УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЕСПРОВОДНОЙ ЧРЕСКОЖНОЙ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ
WIRELESS PERCUTANEOUS TRANSMISSION APPARATUS

Изобретение относится к области медицинской техники и может быть использовано для энергообеспечения имплантируемых медицинских приборов (ИМП), в том числе кардиостимуляторов, имплантируемых кардиостимуляторов/дефибрилляторов, систем вспомогательного кровообращения, кохлеарных имплантатов и других. Также изобретение может найти применение в тех областях техники, где возникает необходимость в беспроводной передаче энергии на небольшое расстояние.
При беспроводной чрескожной передаче энергии с помощью индуктивной связи формируемое внешней катушкой индуктивности переменное магнитное поле вызывает индукционный ток через приемную катушку, расположенную под слоем кожи. Электрическая энергия от приемной катушки передается имплантируемому медицинскому прибору. Важной проблемой, возникающей при беспроводной чрескожной передаче энергии, является проблема изменения параметров передачи энергии при изменениях взаимного положения приемной и передающей катушек из-за движений пациентов или изменения состояния ткани в области имплантации - нарастание и спадание послеоперационного отека. Уменьшение влияния смещений и, соответственно, повышение стабильности передачи энергии является актуальной задачей развития методов чрескожной беспроводной передачи энергии.
Одним из наиболее перспективных способов повышения стабильности передачи энергии является разработка устройств, позволяющих определять взаимное положение приемной и передающей катушек. Это позволяет скорректировать как положение внешней - передающей - катушки, так и параметры передачи энергии - частоту и мощность тока - в передающем контуре для поддержания необходимого уровня мощности тока в приемной части системы.
Известно устройство беспроводной чрескожной передачи энергии с помощью индуктивной связи, в котором приемная катушка соединена с детектором смещений, регистрирующим изменения взаимных положений приемной и передающей катушек по изменения магнитного потока через передающую катушку [1]. Также для устранения нежелательных эффектов, связанных со смещениями катушек, могут использоваться резонансные контуры с автоподстройкой частоты и высокоскоростной обратной связью [2, 3]. Существенным недостатком систем, использующих информацию о характеристиках индуктивной связи, является то, что такие устройства не позволяют точно определить взаимное положение передающей и принимающей катушек. Результатом измерений может быть только расстояние между центрами катушек, то есть величина смещения, но не его направление. Это затрудняет корректировку положения передающей катушки, а корректировка параметров работы системы без корректировки положения не позволяет достичь максимальной эффективности передачи энергии.
Другим способом повышения стабильности передачи энергии с помощью индуктивной связи является использование массива приемных и передающих катушек [4]. Крупным недостатком таких устройств является существенное усложнение хирургических процедур, необходимых для имплантации нескольких, а не одной, приемных катушек.
Наиболее близким к предлагаемому устройству передачи энергии с помощью индуктивной связи является устройство, в котором для точного взаимного позиционирования катушек используются постоянный магнит, встроенный в приемную катушку, и детектор магнитного поля, расположенный на оси передающей катушки [5]. При этом используется неферритный керамический магнит для того, чтобы минимизировать потери энергии. Недостатками устройства являются ограничения по рабочей частоте системы - для того, чтобы избежать помех в работе детектора магнитного поля, выбирают рабочие частоты не ниже 2 МГц, в то время как общепринятым является диапазон 100-500 КГц, обеспечивающий большую эффективность передачи энергии; и сравнительно низкая точность позиционирования катушек: детектор фиксирует смещения порядка 0,5-1 мм. Кроме того, такая система подвержена помехам со стороны источников переменного и постоянного магнитного поля.
Задача изобретения - повышение эффективности беспроводной чрескожной передачи энергии с помощью индуктивной связи.
Это достигается тем, что предлагаемое устройство для беспроводной чрескожной передачи энергии дополнительно содержит модуль беспроводного обмена данными между передающим и принимающим модулями, а модуль для определения взаимного положения приемной и передающей катушек содержит источник направленного оптического излучения и позиционно-чувствительный детектор оптического излучения. В качестве источника направленного оптического излучения может использоваться лазер, при этом ось источника направленного оптического излучения может быть перпендикулярна поверхности позиционно-чувствительного детектора оптического излучения. Источник направленного оптического излучения может находиться на оси катушки индуктивности в приемном или передающем модуле, а позиционно-чувствительный детектор оптического излучения может находится на оси катушки индуктивности в передающем или приемном модуле. Также источник направленного оптического излучения может находиться на фиксированном расстоянии от оси катушки индуктивности в приемном или передающем модуле (при этом указанные оси должны быть параллельны), а позиционно-чувствительный детектор оптического излучения может находится на фиксированном расстоянии от оси катушки индуктивности в передающем или приемном модуле (при этом указанная ось должна быть перпендикулярна поверхности позиционно-чувствительного детектора оптического излучения).
