(57)【要約】  本開示は、ユーザ１０４に埋め込まれたデバイスにワイヤレスで電力を中継するためのモジュール１１０に関する。このモジュールは、このユーザによって装着されるようになっている構造体１１５と、第１の周波数において第１のワイヤレス送電を受電するように構成される受電器２１２と、第１の周波数とは異なる第２の周波数において第２のワイヤレス送電を送電するように構成される送電器２１６と、第１のワイヤレス送電によって生成されたエネルギーを、第２のワイヤレス送電を生成するためのエネルギーに変換するように構成される周波数変換器２１８とを含みうる。受電器、送電器及び周波数変換器のそれぞれは、構造体上に又は構造体内に配置することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ユーザ内に埋め込まれたデバイスにワイヤレスで電力を中継するためのモジュールであって、
前記ユーザによって装着されるようになっている構造体と、
第１の周波数において第１のワイヤレス送電を受電するように構成される受電器と、
前記第１の周波数とは異なる第２の周波数において第２のワイヤレス送電を送電するように構成される送電器と、
前記送電器及び前記受電器のそれぞれに電気的に結合され、前記第１のワイヤレス送電によって生成されたエネルギーを、前記第２のワイヤレス送電を生成するためのエネルギーに変換するように構成される周波数変換器と
を備えてなり、
前記受電器、前記送電器及び前記周波数変換器のそれぞれは、前記構造体上又は該構造体内に配置されている、モジュール。
【請求項２】
前記第１の周波数及び前記第２の周波数は、それぞれ異なる周波数帯域に属する、請求項１に記載のモジュール。
【請求項３】
前記第１の周波数は第１の距離におけるワイヤレス送電のために選択され、前記第２の周波数は前記第１の距離より短い第２の距離におけるワイヤレス送電のために選択される、請求項１に記載のモジュール。
【請求項４】
前記第１の周波数は第１の媒質を通るワイヤレス送電のために選択され、前記第２の周波数は前記第１の媒質とは異なる第２の媒質を通るワイヤレス送電のために選択される、請求項１に記載のモジュール。
【請求項５】
前記受電器のワイヤレス送電効率を判断し、該判断に基づいて前記第１の周波数を動的に調整するように構成される制御回路を更に備える、請求項１に記載のモジュール。
【請求項６】
前記制御回路は、前記受電器における被測定ピーク信号に基づいてワイヤレス送電効率を判断するように構成される、請求項５に記載のモジュール。
【請求項７】
前記第１の周波数は、前記第２の周波数の２倍より大きい、請求項１に記載のモジュール。
【請求項８】
前記受電器に電気的に結合される電池と、前記第１のワイヤレス送電によって生成されたエネルギーを前記電池に蓄積するか、前記第１のワイヤレス送電によって生成された前記エネルギーを前記送電器に中継するか、又はその両方かを判断するための制御回路とを更に備える、請求項１に記載のモジュール。
【請求項９】
前記構造体はハウジングを含み、前記受電器及び前記送電器は前記ハウジング内に配置される、請求項１に記載のモジュール。
【請求項１０】
前記モジュールは、前記受電器が前記ユーザに面しない前記ハウジングの端部に配置され、前記送電器が前記ユーザに面する前記ハウジングの端部に配置されるように、前記ユーザによって装着されるように構成される、請求項１に記載のモジュール。
【請求項１１】
ユーザに埋め込まれたデバイスに電力を送達するための経皮エネルギー伝達システムであって、
請求項１に記載のモジュールと、
前記モジュールに電磁的に結合可能であり、前記モジュールに前記第１のワイヤレス送電をワイヤレスで送電するように構成されるリモート電源と、
前記ユーザ内に埋め込むようになっており、前記モジュールに誘導的に結合可能であり、前記埋込デバイスに電気的に結合可能であり、前記モジュールから第２のワイヤレス送電を受電するように構成される埋込受電器と
を備えてなる、経皮エネルギー伝達システム。
【請求項１２】
前記モジュールに電気的に結合される外部電池であって、前記第１のワイヤレス送電から受電されたエネルギーを蓄積するように、及び前記第２のワイヤレス送電を生成するために前記蓄積されたエネルギーを前記送電器に与えるように用いられる、外部電池と、
前記埋込受電器に電気的に結合される埋込電池であって、前記第２のワイヤレス送電から受電されたエネルギーを蓄積するように、及び前記デバイスに電力を供給するために前記蓄積されたエネルギーを前記埋込デバイスに与えるように用いられる、埋込電池とを更に備える、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記埋込電池は、前記モジュールが前記ユーザによって装着されるときにエネルギーを蓄積し、前記外部充電モジュールが前記ユーザによって装着されないときに、前記埋込医療デバイスに電力を供給する、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記外部電池は、前記モジュールが前記リモート電源に電磁的に結合されるときにエネルギーを蓄積し、前記モジュールが前記リモート電源に電磁的に結合されないときに、蓄積されたエネルギーを前記送電器に与える、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１５】
電力をワイヤレスで中継するための装置であって、
複数の受電器回路であって、該受電器回路のそれぞれの共振周波数においてワイヤレス電力を受電するように構成される、複数の受電器回路と、
選択された共振周波数においてワイヤレス電力を送電するようになっている送電器回路と、
複数の周波数変換器と
を備えてなり、
各周波数変換器は、それぞれの受電器回路の出力と、前記送電器回路の入力とに電気的に結合され、前記それぞれの受電器回路において受電された前記ワイヤレス電力の前記周波数を、前記選択された周波数に変換するように構成される、装置。
【請求項１６】
各受電器回路は、異なる周波数においてワイヤレス電力を受電するようになっている、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
