コンパートメントに関連付けられて、同じ方向に沿って磁場を生成するように供給され、ならびに、第2の方向で相互に同軸上に、および相互に間隔をあけて配置された同一の巻線の第2のペアは、同じ方向に沿って磁場を生成することができるように供給される。各ペアの巻線は、たとえば、ヘルムホルツ巻線として大きさを決められて配置され、それらの間に、それらの軸の方向において実質的に均一である磁場を生成することができるようにする。サイズが現在のフィールド基準を満たしている実験動物用のケージの場合、巻線は、この理想の条件にできるだけ近くなるように、大きさを決められて配置される。
【００１６】
この構成は、大きな環境において特に有用であり、したがって、移動度が高いことによって特徴付けられる、霊長類などの実験動物用のケージ、および病室または家庭の部屋などの人間を収容するのに適した環境に、本発明を適用することが好ましい。方向ごとの単一の巻線は、実際にはその方向で、コンテナの反対側の端部に弱磁場をもたらす可能性があり、人間、またはコンテナに閉じ込められた実験動物に移植された生体電子デバイスには適していない。代わりに、構成可能なコンテナの反対側の面に配置されていることが好ましい、巻線のペアを使用することによって、コンテナの左右に、および/または床面から天井に、実質的に磁場の同じ値を維持することができ、したがって、たとえ患者または実験動物が動いているときでも、コンテナの内部であればどこでも生体電子デバイスに電力を供給することが可能になる。
【００１７】
本発明による構成可能なコンテナは、コンパートメントごとに、巻線の第3のペアを有利に備えることができ、巻線の第3のペアは、第1および第2のペアと同様に、相互に同一であり、コンテナの第3の方向で同軸上に、および相互に間隔をあけて配置され、第1および第2の方向に対して垂直であり、同じ方向に磁場を生成するように供給される。この構成は、巻線の3つのペアを駆動し、空間内での、すなわち3つの巻線の軸によって画定されたすべての平面に対して、磁場の回転を得ることを可能にする。
【００１８】
各ペアの巻線は、その反対側の面で、構成可能なコンテナの外側に配置されるか、その構造を形成するパネルの内部に統合されることが好ましい。これによって、利用可能な内部空間を有利に最大化して、患者または実験動物が、電流が循環する巻線に偶発的に接触すること回避することが可能になる。
【００１９】
本発明のさらなる態様によれば、患者または実験動物の存在の検出に適した少なくとも1つのセンサを、コンテナの各コンパートメントに有利に取り付けることができ、したがって、占有されたコンパートメントに関連付けられた巻線だけを活性化することを可能にすることができ、それによって、空のコンパートメントの巻線を供給することを回避することによって巻線の操作およびエネルギー消費を最適化することができる。
【００２０】
出願された特許請求の範囲は本明細書の一部であり、明確な参照により本明細書に組み込まれる。
【００２１】
当業者には、本発明のさらなる利点および特徴は、以下の本発明の実施形態の詳細かつ非限定的な説明を、添付の図面を参照して読めば明らかになるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１ａ】人間の収容に適した部屋に設置された、本発明の第1の実施形態による、構成可能なコンテナを示す透視図である。
【図１ｂ】本発明の別の実施形態による、実験動物用のケージとして構成された、構成可能なコンテナを示す透視図である。
【図２】図1bの構成可能なコンテナに関連付けられた巻線に電力を供給して駆動するためのシステムのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本開示による充電装置は、参照番号10で示された、相互に垂直な軸に配置された少なくとも2つの巻線20、30、ならびに以下で詳細に説明される巻線に電力を供給して駆動するためのシステムを備える、構成可能なコンテナを含む。
【００２４】
図1aに概略的に示されるように、構成可能なコンテナは、人間Mに移植されたワイヤレス再充電可能生体電子回路を充電するための生活環境として構成されて、病室または家庭の部屋などの部屋Rに設置されてもよく、図1bに概略的に示されるように、実験動物に移植されたワイヤレス再充電可能生体電子回路を充電するための実験動物用のケージとして構成されてもよい。
