多頻帶無線電力系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用于將電力無線中繼至植入用戶（104）體內裝置的模塊（110）。該模塊可以包括適于由用戶佩戴的結構（115）、配置為以第一頻率接收第一無線電力傳輸?shù)慕邮掌鳎?12）、配置為以不同于第一頻率的第二頻率發(fā)送第二無線電力傳輸?shù)陌l(fā)射器（216）以及配置成將第一無線電力傳輸所產生的電能轉換成用于產生第二無線電力傳輸?shù)碾娔艿念l率變換器（218）。所述接收器、發(fā)射器和頻率變換器中的每一個都設置在所述結構上或所述結構內。
【專利說明】多頻帶無線電力系統(tǒng)
[0001]相關申請的交叉引用
本申請要求2013年8月19日提交的美國臨時專利申請N0.61/867406的申請日的權益，其公開內容通過引用并入本文。
【背景技術】
[0002]本發(fā)明涉及一種經皮電能傳遞(TET)系統(tǒng)，更具體地，涉及用于在TET系統(tǒng)內無線傳遞或中繼電能的裝置，以及操作該系統(tǒng)和/或裝置的方法。
[0003]TET系統(tǒng)用于將電力提供給植入在人體內的裝置(例如栗)。由人體外部的發(fā)射線圈產生的電磁場可以穿過體表(皮膚)屏障而將電力傳輸?shù)街踩肷眢w內的磁性接收線圈。然后該接收線圈可以將接收到的電力傳遞到植入式栗或其它內部裝置，并傳遞至植入身體內的一個或多個電池，以便給電池充電。
[0004]TET系統(tǒng)所面臨的一個挑戰(zhàn)是提供足夠的電力給內部裝置，以使內部裝置能夠連續(xù)運轉。為了這個目的，該TET系統(tǒng)可包括植入式電池，以存儲用于使內部裝置運轉的電能。然而，植入式電池所供應的電能是有限的，并且可能需要頻繁地充電。作為替代方案或附加方案，TET系統(tǒng)也可包括外部TET電力單元，以供應內部裝置的所有電能需求。但是，外部TET電力源單元的供給也還是有限的，并且也可能需要定期充電。此外，如淋浴或者游泳這樣的活動也可能會妨礙外部TET電力單元的佩戴。
[0005]外部TET電力源單元以及植入式電池的頻繁充電給攜帶內部裝置的用戶帶來了不便。通常，外部TET電力單元必須插入充電站以進行充電。用戶可能需要等待該單元充入足夠的電后才能佩戴該單元?；蛘?，用戶可以用充滿電的電池替換外部TET電力單元的電池。
[0006]因此需要改善目前的TET系統(tǒng)，以使得用戶能夠更方便地對外部TET電力單元和植入式電池進行充電。

【發(fā)明內容】

[0007]本發(fā)明的一個方面提供了用于向植入用戶體內的裝置無線中繼電力的模塊。該模塊可以包括適于由用戶佩戴的結構、配置為以第一頻率接收第一無線電力傳輸?shù)慕邮掌?、配置為以不同于第一頻率的第二頻率發(fā)送第二無線電力傳輸?shù)陌l(fā)射器以及電耦合于發(fā)射器和接收器中的每一個并配置成將第一無線電力傳輸所產生的電能轉換成用于產生第二無線電力傳輸?shù)碾娔艿念l率變換器。所述接收器、發(fā)射器和頻率變換器中的每一個都設置在所述結構上或所述結構內。在一些實施例中，第一頻率和第二頻率可以屬于不同的頻段。在其它實施例中，第一頻率可以大于第二頻率的兩倍。在另一些實施例中，各頻率可選擇為用于不同的距離，且可選擇為用于不同的媒介。
[0008]該模塊還可以包括一個控制電路，其配置為測定所述接收器的無線電力傳輸效率以及基于所述測定而動態(tài)調整所述第一頻率。所述控制電路可以基于在所述接收器測得的峰值信號來確定無線電力傳輸效率。作為附加方案或替代方案，該模塊還可以包括電池以及控制電路，所述電池電耦合至所述接收器，所述控制電路用于確定是否將所述第一無線電力傳輸所產生的電能存儲于所述電池和/或用于確定是否將所述第一無線電力傳輸所產生的電能中繼至所述發(fā)射器。
[0009]在模塊的結構可以包括外殼，接收器和發(fā)射器設置在外殼內。該模塊適于由用戶佩戴，使得所述接收器設置在所述外殼背離用戶的一端，所述發(fā)射器設置在所述外殼面朝用戶的一端。
