脊髓電刺激專用體內外電能耦合功率傳輸裝置的制作方法

本發明涉及脊髓電刺激領域，具體涉及一種脊髓電刺激專用體內外電能耦合功率傳輸裝置。

背景技術：

電源植入式脊髓電刺激（spinalcordstimulation,scs）神經調控技術控制頑固性神經痛是目前世界認可的最先進方法。成本昂貴是scs植入術最重要的應用瓶頸，普通百姓很難支付其高額費用。占成本85%的固定容量電池和微電腦脈沖發生器，每隔2-7年需要重新手術置換，不僅花費昂貴，而且會讓患者反復遭受手術的痛苦。

為了解決采用原電池供電的植入式醫療儀器普遍價格昂貴但使用壽命較短問題，人們研制了體外電能耦合功率傳輸裝置。體外電能耦合功率傳輸裝置包括體內磁場感應側和體外磁場產生側。體外電能耦合功率傳輸裝置將固定電容電池改為可充電的可變電容電池，可變電容電池與微電腦脈沖發生器以及感應線圈一起形成回路，作為體內磁場感應側一起植入人體。體外磁場產生側包括電磁轉換線圈。體外磁場產生側通過電磁轉換線圈中的電流變化產生的變化磁場使體內磁場感應側形成的回路在電磁感應的作用下產生電流，在對可變電容電池進行充電的同時，微電腦脈沖發生器工作發出脈沖電流刺激脊髓，達到脊髓電刺激作用。

現在的體外電能耦合功率傳輸裝置雖然解決了體外充電的問題，但是體內電磁感應側中的微電腦脈沖發生器體積較大，整體植入和取出都較麻煩。且微電腦脈沖發生器整體植入人體內，一旦發生故障不好維修，仍然需要手術取出進行更換。仍然會存在手術的問題。因此，現有的體外電能耦合功率傳輸裝置雖然有效減少了再次手術的風險，但是卻無法避免。

因此，現在急需研制出一種不僅可以體外充電還能避免再次手術風險的脊髓電刺激專用體內外電能耦合傳輸裝置。

技術實現要素：

本發明意在提供一種脊髓電刺激專用體內外電能耦合功率傳輸裝置，以解決現有體外電能耦合功率傳輸裝置不能避免再次手術風險的問題。

為解決以上問題，提供如下方案：

方案一：本方案中的脊髓電刺激專用體內外電能耦合功率傳輸裝置，包括體外磁場產生側和體內磁場感應側；所述體外磁場產生側包括形成回路的體外電刺激脈沖發生器和電磁轉換線圈；所述體內磁場感應側包括可與體外電刺激脈沖發生器通過電磁耦合感應進行脈沖功率接收的體內電磁轉換脈沖發生器以及與沿著脊椎軸向設置的電極絲；所述體內電磁轉換脈沖器包括多個分別為電極絲提供脈沖刺激的電磁脈沖發生器。

名詞解釋：

電磁耦合感應：指電磁感應和電磁耦合。電磁感應指在變化的磁通量中閉合回路中形成感應電流。電磁耦合指變化的電場會產生磁場，而變化的磁場又會變成電場，磁場和電場相輔相生，相互影響即為電磁耦合。

工作原理及有益效果：

工作時，首先將體外磁場產生側的電磁轉換線圈對準體內電磁轉換脈沖發生器中的一個電磁脈沖發生器。體外磁場產生側的電磁轉換線圈需要對體內電磁轉換脈沖發生器中的對應電磁脈沖發生器進行磁場變化，才能使該體內電磁轉換脈沖發生器以及與之連接的電極絲向脊椎進行脈沖電刺激。啟動體外磁場產生側，使電刺激脈沖發生器和體內電磁轉換脈沖發生器進行電磁耦合功率傳輸。將電刺激脈沖發生器靠近人的皮膚，使體內電磁轉換脈沖發生器在電磁感應的作用下在被對準的該電磁脈沖發生器和電極絲形成的回路中產生電流。該電磁脈沖發生器開始工作，將產生的脈沖電刺激傳遞到電極絲上。使電極絲產生電刺激，通過刺激脊椎來刺激里面的脊髓，達到阻止疼痛的目的。