【００２５】
どちらの場合でも、構成可能なコンテナは、閉鎖環境を形成する複数の構成可能な壁を備える。図1aの部屋と、図1bのケージとの間の唯一の違いは、それらの大きさと、場合によってはそれらの形状に関する。さらに、部屋に設置される場合、特に家庭内では、構成可能なコンテナ10は、患者に見えないように部屋に完全に統合することを可能にするように構成された、たとえばパネルなどの美的要素を適切に備えることができる。
【００２６】
本発明の装置の操作を理解するために、構成可能なコンテナ10が、実験動物用のケージとして使用されるのではなく、部屋Rに統合されているかどうかは、実質的に無関係である。このため、本発明は、実験動物に移植された生体電子回路を再充電するためのケージの場合を排他的に参照して説明され、ケージについて言われることも必要な変更を加えて有効であることを明らかにしており、構成可能なコンテナが患者のための部屋に設定される場合も同様である。
【００２７】
図1bを参照すると、本発明による構成可能なコンテナまたはケージ10は、非磁性材料製の複数のモジュラパネルを備える。ケージ10は、少なくとも1つのドア11を備え、実験動物の収容に適した少なくとも1つの内部コンパートメント12を画定する。衛生およびコストの理由により、非磁性材料は、たとえばPA6などのプラスチック材料であることが好ましい。
【００２８】
図示された実施形態では、ケージ10は、特に、ケージ10の床から天井への第1の方向Zに重なり合って配置された、2つの相互通信しているコンパートメント12、13を備える。
【００２９】
本発明によるケージ10は、その中に収容された実験動物に移植された一般的な生体電子デバイスの共振モードでのワイヤレス電力供給を可能にするように構成され、場合によっては、脳からの生体信号の取得および監視のための、ならびに脳内刺激のための、移植可能デバイスなどの再充電可能バッテリを備える。
【００３０】
この目的のために、ケージ10は、各コンパートメント内に、軸がたとえば第1の方向Zに配置された少なくとも1つの第1の巻線20、および、軸が第1の方向Zに対して垂直であるケージの第2の方向Y、たとえば横断方向Yに配置された少なくとも1つの第2の巻線30を備える。
【００３１】
巻線20、30は、ケージ10に閉じ込められた実験動物が接触できないように配置され、この目的のために、巻線はケージの外側に、または壁に形成されたそれぞれの空洞内に取り付けられる。巻線20、30の電気端子は、組み立てられたときコンテナ10の外側から接触できるように、同様に配置されているので、実験動物が干渉する可能性を回避しながら容易に接続することができる。
【００３２】
また、ケージ10は、第1の方向Zおよび第2の方向Yに磁場を生成して、ケージ10の内部に、巻線の軸によって画定される平面上に回転磁場を作成するために適した制御信号を提供するように構成された、巻線20、30に電力を供給して駆動するためのシステムを備える。
【００３３】
本発明の好ましい実施形態によれば、構成可能なコンテナ10は、第1の方向Zで相互に同軸上に、および相互に間隔をあけて配置された、同一の巻線の第1のペアを備える。また、コンテナは、第2の方向Yで相互に同軸上に、および相互に間隔をあけて配置された、同一の巻線の第2のペアを備える。各ペアの巻線は、同じ方向に沿って磁場を生成するように供給される。
【００３４】
図1bおよび図2に示された充電装置の実施形態では、ケージ10は、コンパートメント12、13ごとに、ケージ10の第1の方向Zで相互に同軸上に、およびそのような方向で相互に間隔をあけて配置された、第1の同一の巻線のペアを備える。また、ケージ10は、コンパートメントごとに、ケージ10の第2の方向Yで相互に同軸上に、およびこの方向で相互に間隔をあけて配置された、第2の同一の巻線のペアを備える。
【００３５】
各ペアの巻線は、それらの軸の方向で実質的に均一の磁場を生成することができる、ヘルムホルツコイルを構成するように構成および配置され、巻き数およびそれを通って循環する電流に正比例する。
【００３６】
ケージ10の各コンパートメント12、13に関連付けられた巻線は、それぞれ第1の方向Zの参照番号20、21、22によって、および第2の方向Yの参照番号30、31、および32、33によって示される。図1bの透視図では、巻線20、31、および33だけが見えている。