請求項１４に記載の装置と、
複数のリモート送電器回路と
を備えており、各リモート送電器回路は、前記装置の対応する受電器回路の共振周波数においてワイヤレス電力を生成し、送電するようになっている、ワイヤレスエネルギー伝達システム。
【請求項１８】
埋込医療デバイスに電気的に結合可能な埋込ワイヤレス受電器と、
前記埋込医療デバイスを動作させるのに十分な電力を生成するリモート電源と、
前記リモート電源から前記埋込ワイヤレス受電器までの途中で電力を中継するように構成される１つ以上のワイヤレス電力中継装置と
を備えてなり、
前記ワイヤレス電力中継装置のそれぞれは、
第１の周波数において入射ワイヤレス送電を受電するようになっている受電器と、
前記第２の周波数において出射ワイヤレス送電を送電するようになっている送電器と、
前記送電器及び前記受電器に電気的に結合され、前記入射ワイヤレス送電によって生成されたエネルギーを、前記出射ワイヤレス送電を生成するためのエネルギーに変換するように構成される周波数変換器と
を備えるものである、経皮エネルギー伝達システム。
【請求項１９】
上流装置によって送電される前記ワイヤレス電力が、直列に電磁的に結合される下流装置において受電される前記ワイヤレス電力であるように、複数の装置が互いに直列に電磁的に結合され、
前記埋込ワイヤレス受電器は、最も離れた下流ワイヤレス電力中継装置によって生成された前記ワイヤレス電力を受電するように構成される、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
前記最も離れた下流ワイヤレス電力中継装置は前記受電器に電気的に結合される外部電池を更に備え、前記外部電池は、
前記最も離れた下流ワイヤレス電力中継装置がそれぞれの上流装置に電磁的に結合されるときに電荷を一時的に蓄積し、
前記最も離れた下流ワイヤレス電力中継装置がそれぞれの上流装置に電磁的に結合されないときに、前記蓄積された電荷を用いて、前記第２の周波数において前記送電器を駆動するための電力を生成するように用いられる、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
前記埋込ワイヤレス受電器に電気的に結合され、前記埋込医療デバイスに電気的に結合される埋込電池を更に備え、該埋込電池は、
前記最も離れた下流ワイヤレス電力中継装置が前記埋込ワイヤレス受電器に動作可能に結合されるときに電荷を一時的に蓄積し、
前記最も離れた下流ワイヤレス電力中継装置が前記埋込ワイヤレス受電器に動作可能に結合されないときに、又は最も離れた下流ワイヤレス電力中継装置がそれだけで前記埋込医療デバイスを動作させるのに十分な電力を生成しないときに、前記埋込医療デバイスを動作させるのに十分な電力を生成するように用いられる、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２２】
ユーザ内に埋め込まれたデバイスに電力をワイヤレスで中継する方法であって、
前記ユーザによって装着されるようになっている構造体を設けるステップと、
前記構造体上又は該構造体内に配置される受電器において、第１の周波数で第１のワイヤレス送電を受電するステップと、
前記構造体上又は該構造体内に配置される送電器から、前記第１の周波数とは異なる第２の周波数で第２のワイヤレス送電を送電するステップと、
前記受電器及び前記送電器に電気的に結合され、前記構造体上又は該構造体内に配置される周波数変換器において、前記第１のワイヤレス送電によって生成されたエネルギーを、前記第２のワイヤレス送電を生成するためのエネルギーに変換するステップと
を含んでなる方法。
【請求項２３】
前記第１のワイヤレス送電は、前記第２のワイヤレス送電が送電される距離より長い距離にわたって送電される、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記第１のワイヤレス送電は、前記第２のワイヤレス送電が送電される媒質とは異なる媒質を通って送電される、請求項２２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、経皮エネルギー伝達（ＴＥＴ：transcutaneous energy transfer）システムに関し、より詳細には、ＴＥＴシステム内で電力をワイヤレスで給電するか、又は中継するためのデバイス、並びにそのシステム及び／又はデバイスを動作させる方法に関する。
【０００２】
［関連出願の相互参照］
本出願は、２０１３年８月１９日付けで出願された米国仮特許出願第６１／８６７，４０６号の出願日の利益を主張するものであり、その開示を引用することにより本明細書の一部をなすものとする。
【背景技術】
【０００３】
ＴＥＴシステムは、人体の内部に埋め込まれたポンプ等のデバイスに電力を供給するために使用される。体外にある送電用コイルによって生成された電磁場が、皮膚（表皮（skin））バリアを横切って、体内に埋め込まれた受電用磁気コイルに送電することができる。その後、受電用コイルは、受電した電力を埋め込まれたポンプ又は他の内部デバイスに給電することができ、更には、電池を充電するように、人体に埋め込まれた１つ以上の電池に給電することができる。
【０００４】
ＴＥＴシステムによって提起される課題のうちの１つが、内部デバイスが連続して動作できるようにするだけの十分な電力を内部デバイスに与えることである。このために、ＴＥＴシステムは、内部デバイスを動作させるための電力を蓄積する埋込電池を含むことができる。しかしながら、埋込電池の供給量は限られており、頻繁に再充電することが必要な場合がある。さらに、又はその代わりに、ＴＥＴシステムは、内部デバイスの全電力需要を供給する外部ＴＥＴ電力ユニットを含むことができる。しかしながら、外部ＴＥＴ電力ユニットも、供給量が限られており、頻繁に再充電することが必要な場合がある。さらに、シャワーを浴びる、又は泳ぐ等の幾つかの活動は、外部ＴＥＴ電力ユニットを装着するのを妨げる場合がある。
【０００５】