多個電磁脈沖發生器分別為電極絲提供脈沖刺激，這樣可以減小每個電磁脈沖發生器的功率，進而減小每個電磁脈沖發生器做功產生的熱量，減緩每個電磁脈沖發生器的老化情況。因為多個電磁脈沖發生器分別為電極絲提供脈沖刺激，即使某一個電磁脈沖發生器損壞也不會影響電極絲的正常工作，更不用通過手術進行電磁脈沖發生器的更換。

體內電磁轉換脈沖發生器僅僅是由線圈等基本電路元器件構成的，不僅結構簡單，體積有效縮小，還不易產生損耗和故障。只需要選用質量合格，且有足夠使用壽命的電子元器件，就能有效避免了要手術取出進行維修更換的問題。

體內磁場感應側上的體內電磁轉換脈沖發生器和電極絲形成的回路，在體外磁場產生側的作用下，磁場感應接收線圈為體內電磁轉換脈沖發生器和電極絲提供電能，可以在避免將一些復雜器件植入人體的同時對體內磁場感應側進行體外充電。

方案二：進一步，所述體外電刺激脈沖發生器包括用來實現電路電壓穩定的電源管理模塊，用來實現能量放大的e類放大器模塊，用來進行體內外能量傳輸的無線發射電路模塊，用來對傳輸信號進行調制的調制模塊，以及與各個模塊分別連接的微控制器；所述微控制器向調制模塊發送刺激參數，調制模塊進行信號調制并將調至后的數字信號傳輸給e類放大器模塊。

體外電刺激脈沖發生器通過微控制器發射刺激參數給調制模塊，調制模塊通過ask調制，改變電容和電感的共振，調至出適合的數字信號發送給e類放大模塊進行放大，以減少傳遞時的能量損失。e類放大模塊將經過放大的脈沖電流傳遞給無線發射電路模塊，無線發射電路模塊將數字信號傳遞給電磁轉換線圈進行電磁轉換。電源管理模塊將經過穩壓后的市電電流接入電路中，為體外電磁脈沖發生器提供能源。

方案三：進一步，所述體內磁場感應側包括固定于側腹部皮下的環形外殼，所述體內電磁轉換脈沖發生器設置在環形外殼內；所述環形外殼上設置有可供電極絲伸出環形外殼的伸縮管。

環形外殼起到了保護體內電磁轉換脈沖發生器的作用，而電極絲設置在伸縮管內，可以根據病人的實際情況選擇伸出的伸縮管伸出，使不同的病人在使用相同的裝置時能夠根據實際情況進行安裝，增加本發明的通用性，有利于本發明在制作時的大規模生產。

方案四：進一步，所述環形外殼內沿著環形外殼的連通方向布置有與可變電容電池連接的總感應線圈；所述伸縮管與環形外殼的連通處設置有磁場感應接收線圈；總感應線圈的軸線與各個磁場感應接收線圈的軸線均垂直。

總感應線圈通過切割體外產生的磁感應線，發生電磁感應反應形成電流并儲存在與之連接的可變電容電池中。運用可變電容電池相比于固定電容電池，其能夠多次充放電，有利于反復利用，避免像以前一樣需要取出并更換電池。伸縮管上的磁場感應接收線圈與總感應線圈的軸線垂直，當給相應的磁場感應接收線圈通入變化的磁通量時，即讓這個磁場感應接收線圈切割磁感線，磁場感應接收線圈產生磁性。而因為總感應線圈與磁場感應線圈的軸線是垂直的，他們需要切割的磁感線的方向是不同的，即只有專門針對每個方向上的磁場感應接收線圈，才能使磁場感應接收線圈產生磁性。總感應線圈與磁場感應線圈互不干擾。

方案五：進一步，所述環形外殼的內壁上涂有散熱層，所述環形外殼的外壁上涂有吸熱層。

通過散熱層能夠將環形外殼內的體內磁場感應電路產生的熱量散出去，使環形外殼內的體內磁場感應電路能夠將工作產生的熱量散發出去。熱量通過環形外殼傳遞到吸熱層，吸熱層將熱量吸收并消散掉，避免過大的熱量對人體內造成傷害。