【００３７】
第1の方向Zの上下に2つのコンパートメント12、13を配置することによって、中間巻線21が巻線20または巻線22のいずれかとペアを形成することができるので、この方向に磁場を生成するために、4つの巻線ではなく3つの巻線だけを使用することができるようになることが理解されよう。
【００３８】
巻線20、21、22、および30、31、32、33は、実験動物に移植された生体電子デバイスに電力を供給する共振回路の巻線の共振周波数と等しい共振周波数を有するように構成された共振回路に関連付けられたので、再充電可能バッテリがある場合は、その操作ならびにその充電が可能になる。
【００３９】
一般的に参照番号40によって指定される電力供給および駆動システムは、巻線に並列に接続され、調節可能な電圧出力を有する、少なくとも1つのAC/DC電源を備える。
【００４０】
図2に示される実施形態では、電力供給および駆動システム40は、特に、第1の方向Zに配向する軸を有する第1の巻線20、21、22に結合された第1の電源41と、第2の方向Yに配向する軸を有する第2の巻線30、31、32、33に結合された第2の電源42とを備える。
【００４１】
また、電力供給および駆動システム40は、巻線の適切な管理ソフトウェアおよびフィードバック制御を備えた、マイクロプロセッサ50を備える。
【００４２】
電力供給および駆動システム40は、巻線ごとに、それぞれのAC/DCによって供給される「スイッチング電力ドライバ(switching power driver)」を備える。図2に示される実施形態では、スイッチング電力ドライバは、それぞれ参照番号61〜67によって示され、あらかじめ定められた周波数で駆動信号を生成するように構成される。
【００４３】
駆動信号は、矩形波信号などの電圧信号であり、共振回路の共振周波数に対応する周波数の値を有することが好ましい。これらの駆動信号は、60V以下の電圧値を有することが好ましい。
【００４４】
当業者にはよく知られているように、共振回路の共振周波数を決定するために、巻線の並列の寄生容量を考慮しなければならず、巻線は、いわゆる「自己共振周波数」、すなわち、各巻線のインダクタンス、およびそれぞれの並列の寄生容量によって決定される周波数によって特徴付けられ、その上で巻線はインダクタンスとしてではなく容量として働く。巻線が所望の周波数でインダクタンスとして働き、寄生容量が実質的に影響を及ぼさないことを合理的に確認するために、巻線は、共振回路にとって望ましい共振周波数よりも少なくとも10倍高い自己共振周波数を有するように、大きさを決められることが好ましい。各巻線の両端に、直列に配置された2つのコンデンサが接続されており、駆動周波数でメリット係数を最大化するために適した、バランスのとれた共振直列回路の巻線を形成している。図示された実施形態では、コンデンサは、それぞれ参照番号611、612、621、622、631、632、641、642、651、652、661、662、671、672によって示されており、したがってケージ10は並列に動作する7個の共振回路を備えることができる。
【００４５】
共振回路ごとに、コンデンサの静電容量の値、およびそれぞれの巻線のインダクタンスは、そこに接続された電力ドライバによって生成された駆動信号の共振周波数と等しい共振周波数を得ることができるように大きさを決められる。
【００４６】
位相ロックループ回路、すなわちPLLは、各電力ドライバに接続されている。PLL回路は、信号の位相を比較するように構成されたプログラマブル論理回路80にすべて接続され、プログラマブル論理回路はマイクロプロセッサ50に接続されている。図示された実施形態では、PLL回路は、参照番号71〜77で示されている。
【００４７】
電力供給および駆動システム40の動作中、各電力ドライバ61〜67が、それに接続された共振回路を循環する電流を生じさせる駆動信号を生成する。電源は、巻線の各ペアの巻線内に同じ方向を有する磁場を生成するために管理される。
【００４８】
電力ドライバ61〜67の制御信号は、たとえば巻線21の共振回路などの、ケージ10の共振回路に接続された電力ドライバのうちの1つによって生成されたパイロット信号であることが好ましい基準信号に基づいて、相互に同期される。このパイロット信号の位相から開始して、ケージ10上に存在する他のすべての共振回路は、相対的なPLL回路71〜77を通じて同じ方向に同期される。