[0010]本發(fā)明的另一個方面提供了一種用于傳遞電能至植入用戶體內的裝置的經皮電能傳遞系統(tǒng)，其包括如上所述的模塊，并且還包括一個能夠電磁地耦合至所述模塊并且配置成無線地發(fā)送第一無線電力傳輸至所述模塊的遠程電力源，以及適于植入用戶體內的植入式接收器，其能夠電感耦合至所述模塊且能夠電耦合至植入式裝置，并且配置為從所述模塊接收所述第二無線電力傳輸。這樣的系統(tǒng)還可以包括電耦合至所述模塊的外部電池，所述外部電池用于存儲從所述第一無線電力傳輸接收的電能，并提供所存儲的電能至所述發(fā)射器以產生所述第二無線電力傳輸。這樣的系統(tǒng)還可以包括電耦合至所述植入式接收器的植入式電池，所述植入式電池用于存儲從所述第二無線電力傳輸接收的電能，并提供所存儲的電能至所述植入式裝置，以便為該裝置進行供電。當所述模塊由所述用戶佩戴時，所述植入式電池可以存儲電能，并且在所述外部充電模塊沒有被所述用戶佩戴時可以對所述植入式醫(yī)療裝置進行供電。當所述模塊電磁耦合至所述遠程電力源時，所述外部電池可以存儲電能，并且在所述模塊沒有電磁耦合至所述遠程電力源時，可以將所存儲的電能提供給所述發(fā)射器。
[0011]本發(fā)明的再一個方面提供了用于無線中繼電力的裝置，具有適于以接收器電路的各自諧振頻率接收無線電力的多個接收器電路，適于以選定的諧振頻率發(fā)射無線電力的發(fā)射器電路，以及多個頻率變換器。每個頻率變換器可電耦合至相應的接收器電路的輸出端和發(fā)射器電路的輸入端，并且配置為在相應的接收器電路將接收到的無線電力的頻率轉換為所選定的頻率。在一些實施例中，每個接收器電路可適于以不同的頻率來接收無線電力。該裝置可以包括在無線電能傳輸系統(tǒng)中，該系統(tǒng)可進一步包括多個遠程發(fā)射器電路。每個遠程發(fā)射器電路可適于產生并以所述裝置的相應接收器電路的諧振頻率來發(fā)射無線電力。
[0012]本發(fā)明的又一個方面提供了經皮電能傳遞系統(tǒng)，包括可電耦合至植入式醫(yī)療裝置的植入式無線電力接收器、能產生足以使所述植入式醫(yī)療裝置工作的電力遠程電力源、配置成將電力從所述遠程電力源在途中中繼至所述植入式無線電力接收器的一個或多個無線電力中繼裝置。每個裝置還可以包括適于以第一頻率接收輸入的無線電力傳輸?shù)慕邮掌?、適于以第二頻率發(fā)射輸出的無線電力傳輸?shù)陌l(fā)射器以及電耦合至所述發(fā)射器和所述接收器的頻率變換器，其配置成將所述輸入的無線電力傳輸所產生的電能轉換成用于產生所述輸出的無線傳輸?shù)碾娔?。多個裝置彼此串行地電磁耦合，使得由上游裝置所發(fā)射的無線電力為串行地電磁耦合的下游裝置所接收到的無線電力。植入式無線電力接收器還可以適于接收由最下游的無線電力中繼裝置所產生的無線電力。
[0013]在該系統(tǒng)的一些實施例中，其中所述最下游的無線電力中繼裝置還包括電耦合至所述接收器的外部電池，所述外部電池可以用于:暫時存儲電量(例如，當所述最下游的無線電力中繼裝置電磁耦合至相應的上游裝置時)和使用所述存儲電量以產生用于以所述第二頻率驅動所述發(fā)射器的電力(例如，當所述最下游的無線電力中繼裝置沒有電磁耦合至相應的上游裝置時)。類似地，植入式電池可以電耦合至所述植入式無線電力接收器和所述植入式醫(yī)療裝置，該植入式電池用于臨時存儲電量(例如，當所述最下游的無線電力中繼裝置可操作地耦合至所述植入式無線電力接收器時)和產生用于使所述植入式醫(yī)療裝置工作的足夠電力(例如，當所述最下游的無線電力中繼裝置沒有可操作地耦合至所述植入式無線電力接收器，或者當所述最下游的無線電力中繼裝置自身沒有產生使所述植入式醫(yī)療裝置工作的足夠電力時)。
[0014]本發(fā)明的另一個方面還提供了將電力無線中繼至植入用戶體內的裝置的方法，包括:提供適于由用戶佩戴的結構，由設置在所述結構上或其內部的接收器以第一頻率接收第一無線電力傳輸，從設置在所述結構上或其內部的發(fā)射器以不同于第一頻率的第二頻率發(fā)送第二無線電力傳輸，由頻率變換器將所述第一無線電力傳輸所產生的電能轉換成用于產生所述第二無線電力傳輸?shù)碾娔埽鲱l率變換器電耦合至所述接收器和所述發(fā)射器，并且設置在所述結構上或其內部。在該方法的一些實施例中，所述第一無線電力傳輸?shù)膫鬏斁嚯x大于所述第二無線電力傳輸?shù)膫鬏斁嚯x。此外，在該方法的一些實施例中，所述第一無線電力傳輸?shù)膫鬏斆浇榕c所述第二無線電力傳輸?shù)膫鬏斆浇椴幌嗤?br>【附圖說明】
[0015]圖1是示出根據(jù)本發(fā)明一種實施方式的多頻帶TET系統(tǒng)的組件的方框原理圖。
[0016]圖2是進一步示出根據(jù)本發(fā)明一種實施方式的圖1所示多頻帶TET系統(tǒng)的每個外部和植入式模塊的組件的方框原理圖。
[0017]圖3是進一步示出根據(jù)本發(fā)明另一實施例的多頻帶TET中繼系統(tǒng)的組件的方框原理圖。