方案六：進一步，所述體內電磁轉換脈沖發生器包括依次連接的并聯諧振電路、倍壓整流電路、解調電路以及刺激脈沖波形產生電路。

體內電磁脈沖發生器通過并聯諧振電路將接收到的數字信號的電壓損失達到最小，盡可能地保存能量信號不受損失，然后通過倍壓整流電路將傳遞過來的載波信號傳遞給解調電路ask解調得到刺激信號，最后通過刺激脈沖波形成電路將解調后的刺激信號和能量信號重新轉變成刺激脈沖波傳遞到電極絲中用來刺激脊髓神經。

方案七：進一步，所述體內電磁轉換脈沖發生器包括均勻設置在環形外殼內的四個，且每個體內電磁轉換脈沖發生器分別與總感應線圈連接。

體內電磁轉換脈沖發生器有四個，可以將每個電磁轉換脈沖發生器的功率減小，讓所有電磁轉換脈沖發生器減小散熱。每個體內電磁轉換脈沖發生器都是分別與總感應線圈連接的，幾個體內電磁轉換脈沖發生器彼此獨立互不影響，如果一個體內電磁轉換脈沖發生器損壞并不影響其他三個體內電磁轉換脈沖發生器的正常運行。且通過均勻分布的四個，可以使整個環形外殼受力更加平穩。

方案八：進一步，所述環形外殼內設有裝有生理鹽水的環形水囊，所述環形水囊內設有可隨生理鹽水流動而轉動的轉動輪以及設置在轉動輪兩側用來為轉動輪提供固定磁場的兩個磁性相反的磁鐵片；所述轉動輪上設置有與可變電容電池連通的環形線圈。

通過按壓環形水囊，可以使里面的生理鹽水產生流動，使轉動輪被流動的生理鹽水帶動轉動，轉動輪在轉動的過程中轉動輪上的環形線圈切割固定磁場中的磁感線，產生電流并存儲在可變電容電池。可以在沒有外部磁場的情況下，通過晃動或者按動環形水囊來自動對可變電容電池進行充電，為電極絲刺激脊髓神經提供能源。

通過生理鹽水來作為填充液體，即使裝置損壞，出現泄漏事故，也不會對人體造成較大的損害。

方案九：進一步，所述環形水囊與所述環形外殼同軸線；所述環形水囊內間隔設置有用來支撐環形水囊的圓環，所述轉動輪沿著圓環的軸線方向轉動；兩個磁鐵片設置在圓環上。

通過圓環來支撐環形水囊，保持環形水囊內的生理鹽水流通順暢，使能夠對轉動輪有轉動的動力。將兩個永磁鐵的磁鐵片設置在圓環上，可以保證一直為轉動輪提供固定磁場，為轉動輪產生電磁感應提供必要條件。

方案十：進一步，所述環形外殼和所述環形水囊一體成型，且所述環形外殼和環形水囊均采用食用膠制成。

環形外殼和環形水囊采用食用膠，具有一定的柔軟性，且無毒害，適合安裝到人體內。且方便通過按壓環形外殼就直接按壓環形水囊，通過轉動輪可以為電極絲提供刺激脊髓神經的能源。

附圖說明

圖1為本發明實施例的結構示意圖。

圖2為本發明實施例的環形外殼的結構示意圖。

具體實施方式

下面通過具體實施方式對本發明作進一步詳細的說明：

說明書附圖中的附圖標記包括：電刺激脈沖發生器1、電磁轉換線圈2、感應脈沖發生器3、總感應線圈4、伸縮管5、電磁鐵6、電極絲7、環形外殼8、散熱層9、吸熱層10、磁場感應接收線圈11、可變電容電池12、水囊13、圓環14、磁鐵片15、轉動輪16。

實施例基本如附圖1所示：脊髓電刺激專用體內外電能耦合功率傳輸裝置，包括體外磁場產生側和體內磁場感應側；體外磁場產生側包括形成回路的電刺激脈沖發生器1和電磁轉換線圈2；體內磁場感應側包括微創手術固定在人體側腹部皮下的環形外殼8以及設置在環形外殼8內的體內磁場感應電路。