外部ＴＥＴ電力ユニット及び埋込電池を定期的に再充電することは、内部デバイス（複数の場合もある）を有するユーザにとって不便である。通常、外部ＴＥＴ電力ユニットは、再充電するために、充電ステーションに差し込まれなければならない。ユーザは、ユニットを装着する前に、ユニットが十分に充電されるのを待たなければならない場合がある。代替的には、ユーザは、外部ＴＥＴ電力ユニット内の電池を、フル充電された電池と交換する場合がある。
【０００６】
それゆえ、ユーザにとって外部ＴＥＴ電力ユニット及び埋込電池の再充電をより便利にするために、現在のＴＥＴシステムを改善することが望ましい。
【発明の概要】
【０００７】
本開示の一態様は、ユーザに埋め込まれたデバイスにワイヤレスで電力を中継するためのモジュールを提供する。そのモジュールは、ユーザによって装着されるようになっている構造体と、第１の周波数において第１のワイヤレス送電を受電するように構成される受電器と、第１の周波数とは異なる第２の周波数において第２のワイヤレス送電を送電するように構成される送電器と、送電器及び受電器のそれぞれに電気的に結合され、第１のワイヤレス送電によって生成されたエネルギーを、第２のワイヤレス送電を生成するためのエネルギーに変換するように構成される周波数変換器とを含むことができる。受電器、送電器及び周波数変換器はそれぞれ、構造体上又は構造体内に配置することができる。幾つかの例では、第１の周波数及び第２の周波数は異なる周波数帯域に属する場合がある。他の例では、第１の周波数は第２の周波数の２倍より大きくすることができる。更なる例では、異なる距離に対してそれぞれの周波数が選択される場合があり、異なる媒質に対してそれぞれの周波数が選択される場合がある。
【０００８】
モジュールは、受電器のワイヤレス送電効率を判断し、上記判断に基づいて第１の周波数を動的に調整するように構成される制御回路を更に備えることができる。制御回路は、受電器における被測定ピーク信号に基づいてワイヤレス送電効率を判断することができる。モジュールは、追加的に、又は代替的に、受電器に電気的に結合される電池と、第１のワイヤレス送電によって生成されたエネルギーを電池に蓄積するか、第１のワイヤレス送電によって生成されたエネルギーを送電器に中継するか、又はその両方かを判断するための制御回路とを備えることができる。
【０００９】
モジュールの構造体はハウジングを含むことができ、受電器及び送電器はハウジング内に配置される。モジュールは、受電器がユーザに面しないハウジングの端部に配置され、送電器がユーザに面するハウジングの端部に配置されるように、ユーザによって装着されるようになっていることができる。
【００１０】
本開示の別の態様は、ユーザに埋め込まれたデバイスに電力を送達するための経皮エネルギー伝達システムを提供し、この経皮エネルギー伝達システムは、上記のモジュール等のモジュールを備え、モジュールに電磁的に結合可能であり、モジュールに第１のワイヤレス送電をワイヤレスで送電するように構成されるリモート電源と、ユーザ内に埋め込むようになっており、モジュールに誘導的に結合可能であり、埋込デバイスに電気的に結合可能であり、モジュールから第２のワイヤレス送電を受電するように構成される埋込受電器とを更に備える。このようなシステムはまた、モジュールに電気的に結合される外部電池を備えることができ、この外部電池は、第１のワイヤレス送電から受電されたエネルギーを蓄積するように、及び第２のワイヤレス送電を生成するために蓄積されたエネルギーを送電器に与えるように用いられる。このようなシステムは、埋込受電器に電気的に結合される埋込電池を更に備えることができ、この埋込電池は、第２のワイヤレス送電から受電されたエネルギーを蓄積するように、及びデバイスに電力を供給するために蓄積されたエネルギーを埋込デバイスに与えるように用いられる。埋込電池は、モジュールがユーザによって装着されるときにエネルギーを蓄積することができ、外部充電モジュールがユーザによって装着されないときに、埋込医療デバイスに電力を供給することができる。外部電池は、モジュールがリモート電源に電磁的に結合されるときにエネルギーを蓄積することができ、モジュールがリモート電源に電磁的に結合されないときに、蓄積されたエネルギーを送電器に与えることができる。
【００１１】
本開示の更なる態様は、電力をワイヤレスで中継するための装置を提供する。本装置は、受電器回路のそれぞれの共振周波数においてワイヤレス電力を受電するようになっている、複数の受電器回路と、選択された共振周波数においてワイヤレス電力を送電するようになっている送電器回路と、複数の周波数変換器とを備えることができる。各周波数変換器はそれぞれの受電器回路の出力と、送電器回路の入力とに電気的に結合することができ、それぞれの受電器回路において受電されたワイヤレス電力の周波数を、選択された周波数に変換するように構成することができる。幾つかの例では、各受電器回路は、異なる周波数においてワイヤレス電力を受電するようになっていることができる。本装置は、ワイヤレスエネルギーシステムに含まれる場合があり、ワイヤレスエネルギーシステムは複数のリモート送電器回路を更に含みうる。各リモート送電器回路は、装置の対応する受電器回路の共振周波数においてワイヤレス電力を生成し、送電するようになっていることができる。
【００１２】
本開示のまた更なる態様は、経皮エネルギー伝達システムを提供する。経皮エネルギー伝達システムは、埋込医療デバイスに電気的に結合可能な埋込ワイヤレス受電器と、埋込医療デバイスを動作させるのに十分な電力を生成するリモート電源と、リモート電源から埋込ワイヤレス受電器までの途中で電力を中継するように構成される１つ以上のワイヤレス電力中継装置とを有する。各装置は、第１の周波数において入射ワイヤレス送電を受電するようになっている受電器と、第２の周波数において出射ワイヤレス送電を送電するようになっている送電器と、送電器及び受電器に電気的に結合され、入射ワイヤレス送電によって生成されたエネルギーを、出射ワイヤレス送電を生成するためのエネルギーに変換するように構成される周波数変換器とを更に備えることができる。上流装置によって送電されるワイヤレス電力が、直列に電磁的に結合される下流装置において受電されるワイヤレス電力であるように、複数の装置を互いに直列に電磁的に結合することができる。埋込ワイヤレス受電器は更に、最も離れた下流ワイヤレス電力中継装置によって生成されたワイヤレス電力を受電するようになっていることができる。