[0018]圖4是進一步示出根據(jù)本發(fā)明再一實施例的多頻帶TET中繼系統(tǒng)的組件的方框原理圖。
【具體實施方式】
[0019]圖1和圖2示意性地示出了多頻帶經皮電能傳遞(TET)系統(tǒng)100，其用于將電力供應至身體內部腔體(即用戶104的皮膚下方)中植入的治療性電氣裝置102。該植入式電氣裝置102可以包括栗，例如作為心室輔助設備(“VAD”)而栗送血液的栗。該植入式電氣裝置102可以包括例如用于控制栗的控制電路。
[0020]如圖1所示，該多頻帶TET系統(tǒng)100包括具有初級電力源線圈電路114的外部模塊110，關聯(lián)電路(更詳細地顯示于圖2)和用于從電磁耦合至外部模塊110的遠程電力源112無線地接收電能的天線111。外部模塊組件均設置在可安裝到用戶104身上(例如可由用戶佩戴)的結構上或其內部。例如，該結構可以包括外殼115，其足夠小以便由用戶攜帶。視情況需要，外殼115可配備有將其固定到用戶身體上的裝置，例如，適于將外殼固定到用戶佩戴的皮帶上的皮帶環(huán)，或將其固定于用戶身體的束帶?；蛘?，外殼115可通過例如綁帶、衣物或粘合劑等外部裝置而固定到用戶身體。
[0021]植入用戶104皮下的內部模塊120具有次級電力源線圈電路124、設置在一個或多個外殼125內的關聯(lián)電路和用于向植入式電氣裝置102供電的輸出電纜。電力通過電磁感應耦合(即通過與初級線圈114和次級線圈124重疊的磁場的相互作用)而從初級線圈114傳遞到次級線圈124。穿過每個線圈的電壓可以是大的，例如，100伏至400的峰間電壓并不少見。為了減少由于集膚效應(skin effect)的損耗，初級線圈114可以使用利茲線(Litz wire)來制造，其中，所述初級線圈114是由扭曲或編織在一起的相對較細的絕緣線構成。
[0022]為了便于外部模塊和植入式模塊之間的電力傳輸，外部模塊110的天線111可設置在外部模塊的朝向“外部”側(即，遠離用戶104)，而初級線圈114可設置在朝向“內部”側(即，面朝用戶104)。
[0023]外部模塊110還電連接到外部可充電電池130或電荷存儲器。電池130可包括在該結構內部或在結構上，或者也可以與該結構保持分離。該外部電池可用作遠程電力源112的備用電力源，例如，當提供給外部模塊110的電力供應一旦中斷或者植入式裝置102的電力需求發(fā)生變化的時候，該電池130可以將電力提供給模塊的初級線圈114以形成無線電力傳輸。當備用的外部電池130被充分充電時，用戶可以自由地尚開遠程電力源112的范圍。
[0024]該植入式模塊120還連接到可充電電池128或電荷存儲器，以便向植入式電氣裝置102進行供電。正如外部電池130—樣，且如以下更詳細描述的那樣，當從遠程電力源112到外部模塊110的電力傳輸一旦中斷、或外部模塊110與植入式模塊120之間的電力傳輸一旦中斷、或者電力需求發(fā)生變化的時候，植入式電池128可以充當備用電力源。當植入式電池128用作備用電力源時，外部TET模塊110可在用戶洗澡或執(zhí)行其他活動時斷開。
[0025]在圖1的例子中，用于無線電力傳輸?shù)淖罴杨l率在第一階段(S卩，從遠程電力源112到外部模塊110)和第二階段(S卩，從外部模塊110到植入式模塊120)之間可以有所不同。造成這樣的不同最佳頻率的一個原因可能在于每個階段的無線電力傳輸?shù)木嚯x不同。例如，電力從遠程電力源112傳遞到外部模塊110可能需要經過若干米(例如，約I米至約10米之間)，而電力在外部模塊110與植入式模塊120之間傳遞的距離可能只有若干毫米(例如，約5毫米至約200毫米之間)。造成這樣的不同最佳頻率的另一個原因可能在于每個階段的無線電力傳輸介質的差異。例如，從遠程電力源112至外部模塊110的電力傳遞可以經由建筑物的房間或其它結構(例如，通過木材、混凝土、石膏板、巖石、空氣等，或上述的任意組合)，而電力在外部模塊110與植入式模塊120之間可能僅通過空氣和/或患者的皮膚進行傳遞?？偠灾嚯x或介質的變化都可能會影響電力無線傳輸?shù)淖罴杨l率。
[0026]為了適應這些變化，天線111可在選定的第一頻率fI接收無線電能，而多頻帶TET系統(tǒng)100的初級和次級線圈可在選定的第二頻率f2分別傳遞和接收無線電能。在某些情況下，第一頻率和第二頻率可以分別屬于單獨的頻帶。出于本發(fā)明的公開目的，術語“頻帶”可以是指預定的頻率范圍，例如由美國無線電中繼聯(lián)盟(ARRL)或者電氣與電子工程師學會(IEEE)中所規(guī)定的?！皢为毜摹鳖l帶可以是指非重疊的兩個預定的頻率范圍。在一些實施例中，其中一個單獨頻帶中的最低頻率可以比另一個頻帶的最高頻率的兩倍還要大。