環形外殼8為食用膠外殼；食用膠外殼的內壁上涂有散熱層9，食用膠外殼的外壁上涂有吸熱層10。

食用膠外殼既有一定的硬度，又有一定的柔韌性，可以在人體內長期存在又不會損害人體內部器官。通過散熱層9能夠將環形外殼8內的體內磁場感應電路產生的熱量散出去，使環形外殼8內的體內磁場感應電路能夠將工作產生的熱量散發出去。熱量通過食用膠外殼傳遞到吸熱層10，吸熱層10將熱量吸收并消散掉，避免過大的熱量對人體內造成傷害。

散熱層9為氮化鋁層。

氮化鋁具有良好的散熱性，能夠快速散熱，避免熱量集聚對電路和人體都造成傷害。

吸熱層10為參雜有石墨烯的食用級塑料層。

石墨烯具有良好的導電導熱性，將石墨烯參雜到食用級塑料層中，可以提高塑料層的吸熱和抗熱性。通過參雜有石墨烯的食用級塑料層，不僅可以將食用膠外殼傳遞出來的熱量進行吸收消散，還能對食用膠外殼起到保護作用。

體內磁場感應電路包括與電刺激脈沖發生器1通過電磁感應進行脈沖產生的四個感應脈沖發生器3、與每個感應脈沖發生器3對應連接形成回路的電極絲7以及與各個感應脈沖發生器3和電極絲7形成的回路分別連通的可變電容電池12；環形外殼8內設置有可沿環形外殼8軸向向下伸展的伸縮管5；伸縮管5均勻分布在環形外殼8的內壁上；電極絲7設置在伸縮管5的伸縮端并且可隨著伸縮管5進行伸縮運動；感應脈沖發生器3設置在環形外殼8內，且感應脈沖發生器3上并聯有與電極絲7正相對的電磁鐵6；可變電容電池12與各個感應脈沖發生器3和電極絲7形成的回路之間分別連接有可用來向可變電容電池12充電的磁場感應接收線圈11。

環形外殼8內沿著環形外殼8的連通方向布置有僅與可變電容電池12連接的總感應線圈4；總感應線圈4的軸線與各個磁場感應接收線圈11的軸線均垂直。

在只需要對可變電容電池12進行充電的時候，只需要將體外磁場產生側中的電磁轉換線圈2與總感應線圈4同軸對應，即從人的腳底或者頭部方向豎直進行磁通量變換，使總感應線圈4產生電流向可變電容電池12進行充電。

可變電容電池12為彼此并聯的三個可變電容電池12。

當一個可變電容電池12損壞后，有其它可變電容電池12替換使用，避免手術取出替換。

工作時，首先找準需要進行脊髓電刺激的方向，即找好靶點位置。將體外磁場產生側的電磁轉換線圈2對準靶點位置方向。啟動體外磁場產生側，使電刺激脈沖發生器1和電磁轉換線圈2開始工作。將電刺激脈沖發生器1靠近人的皮膚，使感應脈沖發生器3在電磁感應的作用下在感應脈沖發生器3和電極絲7形成的回路中產生電流。感應脈沖發生器3開始工作，將產生的脈沖電刺激通過傳遞到電極絲7上。同時，與感應脈沖發生器3并聯的電磁鐵6產生磁性，將因為電磁感應而帶上相同磁性的電極絲7沿著環形外殼8的徑向方向向內推。電極絲7推著伸縮殼向靶點位置推進，并對靶點位置內的脊髓神經進行脈沖電刺激。在對靶點位置進行電刺激的同時，磁場感應接收線圈11在接收電磁轉換線圈2產生的變化磁場的時候，產生電流，對可變電容電池12進行充電。

體外電刺激脈沖發生器1包括用來實現電路電壓的穩定的電源管理模塊，用來實現能量放大的e類放大器模塊，用來進行體內外能量傳輸的無線發射電路模塊，用來對傳輸信號進行調制的調制模塊，以及與各個模塊分別連接的微控制器；微控制器發送的刺激參數通過調制模塊改變電容和電感的共振進行信號調制，得到數字信號并傳輸給e類放大器模塊。