【００１３】
システムの幾つかの例では、最も離れた下流ワイヤレス電力中継装置は受電器に電気的に結合される外部電池を備えることができる。外部電池は、（例えば、最も離れた下流ワイヤレス電力中継装置がそれぞれの上流装置に電磁的に結合されるときに）電荷を一時的に蓄積し、（例えば、最も離れた下流ワイヤレス電力中継装置がそれぞれの上流装置に電磁的に結合されないときに）上記蓄積された電荷を用いて、第２の周波数において送電器を駆動するための電力を生成するように用いることができる。同様に、埋込電池は、埋込ワイヤレス受電器に、及び埋込医療デバイスに電気的に結合し、（例えば、最も離れた下流ワイヤレス電力中継装置が埋込ワイヤレス受電器に動作可能に結合されるときに）電荷を一時的に蓄積し、（例えば、最も離れた下流ワイヤレス電力中継装置が埋込ワイヤレス受電器に動作可能に結合されないとき、最も離れた下流ワイヤレス電力中継装置がそれだけで埋込医療デバイスを動作させるのに十分な電力を生成しないとき等に）埋込医療デバイスを動作させるのに十分な電力を生成することができる。
【００１４】
本開示のまた更なる態様は、ユーザ内に埋め込まれたデバイスに電力をワイヤレスで中継する方法を提供し、本方法は、ユーザによって装着されるようになっている構造体を設けることと、構造体上又は構造体内に配置される受電器において、第１の周波数で第１のワイヤレス送電を受電することと、構造体上又は構造体内に配置される送電器から、第１の周波数とは異なる第２の周波数で第２のワイヤレス送電を送電することと、受電器及び送電器に電気的に結合され、構造体上又は構造体内に配置される周波数変換器において、第１のワイヤレス送電によって生成されたエネルギーを、第２のワイヤレス送電を生成するためのエネルギーに変換することとに関する。本方法の幾つかの例では、第１のワイヤレス送電は、第２のワイヤレス送電が送電される距離より長い距離にわたって送電することができる。また、本方法の幾つかの例では、第１のワイヤレス送電は、第２のワイヤレス送電が送電される媒質とは異なる媒質を通って送電することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態による、マルチバンドＴＥＴシステムのコンポーネントを示す概略的なブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態による、図１のマルチバンドＴＥＴシステムの外部モジュール及び埋込モジュールのそれぞれのコンポーネントを更に示す概略的なブロック図である。
【図３】本発明のまた更なる実施形態による、別のマルチバンドＴＥＴ中継システムのコンポーネントを更に示す概略的なブロック図である。
【図４】本発明の更なる実施形態による、マルチバンドＴＥＴ中継システムのコンポーネントを更に示す概略的なブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１及び図２は、人体の内部空洞内、すなわち、ユーザ１０４の皮下に埋め込まれた治療電気デバイス１０２に電力を供給するために用いられるマルチバンド経皮エネルギー伝達（ＴＥＴ）システム１００を概略的に示す。埋込電気デバイス１０２は、例えば、補助人工心臓（「ＶＡＤ」：ventricular assist device：心室補助装置）として血液を送り出す際等に使用するためのポンプを含むことができる。埋込電気デバイス１０２は、例えば、ポンプを制御する制御回路を含むことができる。
【００１７】
図１に示されるように、マルチバンドＴＥＴシステム１００は外部モジュール１１０を含み、外部モジュールは、一次電力コイル回路１１４と、関連する回路（図２に更に詳細に示される）と、外部モジュール１１０に電磁的に結合されるリモート電源１１２から電力をワイヤレスで受電するためのアンテナ１１１とを含む。外部モジュールコンポーネントは、ユーザ１０４に取付可能である（例えば、ユーザによって装着可能である）構造体内、又は構造体上に全て配置される。例えば、その構造体は、ユーザによって携行されるほど十分に小さいハウジング１１５を含むことができる。ハウジング１１５は、オプションで、ユーザによって装着されるベルトにハウジングを固定するように構成されるベルト通し、又はユーザの人体にハウジングを固定するためのストラップのような、ユーザにハウジングを取り付けるためのデバイスを備えることができる。代替的には、ハウジング１１５は、バンドル（bandle)、衣類又は接着剤のような外部デバイスによってユーザの人体に固定することができる。
【００１８】
ユーザ１０４の皮下に埋め込まれる内部モジュール１２０は、二次電力コイル回路１２４と、１つ以上のハウジング１２５内に配置される関連する回路と、埋込電気デバイス１０２に電力を供給するための出力ケーブルとを有する。誘導的で電磁的な結合によって、すなわち、一次コイル１１４及び二次コイル１２４に重なる磁界の相互作用を介して、電力が一次コイル１１４から二次コイル１２４に給電される。各コイルにかかる電圧は大きい場合があり、例えば、１００Ｖ〜４００Ｖのピークツーピーク電圧も珍しくない。表皮効果に起因する損失を低減するために、一次コイル１１４はリッツ線を用いて作製することができ、一次コイル１１４は、相対的に細い絶縁された線材の撚線又は金網から構成される。
【００１９】
外部モジュールと埋込モジュールとの間の給電を容易にするために、外部モジュール１１０のアンテナ１１１は、外部モジュールの「外部に」面する（すなわち、ユーザ１０４に面しない）側に配置することができ、一方、一次コイル１１４は、「内部に」面する側（すなわち、ユーザ１０４に面する）側に配置することができる。
【００２０】
外部モジュール１１０は更に、外部充電式電池１３０又は電荷蓄積装置（charge accumulator）に電気的に接続される。電池１３０は構造体内、若しくは構造体上に含むことができるか、又は構造体とは別にしておくことができる。外部電池は、リモート電源１１２に対するバックアップ電源としての役割を果たすことができる。例えば、電池１３０は、外部モジュール１１０への送電が遮断された場合に、又は埋込デバイス１０２の電力需要が変化した場合にワイヤレス電力を生成するために、モジュールの一次コイル１１４に電力を供給することができる。バックアップ外部電池１３０が十分に充電されたとき、ユーザはリモート電源１１２の範囲から自由に出ることができる。