[0027]在對無線電力中繼的強度進行優(yōu)化時可能需要考慮幾個因素，包括中繼的電力的強度以及該用戶的安全。例如，在圖1的TET系統(tǒng)的例子中的無線電力傳輸?shù)牡谝浑A段可以經過相當長的距離(例如大約數(shù)米)。這樣，在第一階段的頻率fi可以選擇為確保電力不會受到傳輸距離的不利影響。在進一步的例子中，無線電力傳輸?shù)淖詈箅A段穿過用戶的皮膚和組織。這樣，最后階段的頻率f2可選擇為確保安全穿透用戶的皮膚表面，同時避免對用戶健康(內臟)造成風險，以及避免例如因初級和次級線圈沒有適當?shù)匦识a生的過熱或輻射。頻率fjPf2可以落在無線電頻率(RF)頻譜內，并且可以根據(jù)影響電力傳輸?shù)奶囟ㄒ蛩?例如，距離、發(fā)送和接收元件的相對取向)而在千赫(kHz)的量級與兆赫(MHz)的量級之間的范圍內取值。例如，在第一階段的頻率fI可以是大約10千赫至大約3000兆赫之間，而在第二階段的頻率f2可以是大約10千赫至約500千赫之間。
[0028]圖2是用于說明圖1所示的多頻帶TET系統(tǒng)100中的電氣組件的原理框圖。如圖所示，系統(tǒng)100的遠程電力源112包括電力源202和電耦合至電力源202和遠程天線113的無線電力發(fā)射器204。該發(fā)射器204和天線113形成諧振電路，該諧振電路具有耦合至所述天線的電感元件和串聯(lián)電阻的一個或多個電容元件。利用從電力源202接收到的電力，無線電力發(fā)射器204驅動遠程天線113，它包括，以由發(fā)射器/天線的調諧電容/電感特性所決定的諧振頻率匕進行諧振，使得無線電力以第一頻率fl從遠程天線113發(fā)送到外部模塊110的天線
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[0029]外部模塊110包括電耦合至天線111的無線電力接收器212，從而形成一個諧振電路(類似于遠程電力源112的諧振電路)，其適于將遠程電力源112發(fā)送的無線電能通過電磁耦合的方式產生電力。由無線電力接收器212產生的電力工作在諧振頻率。在一些實施例中，第一頻率可以進行動態(tài)調整，以優(yōu)化無線電力傳輸?shù)男省Ｐ士赡苁艿綆追矫嬉蛩赜绊?，諸如天線111與遠程天線113之間的相對距離和相對方位，以及天線111與遠程天線113之間的介質或媒介。對無線電能傳輸?shù)男实拇_定可基于在接收器212所測得的峰值信號，并且可以進一步基于在接收器212上的負載的已知特性。這樣的測量值和已知信息可以在外部模塊110與遠程電力源112之間例如通過RF遙測信號進行中繼。
[0030]外部模塊的關聯(lián)電路進一步包括微控制器214，功率放大器/驅動器216，以及頻率變換器218。以頻率從無線發(fā)射器201接收的電力由頻率變換器218進行處理，并通過由微控制器214控制的TET驅動器216提供給植入式模塊120。該頻率變換器可利用頻率倍增器、倍頻器或混頻器來提高或降低在外部模塊110產生的電力的頻率，使頻率從f ^變成f2。頻率&和&可以屬于不同的頻段。
[0031]微控制器214也可以配置成確定和控制在初級線圈114上產生無線電力的電力源。初級線圈114可以由遠程電力源112或外部電池130進行供電，或者由兩者進行供電。例如，當外部模塊110可通信地耦合至遠程電力源112，微控制器214可確定使用從遠程電力源112接收到的電力。另外，任何沒有用于驅動初級線圈114的額外的電力可以存儲在外部電池130內。當遠程電力源112未連接到外部模塊110或者在電力需求高峰時段，微控制器214可確定使用存儲在外部電池130的電量來驅動初級線圈114。微控制器214可以操作一個或多個開關來從選定的電力源引導電流的路徑。微控制器214還可以控制無線電力從遠程電力源到初級線圈114和/或外部電池130的路徑，從而使電池130的充電與初級線圈114的驅動相協(xié)調。例如，共同擁有的美國專利8608635(其公開內容在此全部并入本文)描述了一種TET系統(tǒng)的工作方法，其中從外部模塊流動到植入式模塊的電力根據(jù)植入式裝置的瞬時電力需求進行精確地計量，使得在植入式裝置正常工作期間，不會從植入式電池抽取電量。