【００４９】
PLL回路71〜77は、特に、対応する公称値と比較して、相互電流位相シフトの実際の値間の差異を補償するために、巻線内で実際に循環している電流と、それらの周波数との間の位相シフト値を検出して、マイクロプロセッサ50に接続された位相比較のためのプログラマブル論理回路80を通じて電力ドライバの制御信号を調節することを可能にする。電流の周波数は、所望の周波数、特に、可能な最大電力を巻線に伝達することを可能にする周波数に同調され、それは、たとえば当業者にはよく知られている「最大電力点追従制御」タイプのアルゴリズムで決定され得る。
【００５０】
位相シフトの実際の値間の差異は、実際には、コンテナ10の内部の実験動物または患者の動き、ならびに患者とともにいるコンテナ10内の他の人々の存在、ならびに、共振周波数を変更し得る、装置1の動作温度の変動、たとえば電磁妨害などの外部の電子部品の製造公差によって主に変動する。したがって、共振周波数の同調は、可能な最大電力の伝達を達成して、装置の動作を最適化するために重要である。
【００５１】
基準信号は、プログラマブル論理回路80から分散されて、データバスを通じて制御信号間の位相比較を実行するために適合される。
【００５２】
一旦、第1の方向Zで共振回路の巻線の同期が実行されると、プログラマブル論理内の回路80は、同期基準信号に対して、たとえば90度遅延位相シフトされた、第2の同期信号を生成する。たとえば第2の方向Yに対して垂直方向に配置された軸を有する巻線は、この位相シフトされた駆動信号によって駆動される。
【００５３】
したがって、第2の方向Yの軸に配置された軸を有する巻線は相互に同期されるが、第1の方向Zに配置された巻線に対して位相シフトされた信号によって駆動される。
【００５４】
位相シフトされた信号に基づくこの駆動モードのおかげで、および相互に垂直な平面上の巻線の空間的配置のおかげで、ケージの内部に存在する磁場がYZ平面内で回転するベクトルであることが理解されよう。これによって、YZ平面に対する位置に関わらず、実験動物に移植された生体電子デバイスの共振回路の巻線を、ケージ内に存在する磁場に結合することができるようになり、したがって、ケージ10の内部の実験動物の位置に関わらず、生体電子デバイスの操作、および/またはそのバッテリの再充電が可能になる。言い換えれば、ケージ10に収容された実験動物は、生体電子デバイスの操作、および/またはそのバッテリの再充電の間、ケージ10内のどのゾーン内でも、また、あるフロアから別のフロアへ自由に動くことができ、科学的かつ実験的な活動の実行に好都合である。
【００５５】
実験動物に移植された生体電子デバイスの共振回路の巻線がYZ平面に対して垂直な平面に位置しているときに磁気結合が最大となり、したがってエネルギー伝達を最大化することができる。そうでない場合は、移植された生体電子デバイスに電力を供給する共振回路がYZ平面と平行であるときに結合がより弱くなり、エネルギー伝達がより低くなるか、磁気結合もエネルギー伝達もまったくなくなる。
【００５６】
この駆動モードは、ケージ10のコンパートメントごとに、それぞれに第1の方向Zおよび第2の方向Yに平行な同軸巻線のペアを備える、本発明の好ましい実施形態に限定されるものではなく、構成可能なコンテナが、相互に垂直な軸を有する第1および第2の巻線だけを備え、唯一の違いが、任意の方向の単一の巻線の存在が、第1および第2の方向に沿った同じ方向を有する磁場の生成をもたらさないことである場合にも等しく適用可能であることが理解されよう。
【００５７】
本発明のさらなる実施形態によれば、平面ではなく空間内での磁場ベクトルの回転を得るために、コンパートメント10の各コンパートメントに、ケージ10の第3の方向に配置された少なくとも1つの第3の巻線、たとえば、横方向Yおよび縦方向Zに対して垂直な長手方向X、たとえば、相互に同一であり、ケージ10の第3の方向Xで同軸上に配置され、相互に間隔をあけられた巻線の第3のペア(図示せず)を関連付けることが可能である。
【００５８】