電源管理模塊實現電路電壓的穩定，e類放大器模塊實現能量的放大。每一個模塊都相互關聯，共同實現體外電磁發生器的功能。無線發射電路由無線模塊完成刺激參數的發送。微控制器發送的刺激參數在ask通過改變電容和電感的共振實現串行數據調制，得到數字信號輸送給e類功放。能量部分作為控制穩壓芯片工作的電源，控制載波的發生，進而驅動功放的工作，最后通過發射線圈將信息傳遞至體內磁場感應側。

體內磁場感應側包括固定于側腹部皮下的環形外殼8，體內電磁轉換脈沖發生器設置在環形外殼8內；環形外殼8上設置有可供電極絲7伸出環形外殼8的伸縮管5。

環形外殼8起到了保護體內電磁轉換脈沖發生器的作用，而電極絲7設置在伸縮管5內，可以根據病人的實際情況選擇伸出的伸縮管5伸出，使不同的病人在使用相同的裝置時能夠根據實際情況進行安裝，增加本發明的通用性，有利于本發明在制作時的大規模生產。

環形外殼8內沿著環形外殼8的連通方向布置有與可變電容電池12連接的總感應線圈4；伸縮管5與環形外殼8的連通處設置有磁場感應接收線圈11；總感應線圈4的軸線與各個磁場感應接收線圈11的軸線均垂直。

總感應線圈4通過切割體外產生的磁感應線，發生電磁感應反應形成電流并儲存在與之連接的可變電容電池12中。運用可變電容電池12相比于固定電容電池，其能夠多次充放電，有利于反復利用，避免像以前一樣需要取出并更換電池。伸縮管5上的磁場感應接收線圈11與總感應線圈4的軸線垂直，當給相應的磁場感應接收線圈11通入變化的磁通量時，即讓這個磁場感應接收線圈11切割磁感線，磁場感應接收線圈11產生磁性。而因為總感應線圈4與磁場感應線圈的軸線是垂直的，他們需要切割的磁感線的方向是不同的，即只有專門針對每個方向上的磁場感應接收線圈11，才能使磁場感應接收線圈11產生磁性。總感應線圈4與磁場感應線圈互不干擾。

體內電磁轉換脈沖發生器包括依次連接的并聯諧振電路、倍壓整流電路、解調電路以及刺激脈沖波形產生電路。

體內電磁脈沖發生器通過并聯諧振電路將接收到的數字信號的電壓損失達到最小，盡可能地保存能量信號不受損失，然后通過倍壓整流電路將傳遞過來的載波信號傳遞給解調電路ask解調得到刺激信號，最后通過刺激脈沖波形成電路將解調后的刺激信號和能量信號重新轉變成刺激脈沖波傳遞到電極絲中用來刺激脊髓神經。

體內磁場感應側將接收到的刺激電能和信號參數，轉發給體內電磁脈沖發生器。體內電磁脈沖發生器的脈沖波形的輸出和指令的控制均通過設置在體內電磁脈沖發生器的單片機完成。體內電磁脈沖發生器主要模塊有并聯諧振電路、倍壓整流電路、ask解調電路、刺激脈沖波形產生電路。并聯諧振電路作為信息和能量的起始接收端，在接收信息的同時盡可能獲得更大的電壓值，為倍壓整流電路提供更好的輸入。倍壓整流電路則將電壓進一步放大，其中一部分電壓經穩壓芯片轉換成5.0v，為其他芯片供電；另一部分給雙向平衡刺激脈沖產生電路中的放大器供電。ask解調電路將調制的信號從混雜的高頻載波中恢復出來，經過后續電路處理放大和比較整形處理，可通過兩個控制端口輸出設定的刺激波形。