[0032]初級線圈114的傳輸頻率可以預設為或者(在一些實施例中)動態(tài)地設置為所需的傳輸頻率(圖1和圖2例子中的頻率f2)，以優(yōu)化到植入式模塊120的次級線圈的電力傳輸。微控制器214可以能夠控制頻率變換器218，以便將無線電力接收器212所接收的電能的頻率動態(tài)調整至所需的傳輸頻率f2。在對所需頻率f2進行動態(tài)設置和更新的這些實施例中，初級線圈與次級線圈之間的功率優(yōu)化，正如遠程電力源與外部模塊之間的功率優(yōu)化一樣，可以基于測得的峰值信號值和下游模塊(在本實施例當中為植入式模塊120)的已知負載特性，并且可以通過RF遙測與上游連通，使上游模塊的控制器(在本實施例當中為外部模塊110的微控制器214 )控制無線電力傳輸頻率。
[0033]植入式模塊120包括TET接收器222和電耦合至該接收器的微控制器224JET接收器222與次級線圈124—起形成一個設定為發(fā)射頻率f2的調諧的諧振電路。與初級線圈114類似，次級線圈124可以使用利茲線制成。TET接收器222還包括整流電路(未示出)，諸如有源開關或二極管電橋，用于將次級線圈的交流(“AC1’)電壓轉成直流(“DC1’)電壓。從TET接收器222輸出的直流電能提供給微控制器224、植入式電池128和植入式電氣裝置102。植入式電氣裝置102可以包括一個或多個的各種設備，諸如VAD血栗。植入式電氣裝置102的電力需求為使得植入式電池128只能在有限的時間(例如幾個小時，一天，等等)內給該裝置供電。在這種情況下，植入式電池128不作為植入式裝置的主電源，而只是作為備用電源，用于在傳送到植入式模塊120的電力中斷的情況下，在相對短的時間段內提供電力。例如，在用戶為了洗澡而取下外部模塊110的時候，植入式模塊120可以依靠電池進行供電。
[0034]在上述各實施例中，在植入式模塊的次級線圈124接收的無線電力可以立即用于給植入式裝置供電，或者臨時存儲在植入式電池128內以供將來使用，或者兩種情況兼具。因此，部分或全部的電力可以傳送到植入式裝置102，而剩余的電力可以傳送到植入式電池128。植入式微控制器224可以配置為確定是否使用或存儲接收到的無線電力。例如，該控制器可以在用戶104佩戴外部模塊110時確定存儲接收到的電力，并且在外部模塊110從用戶104身上取下時使用所存儲的電量向植入式醫(yī)療裝置102供電?？梢曰诖渭壘€圈上是否存在電流來確定外部模塊110是否正由用戶104佩戴或者已從用戶104身上取下。
[0035]在其它實施例中，對于無線電力的存儲和/或使用的控制可以由植入式裝置的電力需求的變化來決定。例如，如果植入式裝置需要額外增加的電力時，控制器(無論是外部控制器214或植入式控制器224)可確定使用存儲的電量(外部電池或植入式電池)來提供額外的電力。這些控制方法詳細描述于共同擁有的美國專利8608635。進一步舉例來說，如果溫度傳感器指示植入式或外部電子元器件工作效率低下(超載、過熱、沒有校準)，則控制器可確定至少暫時停止無線電力傳輸并繼續(xù)使用植入式電池128的電能來使植入式醫(yī)療裝置102工作。進行這樣的確定可以不考慮TET系統(tǒng)的組件之間的電耦合、通信耦合或電感耦合。
[0036]外部模塊110可包括未在圖2中示出的額外組件，包括但不限于熱傳感器、過電壓保護(OVP)電路，和射頻遙測系統(tǒng)。這些組件和它們的工作原理在共同擁有的美國專利8608635中有更詳細的描述。
[0037]在圖1和圖2中示出的多頻帶TET系統(tǒng)僅包括兩個階段:從遠程電力源112到外部模塊110的第一階段；以及從外部模塊110到植入式模塊120的第二階段。其它的多頻帶TET系統(tǒng)可以包括用于無線電力傳遞/中繼的附加階段。附加的階段可以配置為彼此串聯(lián)或并聯(lián)，或者可以包括串行/并行連接的任意組合。
[0038]如圖3所示的多頻帶TET系統(tǒng)300的實施例示出了串行連接的系統(tǒng)，其包括作為無線中繼器的數(shù)個無線充電中繼站31(h-310n，用于將來自于遠程電力源305的電力無線地中繼至外部模塊330。中繼站310ι-310η沿上游至下游的順序彼此串行地連接。這樣，第一中繼站31(h將電力無線地傳送給其后的下游站3102，并依此傳送至最遠的下游站310n。每個中繼站3101-310?包括用于中繼無線電力的接收器天線32(h-320n和發(fā)射器天線SSS1-SSSn，以及用于將接收到的電力的頻率轉換為新的頻率以用于傳輸?shù)暮罄m(xù)階段的頻率變換器315ρ315n。每個中繼階段的頻率可以是固定的或基于系統(tǒng)與環(huán)境的已知特性(例如，每個中繼站之間的大致距離和/或媒介)而預先設置?；蛘?，每個中繼站可包括各自的控制電路(未示出)，以基于某些因素(例如每個相應的發(fā)射器/接收器對組之間的距離、介質和/或相對方位)動態(tài)地控制各中繼階段的頻率和/或頻帶。是否由控制電路指示一個給定站的頻率變換器SiS1HSn以改變一個給定階段的頻率，以及該階段改變成什么頻率，也可能取決于這些因素。在這樣的例子中，一個下游中繼站可以發(fā)送代表接收到的電力的遙測信號，而上游中繼站可以接收這些信號并調整傳輸參數(shù)，以使得由下游中繼站接收的電力最大化。