Поскольку оптическое излучение рассеивается кожей и подкожной тканью, позиционно-чувствительный детектор зарегистрирует пространственное распределение интенсивности узкого пучка, испущенного источником направленного оптического излучения. При этом максимум полученного распределения будет получен в точке пересечения оси источника излучения с поверхностью детектора. Зарегистрированное пространственное распределение будет передаваться во внешний блок управления с помощью устройства беспроводной передачи информации, включенного в имплантированную часть системы. По известным взаимным положениям источника излучения и передающей катушки, с одной стороны, приемника излучения и приемной катушки, с другой стороны, и по известному положению максимума пространственного распределения интенсивности излучения на детекторе можно определить взаимное положение передающей и приемной катушек. Полученную информацию можно использовать как для корректировки положения передающей (внешней) катушки, так и для корректировки параметров работы системы (частоты и мощности тока в передающей катушке) для поддержания необходимых параметров тока, генерируемого в приемной части системы.
Для определения углового смещения необходимо, чтобы ось источника излучения была перпендикулярна плоскости передающей катушки. В таком случае, если имеет место угловое смещение (плоскости приемной и передающей катушек не параллельны), то зарегистрированное позиционно-чувствительным детектором пространственное распределение будет асимметричным относительно максимума полученного распределения. А именно, в ячейках, находящихся на одинаковом расстоянии от ячейки, в которой зарегистрирован максимум излучения, будут зарегистрированы различные значения интенсивности излучения (в отличие от случая, когда плоскости катушек параллельны). При этом необходимо корректировать положение передающей катушки и источник излучения до тех пор, пока полученное на позиционно-чувствительном детекторе пространственное распределение интенсивности не станет симметричным относительно максимума.
Еще одним существенным преимуществом предлагаемого устройства является возможность использования рабочего диапазона частот 100-500 кГц. В прототипе использование рабочих частот ниже 2 МГц невозможно, поскольку это приводит к помехам в работе датчика постоянного магнитного поля и дополнительным потерям энергии в постоянном магните, использующемся для определения положения приемной катушки. Оптически канал не подвержен помехам со стороны источников радиочастотного излучения. Таким образом, применение в предлагаемом устройстве источника направленного оптического излучения и позиционно-чувствительного детектора оптического излучения позволяет использовать даипазон частот 100-500 кГц. Между тем, как показывают экспериментальные исследования, указанный диапазон частот является оптимальным с точки зрения эффективности передачи энергии [6].
На фиг.1 изображен вариант предлагаемого устройства, где
1 - катушка индуктивности в передающем модуле;
2 - катушка индуктивности в принимающем модуле;
3 - источник направленного оптического излучения;
4 - источник энергии;
5 - внешний блок управления;
6 - позиционно-чувствительный детектор оптического излучения;
7 - модуль беспроводного обмена данными;
8 - нагрузка.
На фиг.2 приведена схема распространения излучения для идеального - соосного - положения приемной и передающей катушек (А) и при смещении катушек (Б). Смещение катушек приводит к смещению максимума рассеянного пика.
На фиг.3 приведено сечение расчетного пространственного распределения интенсивности тонкого пучка оптического излучения, прошедшего через слой толщиной 5 мм с коэффициентом рассеяния 2 1/мм и коэффициентом поглощения 0,002 1/мм.
Точность измерения смещений в предлагаемом устройстве зависит от чувствительности и размеров ячейки позиционно-чувствительного детектора. Сечение расчетного пространственного распределения интенсивности излучения, прошедшего через рассеивающий слой с оптическими характеристиками, соответствующими оптическим характеристиками кожи [7], приведено на фиг.3. Расчет выполнен с помощью уточненной диффузионной модели. При указанных параметрах рассеивающего слоя падение интенсивности излучения составляет от 5% до 15% при увеличении расстояния от центра распределения на 0,5 мм. Таким образом, даже сравнительно низкая чувствительность детектора, регистрирующего изменения порядка 5%, позволит определять линейные смещения с точностью 0,5 мм, что превосходит возможности прототипа. В идеальном случае точность определения смещений лимитируется размером ячеек позиционно-чувствительных детекторов, то есть может достигать значений порядка 1 мкм.
Источники информации
1. Патент США 5'690'693.
2. Патент США 5'995'874.
3. Dissanayake Т., Budget D., Ни А.Р., Malpas S., Bennet L., Transcutaneous Energy Transfer System for Powering Implantable Biomedical Devices // Proc. of ICBME 2008, 2009, 23. - pp.235-239.
4. Патент США 6'058'330.
5. Патент США 5'314'453 - прототип.
6. А.А. Данилов, Г.П. Иткин, СВ. Селищев. Развитие методов чрескожного беспроводного энергообеспечения имплантируемых систем вспомогательного кровообращения // Медицинская техника, 2010. №4 (262), с.8-15.
7. Данилов А. А., Маслобоев Ю.П., Терещенко С.А., Титенок С.А. Моделирование чрескожной беспроводной передачи энергии с помощью инфракрасного излучения // Медицинская техника, 2011, №6 (270). - с.18-21.