【００２１】
埋込モジュール１２０は、埋込電気デバイス１０２に電力を供給するための充電式電池１２８又は電荷蓄積装置にも接続される。外部電池１３０の場合と同様に、そして後に更に詳細に説明されるように、埋込電池１２８は、リモート電源１１２から外部モジュール１１０への送電が遮断された場合に、又は外部モジュール１１０と埋込モジュール１２０との間の送電が遮断された場合に、又は電力需要が変化した場合に、バックアップとしての役割を果たすことができる。ユーザが入浴するとき、又は他の活動を実行するときに、埋込電池１２８をバックアップとして用いて、外部ＴＥＴモジュール１１０の接続を切ることができる。
【００２２】
図１の例では、ワイヤレス送電のための最適な周波数は、第１のステージ（すなわち、リモート電源１１２から外部モジュール１１０まで）と第２のステージ（すなわち、外部モジュール１１０から埋込モジュール１２０まで）との間で異なる場合がある。そのように最適な周波数が異なる１つの理由は、ワイヤレス給電のステージごとに距離が異なることによる場合がある。例えば、リモート電源１１２から給電される電力は、外部モジュール１１０まで数メートル（例えば、約１メートル〜約１０メートル）進むことができるのに対して、外部モジュール１１０と埋込モジュール１２０との間で給電される電力は数ミリメートル程度（例えば、約５ミリメートル〜約２００ミリメートル）進むことができる。最適な周波数が異なる別の理由は、ワイヤレス給電のステージごとに媒質が異なることによる場合がある。例えば、リモート電源１１２から給電される電力は建物又は他の構造物の１つの部屋から（例えば、木、コンクリート、乾式壁、石、空気等、又はその任意の組合せを通って）外部モジュール１１０まで進むことができるのに対して、外部モジュール１１０と埋込モジュール１２０との間で給電される電力は、空気及び／又は患者の皮膚のみを通って進むことができる。要するに、距離又は媒質いずれかの違いが、ワイヤレスで給電される最適な周波数に影響を及ぼす場合がある。
【００２３】
これらの違いに対応するために、アンテナ１１１は、選択された第１の周波数ｆ１においてワイヤレスエネルギーを受電することができるのに対して、マルチバンドＴＥＴシステム１００の一次コイル及び二次コイルはそれぞれ、選択された第２の周波数ｆ２においてワイヤレスエネルギーを給電及び受電することができる。場合によっては、第１の周波数及び第２の周波数は別々の周波数帯域に属する場合がある。本開示の場合、「周波数帯域」という用語は、米国アマチュア無線連盟（ＡＲＲＬ：American Radio Relay League）又は電気通信技術者協会（ＩＥＥＥ：Institute of Electrical and Electronics Engineers）によって規定されているような、所定の周波数範囲を指すことができる。「別々の」周波数帯域は、２つの重なり合わない所定の周波数範囲を指すことができる。幾つかの例では、別々の帯域のうちの１つの帯域の最も低い周波数は、他方の帯域の最も高い周波数の２倍より大きい場合がある。
【００２４】
中継されるワイヤレス電力の強度を最適化することは、中継される電力の強度及びユーザの安全性の両方を含む、幾つかの要因を考慮に入れることができる。例えば、図１のＴＥＴシステムの例におけるワイヤレス給電の第１のステージは、著しい距離（例えば、数メートル程度）を進行することができる。その場合に、第１のステージにおける周波数ｆ１は、進行する距離によって電力が悪影響を及ぼされないのを確実にするように選択することができる。更なる例の場合、ワイヤレス給電の最終ステージは、ユーザの皮膚及び組織を貫通して進行する。その場合、最終ステージにおける周波数ｆ２は、ユーザの健康（内臓器官）へのリスク、そして、例えば、一次コイル及び二次コイルが適切に位置合わせされない場合の過熱又は放射へのリスクを回避しながら、ユーザの皮膚表面の安全な透過を確保するように選択することができる。周波数ｆ１及びｆ２は無線周波数（ＲＦ）スペクトル内に入る場合があり、送電される電力に影響を与える特定の要因（例えば、送電要素及び受電要素の距離、相対的な向き等）によって、キロヘルツ（ｋＨｚ）程度からメガヘルツ（ＭＨｚ）程度に及ぶ場合がある。例えば、第１のステージにおける周波数ｆ１は、約１０ｋＨｚ〜約３０００ＭＨｚとすることができ、一方、第２のステージにおける周波数ｆ２は、約１０ｋＨｚ〜約５００ｋＨｚとすることができる。
【００２５】
図２は、図１のマルチバンドＴＥＴシステム１００の電気的コンポーネントを示す機能ブロック図である。本明細書において例示されるように、システム１００のリモート電源１１２は、電源２０２と、電源２０２及びリモートアンテナ１１３に電気的に結合されるワイヤレス送電器２０４とを含む。送電器２０４及びアンテナ１１３は、アンテナの誘導性要素及び直列抵抗に結合される１つ以上の容量性要素を有するタンク回路を形成する。ワイヤレス送電器２０４は、電源２０２から受電される電力を用いてリモートアンテナ１１３を駆動する。この駆動は、ワイヤレス電力が第１の周波数ｆ１でリモートアンテナ１１３から外部モジュール１１０のアンテナ１１１に送電されるように、容量性／誘導性の送電器／アンテナを同調させることによって決まる共振周波数ｆ１で共振させることを含む。
【００２６】