[0039]串行式多頻帶TET300的工作開始于外部遠程電力源305產生電力并將該電力以第一頻率f I無線地發(fā)送到第一無線充電中繼站310ι。第一無線充電中繼站310ι接收到電力，然后將其轉換為第二頻率f2，然后以第二頻率5向第二無線充電中繼站3102發(fā)送經轉換的電力。正如第一站一樣，所述第二站以及每個后續(xù)站在依次接收到電力后，將其轉換至不同的頻率，然后將其發(fā)送到下一個下游站，直到(以頻率f^)被外部模塊330接收并通過初級和次級線圈335/336(以頻率fn)中繼到植入式模塊340。通過使用串行式連接的站，從而增加了電力可以無線傳送的總距離。
[0040]在圖1和圖2的示例性實施例中，第二頻率f2可以與第一頻率^不同。同樣地，每個電力傳輸階段可以設置為不同的頻率?；蛘咴谝恍┣闆r下，部分或全部電力傳輸階段的頻率可以是相同的，其中每個中繼站增加了TET系統(tǒng)的無線電力傳輸?shù)目偩嚯x。
[0041]如圖4所示的多頻帶TET系統(tǒng)的實施例示出了并行連接的系統(tǒng)，其包括了多個無線充電中繼站41(h-410n。與圖3的實施例一樣，每個站41(h—n包括了接收器天線42(h-420n、發(fā)射器天線ASS1ISSn、頻率變換器MS1HSn和控制電路(未示出)當中的每一個，它們與結合圖3所描述的類似部件具有類似的功能。
[0042]并行式多頻帶TET400的工作開始于外部電力源405產生電力并將該電力以第一頻率fi無線地發(fā)送到每個無線充電中繼站410i_410n。每個無線充電中繼站410i_410n接收到以頻率發(fā)送的電力，然后將其轉換為第二頻率f2，然后以第二頻率5發(fā)送到外部模塊430，該外部模塊430然后通過初級和次級線圈435/436以第三頻率f 3中繼到植入式模塊440。正如圖3的實施例一樣，第一頻率與第二頻率可以是相同的或者不同的。在外部模塊的每個接收器的電力可在外部接收器進行組合，以提供更多的電力至植入式模塊。通過使用并行式連接的充電站，從而可以在不增加任何中繼站的電力處理量的情況下增加發(fā)送至外部模塊的電量。
[0043]在無線電力的并行中繼的另一個例子中，外部模塊可以包括與每個中繼站耦合的單獨的頻率變換器。在這樣的例子中，外部模塊可以能夠以多個頻率接收無線電力，例如當各中繼站設置為不同的諧振頻率時。例如，每個中繼站可與外部模塊相距不同的距離，或由不同的媒介所分離，或兩者皆有之。在這樣的情況下，外部模塊的每個接收器將被電耦合至相應的頻率轉換器的輸入端，并且在組合所有接收到的電力之前，每個頻率變換器將各自接收到的無線電力的頻率改變至共同的頻率。為了組合每一接收器所接收到的無線電力，外部模塊可以配置為將所有接收到的電力轉換至共同的交流頻率，或者把所有接收到的電力轉換為直流電，并使用所轉換的直流電來驅動外部模塊的初級線圈。
[0044]在無線電力并行中繼的其它實施例中，每個中繼站可從單獨的電力源接收電力。從而在充電過程中使用更小的電力源時，使充電得到改善。
[0045]在無線電力并行中繼的另一個實施例中，一個或多個外部電力源可配置為以不同的諧振頻率(例如，以至少兩個不同的頻率)產生電力。然后該電力可以被中繼至具有調諧到各自不同頻率的接收器的不同的并行中繼站。根據(jù)同樣的思路，所述外部模塊也可以配備多個接收器，以便從每個不同的并行中繼站接收中繼的電力。在這種情況下，外部模塊可以包括多個頻率轉換器，每一個頻率轉換器耦合至相應的接收器，正如上面所述。
[0046]作為并行中繼的又一個實施例，不是在外部模塊中包含多個接收器，而是植入式模塊本身可配備多個接收器。在這樣的例子中，植入式模塊可進一步配備有電路，以便在用戶體內組合從多個源接收的電力。在這些實施例中，將電力轉換成一個共同的交流頻率就沒有必要了，因為在植入式接收器產生的所有電力將被整流為直流電壓，以存儲在植入式電池內和/或使該植入式醫(yī)療裝置運轉工作。