3つの巻線を有する構成、または相互に垂直な平面上に配置された巻線のペアのために、磁場ベクトルは空間的配向を有する。3つの巻線の駆動信号、または巻線のペアを、たとえば90度適切にシフトさせることにより、空間内での磁場ベクトルの回転が得られ、YZ平面に対するだけでなくXY平面およびXZ平面に対する実験動物の位置に関わらず、移植された生体電子デバイスの電力供給が可能になる。
【００５９】
電力供給および駆動システム40の各共振回路は、巻線の端部に配置されたコンデンサに電力ドライバを接続し、コンデンサおよび巻線に供給される電流を測定するように適合されたケーブルに沿って配置された変圧器を有する、電流センサのペアをさらに備える。図2に示される実施形態では、変圧器を有する電流センサは、それぞれ参照番号613、614、623、624、633、634、643、644、653、654、663、664、673、674によって示される。電流センサによって測定される電流値は、マイクロプロセッサ50に接続されている電力供給および駆動システム40のブロック90に送信される。ブロック90は、地面への電流漏れがないか調べるために、電流値間の区別を行う。たとえば、絶縁不良やオペレータとの偶発的な接触に起因する漏れがある場合、マイクロプロセッサ50は、漏れに関連して電力ドライバの操作を中断する。
【００６０】
製造の観点から見れば、各巻線に関連付けられるコンデンサは、巻線を収容するフレームに収容されたコンテナに収容されていることが好ましい。同じコンテナ内に、コンデンサに加えて、たとえばマイクロスイッチなどの開度センサ、および、たとえばレジスタなどの巻線の識別システムもあり、データバスを通じて電力供給および駆動システム40のマイクロプロセッサにステータスおよび値をレポートする。開度センサは、コンデンサのコンテナが偶発的に開いた場合、それぞれの巻線の電力ドライバの操作を中断する。巻線の識別システムは、配線する間、電力ドライバとそれぞれの巻線との間の関連付けが正しく実行されるかどうかを決定するために使用される。
【００６１】
本発明のさらなる態様によれば、電力供給および駆動システム40は、コンテナ10の内部の人間または実験動物の存在の検出に適した少なくとも1つのセンサをさらに備える。図1bに示された実施形態を参照すると、たとえば、コンテナは、コンパートメント12、13ごとに、たとえば赤外線型センサなどの1つの検出センサを備える。それに対応して、図2のブロック図には赤外線型の2つのセンサ120、130が概略的に示されており、それぞれが各コンパートメント12、13内に挿入されている。
【００６２】
ケージ10の構成では、および、相互に通信するコンパートメントを備えたより一般的な構成可能なコンテナでは、コンパートメントごとに少なくとも1つの検出センサを設けることによって、実験動物が実際に存在するコンパートメントだけに磁場を生成することができるようになり、エネルギー消費の観点からケージ10の操作を最適化する可能性を与える。
【００６３】
本明細書で説明および図示した本発明の実施形態は、多くの変形の影響を受けやすい例にすぎない。たとえば、マイクロプロセッサ50のブロック内に設けられた適切なイーサネット（登録商標）ポートを通じて、コンテナ10の操作を遠隔で制御することが可能である。さらに、電力供給および駆動システム40は、巻線に接続され、コンテナ10を収容することを目的とする部屋の壁に取付け可能な特別なコンテナに収容されてもよく、コンテナに直接収容されてもよく、それによってその移動(displacement)と設置を容易にする。
【符号の説明】
【００６４】
10  ケージ
11  ドア
12  コンパートメント
13  コンパートメント
20  巻線
21  巻線
22  巻線
30  巻線
31  巻線
32  巻線
33  巻線
40  電力供給および駆動システム
41  第1の電源
42  第2の電源
50  マイクロプロセッサ
61  電力ドライバ
62  電力ドライバ
63  電力ドライバ
64  電力ドライバ
65  電力ドライバ
66  電力ドライバ
67  電力ドライバ
80  プログラマブル論理回路
90  ブロック
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２】
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【国際調査報告】
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