外部モジュール１１０は、アンテナ１１１に電気的に結合され、それによりタンク回路（リモート電源１１２のタンク回路に相当する）を形成するワイヤレス受電器２１２を含み、タンク回路は、リモート電源１１２によって送電されたワイヤレスエネルギーから、電磁的な結合によって電力を生成するように構成される。ワイヤレス受電器２１２によって生成される電力は、共振周波数ｆ１にある。幾つかの例では、第１の周波数ｆ１はワイヤレス給電の効率を最適化するために動的に調整することができる。効率は、アンテナ１１１とリモートアンテナ１１３との間の相対的な距離及び相対的な向き、並びにアンテナ１１１とリモートアンテナ１１３との間の１つ以上の媒質等の幾つかの要因によって影響を及ぼされる場合がある。ワイヤレス給電の効率を決定することは、受電器２１２において測定されたピーク信号に基づくことができ、受電器２１２における負荷の既知の特性に更に基づくことができる。そのような測定値及び既知の情報は、例えば、ＲＦテレメトリ信号を用いて、外部モジュール１１０とリモート電源１１２との間で中継することができる。
【００２７】
外部モジュールの関連する回路は、マイクロコントローラ２１４と、電力増幅器／ドライバ２１６と、周波数変換器２１８とを更に含む。周波数ｆ１においてワイヤレス送電器２０１から受電される電力は周波数変換器２１８において処理され、マイクロコントローラ２１４によって制御されるようなＴＥＴドライバ２１６によって埋込モジュール１２０に与えられる。周波数変換器は、周波数乗算器、逓倍器又は混合器を利用して、外部モジュール１１０において生成された電力の周波数をｆ１からｆ２に上げるか、又は下げることができる。周波数ｆ１及びｆ２は異なる周波数帯域に属する場合がある。
【００２８】
マイクロコントローラ２１４は、一次コイル１１４においてワイヤレス電力がそこから生成される１つ以上の電源を決定し、制御するように構成することもできる。一次コイル１１４は、リモート電源１１２、外部電池１３０、又はその両方から電力を供給される場合がある。例えば、外部モジュール１１０がリモート電源１１２に送受電可能に（communicatively）結合されるとき、マイクロコントローラ２１４は、リモート電源１１２から受電された電力を使用することに決めることができる。さらに、一次コイル１１４を駆動する際に使用されない任意の余分な電力は、代わりに外部電池１３０に蓄積することができる。リモート電源１１２が外部モジュール１１０に結合されないとき、又はピーク電力需要期間中に、マイクロコントローラ２１４は、外部電池１３０において蓄積された電荷を用いて、一次コイル１１４を駆動することに決めることができる。マイクロコントローラ２１４は、選択された電源から電流を転送するために１つ以上のスイッチを動作させることができる。マイクロコントローラ２１４は、リモート電源から一次コイル１１４及び外部電池１３０のいずれか、又は両方へのワイヤレス電力の転送を更に制御し、それにより、電池１３０の充電と、一次コイル１１４の駆動とを調整することができる。例えば、その開示全体が引用にすることにより本明細書の一部をなすものとする所有者共通の米国特許第８，６０８，６３５号は、埋込デバイスの通常動作中に埋込電池から電力が取り出されないように、埋込デバイスの瞬時電力需要に従って、外部モジュールから埋込モジュールへの電力の流れが厳密に計量されるＴＥＴシステムの動作方法を記載している。
【００２９】
一次コイル１１４の送電周波数は、埋込モジュール１２０の二次コイルへの送電を最適化するために、所望の送電周波数（例えば、図１及び図２の例では周波数ｆ２）にあらかじめ設定することができるか、又は幾つかの例では動的に設定することができる。マイクロコントローラ２１４は、ワイヤレス受電器２１２における受電エネルギーの周波数を所望の送電周波数ｆ２に動的に調整するために、周波数変換器２１８を制御できる場合がある。そのように所望の周波数ｆ２が動的に設定され、更新される例では、一次コイルと二次コイルとの間の電力最適化は、リモート電源と外部モジュールとの間の電力最適化と同様に、下流モジュール（現在の例では、埋込モジュール１２０）における被測定ピーク信号値と既知の負荷特性とに基づくことができ、上流モジュールのコントローラ（この場合には外部モジュール１１０のマイクロコントローラ２１４）がワイヤレス送電周波数を制御するように、ＲＦテレメトリを介して上流に伝達することができる。
【００３０】
埋込モジュール１２０は、ＴＥＴ受電器２２２と、受電器に電気的に結合されるマイクロコントローラ２２４とを含む。ＴＥＴ受電器２２２は、二次コイル１２４とともに、送電周波数ｆ２に設定された同調共振回路を形成する。二次コイル１２４は、一次コイル１１４と同様に、リッツ線を用いて作製することができる。受電器２２２は、アクティブスイッチング又はダイオードブリッジ等の、二次コイルにおける交流（「ＡＣ」）電圧を直流（「ＤＣ」）電圧に変換するための整流器回路（図示せず）を更に含む。ＴＥＴ受電器２２２から出力されるＤＣ電力は、マイクロコントローラ２２４、埋込電池１２８及び埋込電気デバイス１０２に供給される。埋込電気デバイス１０２は、ＶＡＤ血液ポンプ等の種々のデバイスのうちの１つ以上のものを含みうる。埋込電気デバイス１０２の電力需要は、埋込電池１２８が限られた時間（例えば、数時間、１日等）しかデバイスに電力を供給できないほどになる。そのような場合、埋込電池１２８は、埋込デバイスのための主電源としての役割を果たすのではなく、埋込モジュール１２０への送電が遮断された場合に、比較的短い期間だけ電力を供給するために用いられるバックアップ電源としての役割を果たす。例えば、埋込モジュール１２０は、シャワーを浴びる等のためにユーザが外部モジュール１１０を取り外すときに、電池電力に頼ることができる。
【００３１】
上記の例ではそれぞれ、埋込モジュールの二次コイル１２４において受電されるワイヤレス電力は、埋込デバイスに電力を供給するために直ちに使用することができるか、将来使用するために埋込電池１２８に一時的に蓄積することができるか、又はその両方である。したがって、電力のうちの或る量又は全てを埋込デバイス１２０に転送することができ、一方、残りの電力は埋込電池１２８に転送することができる。埋込マイクロコントローラ２２４は、受電したワイヤレス電力を使用するか又は蓄積するかを判断するように構成することができる。例えば、コントローラは、外部モジュール１１０がユーザ１０４によって装着されたときに、受電した電力を蓄積することに決めることができ、外部モジュール１１０がユーザ１０４から取り外されたときに、蓄積された電荷を用いて、埋込医療デバイス１０２に電力を供給することに決めることができる。外部モジュール１１０がユーザ１０４に装着されているか、ユーザから取り外されているかを判断することは、任意の電流が二次コイルに存在するか否かに基づいて判断することができる。