[0047]在一些實施例中，并行和串行系統(tǒng)可彼此組合使用。中繼站依靠本領域所公知的智能開關和/或調節(jié)技術，以便有效地從電力源傳送電力到外部模塊，即使外部模塊在不同的位置之間不停地移動，例如，用戶在佩戴外部模塊的同時從一個房間或建筑物的一端走到另一端。這種技術將包括在站與站之間傳遞信號的頻率變化，或者接收中繼信號并有效地將其發(fā)送到外部模塊的站的變化?？傊?，上述技術將允許用戶在無需拆卸該單元或保持靜止的情況下對外部模塊進行充電或再充電。簡單地說，本發(fā)明并不限于各中繼站的布置或排列的方式，或者不由任何給定的站的接收和/或發(fā)送的特定頻率(或頻帶)所限定。
[0048]盡管以上公開內容描述了具有分立模塊的TET系統(tǒng)，每個模塊在一個整體結構(即，外殼)之內包含所有關聯(lián)電路，但應當認識到，本發(fā)明同樣適用于任何無線電力中繼設備，即使沒有這樣的整體結構。例如，圖1和圖2的外部模塊可適于包括容納于或安裝至不同結構的初級線圈、電力接收器電路、頻率變換器、外部電池等(例如，初級線圈佩戴于患者的胸部，外部電池固定于患者的腰帶，等等)。植入式模塊的情況也是一樣。例如，次級線圈、植入式微控制器、整流器和植入式電池當中的每一個可以封裝在一起或以任何需要的組合方式單獨地封裝。
[0049]此外，雖然上述公開內容總體上描述了用于具有植入式VAD的用戶的TET系統(tǒng)，但應當認識到，本發(fā)明同樣適用于具有無線電力輸送的非經皮階段和經皮階段當中每一個的任何系統(tǒng)。這樣，本發(fā)明同樣適用于驅動任何植入式裝置，并且還適用于驅動植入任何人類患者或其他動物體內的裝置。
[0050]更進一步，雖然上述公開內容主要涉及經皮無線電力傳輸系統(tǒng)方面的改進，但應當認識到，本發(fā)明在其它無線電力傳輸系統(tǒng)上也具有廣泛的應用和優(yōu)點。例如，本發(fā)明的應用對于具有顯著的不同長度的無線電力傳送的多個階段的任何系統(tǒng)都是有利的(例如，若干米相較于若干厘米，若干英里相較于若干碼，等等)。
[0051]雖然本發(fā)明在此通過參考特定實施例進行描述，但是應該理解的是，這些實施方案僅僅是說明本發(fā)明的原理及其應用。因此，應該理解的是，可以對這些說明性實施例作出各種修改，并且在不脫離由所附權利要求所限定的本發(fā)明的精神實質和范圍的情況下可以設計出其它的布置。
【主權項】
1.用于向植入用戶體內的裝置無線中繼電力的模塊，包括: 適于由用戶佩戴的結構； 接收器，配置為以第一頻率接收第一無線電力傳輸； 發(fā)射器，配置為以第二頻率發(fā)送第二無線電力傳輸，所述第二頻率與所述第一頻率不同；和 頻率變換器，其電耦合于所述發(fā)射器和接收器中的每一個，并配置成將所述第一無線電力傳輸所產生的電能轉換成用于產生所述第二無線電力傳輸?shù)碾娔埽?其中所述接收器、發(fā)射器和頻率變換器中的每一個都設置在所述結構上或所述結構內。2.如權利要求1所述的模塊，其中，所述第一頻率和第二頻率中的每一個屬于不同的頻帶。3.如權利要求1所述的模塊，其中所述第一頻率選擇為以第一距離進行無線電力傳輸，所述第二頻率選擇為以第二距離進行無線電力傳輸，所述第二距離比所述第一距離要短。4.如權利要求1所述的模塊，其中所述第一頻率選擇為通過第一介質進行無線電力傳輸，所述第二頻率選擇為通過第二介質進行無線電力傳輸，所述第二介質不同于所述第一介質。5.如權利要求1所述的模塊，還包括控制電路，其配置為測定所述接收器的無線電力傳輸效率以及基于所述測定而動態(tài)調整所述第一頻率。6.如權利要求5所述的模塊，其中所述控制電路配置為基于在所述接收器測得的峰值信號來確定無線電力傳輸效率。7.如權利要求1所述的模塊，其中所述第一頻率大于所述第二頻率的兩倍。8.如權利要求1所述的模塊，還包括電池以及控制電路，所述電池電耦合至所述接收器，所述控制電路用于確定是否將所述第一無線電力傳輸所產生的電能存儲于所述電池和/或用于確定是否將所述第一無線電力傳輸所產生的電能中繼至所述發(fā)射器。9.如權利要求1所述的模塊，其中所述結構包括外殼，并且所述接收器和發(fā)射器設置在所述外殼內。10.如權利要求1所述的模塊，其中所述模塊適于由用戶佩戴，使得所述接收器設置在所述外殼背離該用戶的一端，所述發(fā)射器設置在所述外殼面朝該用戶的一端。11.用于傳遞電能至植入用戶體內的裝置的經皮電能傳遞系統(tǒng)，包括: 如權利要求1所述的模塊； 遠程電力源，能夠電磁地耦合至所述模塊并且配置成無線地發(fā)送所述第一無線電力傳輸至所述模塊； 植入式接收器，適于植入用戶體內，能夠電感耦合至所述模塊且能夠電耦合至所述植入式裝置，并且配置為從所述模塊接收所述第二無線電力傳輸。