體內電磁轉換脈沖發生器包括均勻設置在環形外殼8內的四個，且每個體內電磁轉換脈沖發生器分別與總感應線圈4連接。

體內電磁轉換脈沖發生器有四個，可以將每個電磁轉換脈沖發生器的功率減小，讓所有電磁轉換脈沖發生器減小散熱。每個體內電磁轉換脈沖發生器都是分別與總感應線圈4連接的，幾個體內電磁轉換脈沖發生器彼此獨立互不影響，如果一個體內電磁轉換脈沖發生器損壞并不影響其他三個體內電磁轉換脈沖發生器的正常運行。且通過均勻分布的四個，可以使整個環形外殼8受力更加平穩。

環形外殼8內設有裝有生理鹽水的環形水囊13，環形水囊13內設有可隨生理鹽水流動而轉動的轉動輪16以及設置在轉動輪16兩側用來為轉動輪16提供固定磁場的兩個磁性相反的磁鐵片15；轉動輪16上設置有與可變電容電池12連通的環形線圈。

通過按壓環形水囊13，可以使里面的生理鹽水產生流動，使轉動輪16被流動的生理鹽水帶動轉動，轉動輪16在轉動的過程中轉動輪16上的環形線圈切割固定磁場中的磁感線，產生電流并存儲在可變電容電池12。可以在沒有外部磁場的情況下，通過晃動或者按動環形水囊13來自動對可變電容電池12進行充電，為電極絲7刺激脊髓神經提供能源。

通過生理鹽水來作為填充液體，即使裝置損壞，出現泄漏事故，也不會對人體造成較大的損害。

環形水囊13與環形外殼8同軸線；環形水囊13內間隔設置有用來支撐環形水囊13的圓環14，這些圓環14都徑向均勻分布在環形外殼內。轉動輪16沿著圓環14的軸線方向轉動；兩個磁鐵片15設置在圓環14上。

如圖2所示，水囊13的壁與環形外殼8的頂面和底面膠結成一個整體，按壓環形外殼8就等于直接按壓水囊13。圓環14支撐柱水囊13的橫截面使其保持一個圓形形狀，因為圓環14是間隔設置的，在沒有設置圓環14的水囊13處可以按壓水囊13使水囊13變形使水囊13內的生理鹽水產生流動。圓環14內，沿著環形外殼的徑向位置安裝有用來連接轉動輪16的支撐軸。支撐軸的左右兩端安裝用來構成磁場的兩個磁鐵片15。轉動輪16隨著生理鹽水的流動而繞著支撐軸轉動，其轉動方向與兩個磁鐵片15產生的磁場方向垂直。使設置在轉動輪16上的環形線圈能夠切割磁感線，產生感應電流，為與之連接的可變電容電池充電。伸縮管5為柔性材料制成，能夠從一定幅度角度將電極絲7伸出去，不影響電極絲7伸到脊椎上去。

通過圓環14來支撐環形水囊13，保持環形水囊13內的生理鹽水流通順暢，使能夠對轉動輪16有轉動的動力。將兩個永磁鐵的磁鐵片15設置在圓環14上，可以保證一直為轉動輪16提供固定磁場，為轉動輪16產生電磁感應提供必要條件。

環形外殼8和環形水囊13一體成型，且環形外殼8和環形水囊13均采用食用膠制成。

環形外殼8和環形水囊13采用食用膠，具有一定的柔軟性，且無毒害，適合安裝到人體內。且方便通過按壓環形外殼8就直接按壓環形水囊13，通過轉動輪16可以為電極絲7提供刺激脊髓神經的能源。

以上所述的僅是本發明的實施例，方案中公知的具體結構及特性等常識在此未作過多描述，所屬領域普通技術人員知曉申請日或者優先權日之前發明所屬技術領域所有的普通技術知識，能夠獲知該領域中所有的現有技術，并且具有應用該日期之前常規實驗手段的能力，所屬領域普通技術人員可以在本申請給出的啟示下，結合自身能力完善并實施本方案，一些典型的公知結構或者公知方法不應當成為所屬領域普通技術人員實施本申請的障礙。應當指出，對于本領域的技術人員來說，在不脫離本發明結構的前提下，還可以作出若干變形和改進，這些也應該視為本發明的保護范圍，這些都不會影響本發明實施的效果和專利的實用性。本申請要求的保護范圍應當以其權利要求的內容為準，說明書中的具體實施方式等記載可以用于解釋權利要求的內容。