【００３２】
他の例では、ワイヤレス電力の蓄積及び／又は使用に関する制御は、埋込デバイスからの電力需要の変化によって決まる場合がある。例えば、埋込デバイスが付加的な電力バーストを必要とする場合には、コントローラ（外部コントローラ２１４又は埋込コントローラ２２４のいずれか）が、蓄積された電荷（外部電池又は埋込電池のいずれか）を用いて追加電力を与えることに決めることができる。そのような制御方法が、同一所有者の米国特許第８，６０８，６３５号に詳述されている。更なる事例では、温度センサが、埋込又は外部の電子的コンポーネントが非効率的に動作している（過負荷状態である、過熱状態である、位置合わせされていない）ことを示す場合には、コントローラは、ワイヤレス送電を少なくとも一時的に中止し、埋込電池１２８からのエネルギーを用いて埋込医療デバイス１０２を動作させ続けることに決めることができる。そのような判断は、ＴＥＴシステムのコンポーネント間の電気的な結合、送受電可能な結合、又は誘導的な結合に関係なく行うことができる。
【００３３】
外部モジュール１１０は、限定はしないが、熱センサ、過電圧保護（ＯＶＰ）回路、ＲＦテレメトリシステムを含む、図２には示されない更なるコンポーネントを含むことができる。これらのコンポーネント及びその動作は、同一所有者の米国特許第８，６０８，６３５号において更に詳述されている。
【００３４】
図１及び図２に示されるマルチバンドＴＥＴシステムは、２つのステージ、すなわちリモート電源１１２から外部モジュール１１０までの第１のステージ、及び外部モジュール１１０から埋込モジュール１２０までの第２のステージのみを含む。他のマルチバンドＴＥＴシステムは、電力をワイヤレスで給電／中継するための更なるステージを含むことができる。更なるステージは、互いに直列に、又は並列に構成される場合があるか、又は直列／並列接続の任意の組み合わせを含むことができる。
【００３５】
図３の例示的なマルチバンドＴＥＴシステム３００は、リモート電源３０５から外部モジュール３３０まで電力をワイヤレスで中継するために、ワイヤレスリピータとして幾つかのワイヤレス充電中継局３１０１〜３１０ｎを含む直列接続システムを示す。中継局３１０１〜３１０ｎは、上流から下流の順に互いに順次に送受電する。したがって、第１の中継局３１０１は、ワイヤレスで次の下流局３１０２に電力を渡し、同様に、最も離れた下流局３１０ｎまで電力を渡す。各中継局３１０１〜３１０ｎは、ワイヤレス電力を中継するための受電器アンテナ３２０１〜３２０ｎ及び送電器アンテナ３２５１〜３２５ｎと、受電した電力の周波数を後続の送電ステージのための新たな周波数に変換するための周波数変換器３１５１〜３１５ｎとを含む。各中継ステージの周波数は固定することができるか、又はシステム及び環境の既知の特性（例えば、各中継局間の近似的な距離及び／又は媒質）に基づいてあらかじめ設定することができる。代替的には、各中継局は、各送電器／受電器対間の距離、媒質及び／又は相対的な向き等の幾つかの要因に基づいて、中継される各ステージの周波数及び／又は周波数帯域を動的に制御するためのそれぞれの制御回路（図示せず）を含むことができる。所与の局の周波数変換器３１５１〜３１５ｎが、制御回路によって所定のステージの周波数を変更するように命令されるか、そのステージがどの周波数に変更されるかは、それらの要因によって決まる場合がある。そのような例において、下流中継局は、受電した電力を表すテレメトリ信号を送ることができ、上流中継局はこれらの信号を受信し、下流中継局によって受電された電力を最大化するために、送電パラメータを調整することができる。
【００３６】
直列マルチバンドＴＥＴ３００の動作は、外部リモート電源３０５が電力を生成し、第１の周波数ｆ１において第１のワイヤレス充電中継局３１０１にワイヤレスで送電することから開始する。第１のワイヤレス充電中継局３１０１は電力を受電し、その後、電力を第２の周波数ｆ２に変換し、その後、第２の周波数ｆ２における変換後の電力を第２のワイヤレス充電中継局３１０２に送電する。第１の局の場合と同様に、第２の局、そして、後続の局も、電力が外部モジュール３３０（周波数ｆｎ−１）において受電され、一次コイル及び二次コイル３３５／３３６を介して（周波数ｆｎにおいて）埋込モジュール３４０に中継されるまで、それぞれ電力を受電し、電力を異なる周波数に変換し、その電力を次の下流局に送電する。それにより、直列に接続される局の使用は、電力をワイヤレスで送電することができる全距離を長くする。
【００３７】
図１及び図２の例示的な実施形態と同様に、第２の周波数ｆ２は第１の周波数ｆ１とは異なる場合がある。同様に、各給電ステージは異なる周波数に設定される場合がある。代替的には、場合によって、給電ステージのうちの幾つか又は全ての周波数を同じとすることができ、各中継局がＴＥＴシステムのためのワイヤレス送電の全距離を長くする。
【００３８】
図４の例示的なマルチバンドＴＥＴシステムは、幾つかのワイヤレス充電中継局４１０１〜４１０ｎを含む、並列接続システムを示す。図３の例の場合と同様に、各局４１０１〜４１０ｎは、図３に関連して説明された類似のコンポーネントと同様の能力を有する、受電器アンテナ４２０１〜４２０ｎ、送電器アンテナ４２５１〜４２５ｎ、周波数変換器４１５１〜４１５ｎ、及び制御回路（図示せず）のそれぞれを含む。
【００３９】
並列マルチバンドＴＥＴ４００の動作は、外部電源４０５が電力を生成し、ワイヤレス充電中継局４１０１〜４１０ｎのそれぞれに第１の周波数ｆ１においてワイヤレスで送電することから開始する。各ワイヤレス充電中継局４１０１〜４１０ｎは、周波数ｆ１において送電された電力を受電し、その後、その電力を第２の周波数ｆ２に変換し、その後、その電力を第２の周波数ｆ２において外部モジュール４３０に送電し、外部モジュールはその電力を、一次コイル及び二次コイル４３５／４３６を介して第３の周波数ｆ３において埋込モジュール４４０に中継する。図３の例の場合と同様に、第１の周波数及び第２の周波数は同じであるか、又は異なる場合がある。外部モジュールの各受電器の電力を外部受電器において合成して、より大きな電力を埋込モジュールに与えることができる。それにより、並列に接続された充電局の使用は、中継局のいずれかによって取り扱われる電力量を増やすことなく、外部モジュールに送電することができる電力量を増やす。