12.如權利要求11所述的系統(tǒng)，還包括: 電耦合至所述模塊的外部電池，所述外部電池用于存儲從所述第一無線電力傳輸接收的電能，并提供所存儲的電能至所述發(fā)射器以產生所述第二無線電力傳輸;和 電耦合至所述植入式接收器的植入式電池，所述植入式電池用于存儲從所述第二無線電力傳輸接收的電能，并提供所存儲的電能至所述植入式裝置，以便為該裝置進行供電。13.如權利要求12所述的系統(tǒng)，其中，當所述模塊由所述用戶佩戴時，所述植入式電池存儲電能，并且在所述外部充電模塊沒有被所述用戶佩戴時對所述植入式醫(yī)療裝置進行供電。14.如權利要求12所述的系統(tǒng)，其中當所述模塊電磁耦合至所述遠程電力源時，所述外部電池存儲電能，并且在所述模塊沒有電磁耦合至所述遠程電力源時，將所存儲的電能提供給所述發(fā)射器。15.用于無線中繼電力的裝置，包括: 多個接收器電路，適于以所述接收器電路的各自的諧振頻率接收無線電力； 發(fā)射器電路，適于以選定的諧振頻率發(fā)射無線電力;和 多個頻率變換器，每個頻率變換器電耦合至相應的接收器電路的輸出端和所述發(fā)射器電路的輸入端，并且配置為在相應的接收器電路將接收到的無線電力的頻率轉換為所選定的頻率。16.如權利要求14所述的裝置，其中，每個接收器電路適于以不同的頻率來接收無線電力。17.無線電能傳輸系統(tǒng)，包括: 如權利要求14所述的裝置;和 多個遠程發(fā)射器電路，每個遠程發(fā)射器電路適于產生并以所述裝置的相應接收器電路的諧振頻率來發(fā)射無線電力。18.經皮電能傳遞系統(tǒng)，包括: 可電耦合至植入式醫(yī)療裝置的植入式無線電力接收器； 遠程電力源，其產生足以使所述植入式醫(yī)療裝置工作的電力;和一個或多個無線電力中繼裝置，配置成將電力從所述遠程電力源中繼至所述植入式無線電力接收器，每個裝置包括: 接收器，其適于以第一頻率接收輸入的無線電力傳輸； 發(fā)射器，其適于以第二頻率發(fā)射輸出的無線電力傳輸;和 頻率變換器，其電耦合至所述發(fā)射器和所述接收器，并配置成將所述輸入的無線電力傳輸所產生的電能轉換成用于產生所述輸出的無線傳輸?shù)碾娔堋?9.如權利要求18所述的系統(tǒng)，其中，多個裝置彼此串行地電磁耦合，使得由上游設裝置所發(fā)射的無線電力為串行地電磁耦合的下游裝置所接收到的無線電力，和 其中，所述植入式無線電力接收器適于接收由最下游的無線電力中繼裝置所產生的無線電力。20.如權利要求19所述的系統(tǒng)，其中所述最下游的無線電力中繼裝置還包括電耦合至所述接收器的外部電池，所述外部電池用于: 當所述最下游的無線電力中繼裝置電磁耦合至相應的上游裝置時，臨時存儲電量;和當所述最下游的無線電力中繼裝置沒有電磁耦合至相應的上游裝置時，使用所述存儲電量以產生用于以所述第二頻率驅動所述發(fā)射器的電力。21.如權利要求19所述的系統(tǒng)，還包括電耦合至所述植入式無線電力接收器和所述植入式醫(yī)療裝置的植入式電池，所述植入式電池用于: 當所述最下游的無線電力中繼裝置可操作地耦合至所述植入式無線電力接收器時，臨時存儲電量;和 當所述最下游的無線電力中繼裝置沒有可操作地耦合至所述植入式無線電力接收器，或者當所述最下游的無線電力中繼裝置自身沒有產生使所述植入式醫(yī)療裝置工作的足夠電力時，產生用于使所述植入式醫(yī)療裝置工作的足夠電力。22.將電力無線中繼至植入用戶體內的裝置的方法，包括: 提供適于由用戶佩戴的結構； 由設置在所述結構上或其內部的接收器以第一頻率接收第一無線電力傳輸； 從設置在所述結構上或其內部的發(fā)射器以第二頻率發(fā)送第二無線電力傳輸，所述第二頻率與第一頻率不相同；和 由頻率變換器將所述第一無線電力傳輸所產生的電能轉換成用于產生所述第二無線電力傳輸?shù)碾娔埽鲱l率變換器電耦合至所述接收器和所述發(fā)射器，并且設置在所述結構上或其內部。23.如權利要求22所述的方法，其中所述第一無線電力傳輸?shù)膫鬏斁嚯x大于所述第二無線電力傳輸?shù)膫鬏斁嚯x。24.如權利要求22所述的模塊，其中所述第一無線電力傳輸?shù)膫鬏斆浇榕c所述第二無線電力傳輸?shù)膫鬏斆浇椴幌嗤?br>【文檔編號】A61N1/378GK105873624SQ201480057271
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2014年8月18日
【發(fā)明人】J·魯?shù)聺? J·A·拉羅斯
【申請人】哈特威爾公司