【００４０】
ワイヤレス電力の並列中継の別の例では、外部モジュールは、それに結合される中継局ごとに別々の周波数変換器を含むことができる。そのような例では、外部モジュールは、各中継局が異なる共振周波数に設定される場合等、ワイヤレス電力を複数の周波数において受電できる場合がある。例えば、各中継局は、外部モジュールから異なる距離にある場合があるか、又は異なる媒質によって隔てられる場合があるか、又はその両方の場合がある。そのような場合に、外部モジュールの各受電器はそれぞれの周波数変換器の入力に電気的に結合されることになり、各周波数変換器は、受電した全ての電力を合成する前に、それぞれ受電したワイヤレス電力の周波数を共通の周波数に変更することになる。各受電器において受電されたワイヤレス電力を合成するために、外部モジュールは、受電した全ての電力を共通のＡＣ周波数に変換するように構成することができるか、又は受電した全ての電力をＤＣに変換し、変換後のＤＣ電力を用いて、外部モジュールの一次コイルを駆動するように構成することができる。
【００４１】
ワイヤレス電力の並列中継の更なる例では、各中継局は、別々の電源から電力を受電することができる。これにより、今度は、充電プロセスにおいて、より小型の電源を使用しながら、充電を改善できるようになる。
【００４２】
ワイヤレス電力の並列中継の更なる例では、１つ以上の外部電源が、異なる共振周波数において（例えば、少なくとも２つの異なる共振周波数において）電力を生成するように構成することができる。その後、電力は、それぞれの異なる周波数に同調した受電器を有する異なる並列中継局に中継することができる。同じ方針に従って、種々の並列中継局のそれぞれから中継された電力を受電するように、外部モジュールが複数の受電器を備えることもできる。そのような状況では、上記のように、外部モジュールは、それぞれが個々の受電器に結合される複数の周波数変換器を含むことができる。
【００４３】
並列中継の更なる例では、外部モジュール内に複数の受電器を含む代わりに、埋込モジュール自体が複数の受電器を備えることができる。そのような例では、埋込モジュールは、ユーザ内の複数の電源から受電された電力を合成する回路を更に備えることができる。それらの例では、埋込受電器において生成された全ての電力が、埋込電池に蓄積するために、及び／又は埋込医療デバイスを動作させるためにＤＣ電圧に整流されることになるので、電力を共通のＡＣ周波数に変換する必要はない。
【００４４】
幾つかの例では、並列システム及び直列システムを互いに組み合わせて用いることができる。ユーザが外部モジュールを装着したまま、部屋又は建物の一端から反対端まで歩行することになった場合等、外部モジュールが絶えずロケーション間を移動している場合であっても、電源から外部モジュールに効率的に給電するために、中継局は、当該技術分野において既知のインテリジェントスイッチング及び／又は適応技法に頼る。そのような技法は、局間で伝達される信号の周波数を変更すること、又は外部モジュールに効率的に送信するために、信号が中継される局（複数の場合もある）を変更することを含むことになる。つまり、上記の技法によれば、ユーザは、ユニットを取り外す必要も静止している必要もなく、外部モジュールを充電又は再充電できるようになる。簡単に言うと、本開示は、中継局が配置又は編成される態様に関して、又は任意の所与の局において受電され、及び／又は送電される特定の周波数（又は周波数帯域）によって制限されない。
【００４５】
上記の開示は、個別のモジュールを有し、各モジュールが一体構造（すなわち、ハウジング）内に全ての関連する回路を含む、ＴＥＴシステムを説明するが、本開示は、そのような一体構造を用いない場合であっても、ワイヤレス電力中継のための任意の装置に同様に適用可能であることは認識されよう。例えば、図１及び図２の外部モジュールは、異なる構造体内に含まれるか、又は異なる構造体に取り付けられる一次コイル、受電回路、周波数変換器、外部電池等を含むように構成されてもよい（例えば、一次コイルが患者の胸に装着され、外部電池が患者のベルトに固定される等）。同じことが埋込モジュールに関しても当てはまる。例えば、二次コイル、埋込マイクロコントローラ、整流器及び埋込電池はそれぞれ、任意の所望の組み合わせにおいて一緒に又は別々に収容されてもよい。
【００４６】
さらに、上記の開示は全体として埋込ＶＡＤを有するユーザにおいて使用するためのＴＥＴシステムを説明するが、本開示が、ワイヤレス電力送達の非経皮及び経皮ステージのそれぞれを有する任意のシステムに同様に適用可能であることは認識されよう。したがって、本開示は、任意の埋込デバイスを駆動するために同様に適用可能であり、任意の患者又は他の動物内に埋め込まれたデバイスを駆動するためにも適用可能である。
【００４７】
また更に、上記の開示は主に経皮ワイヤレス給電システムの進歩に取り組むが、本開示は、他のワイヤレス給電システムにおいて、より広範な適用例及び利点を有する場合があることが認識されるであろう。例えば、本開示の適用例は、実質的に更なる長さ（例えば、数センチメートルに対して数メートル、数ヤードに対して数マイル等）からなる複数のワイヤレス給電ステージを有する任意のシステム内で有益な場合がある。
【００４８】
本明細書中の発明は、特定の実施形態を参照して説明しているが、これらの実施形態は本発明の原理及び適用を例示するにすぎないものであることを理解されたい。したがって、添付の特許請求の範囲により規定されるように、本発明の趣旨及び範囲を逸脱することなく、実例となる実施形態に多数の修正を行うことができること、及び他の配置を考案することができることを理解されたい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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