用于心室辅助装置的无线能量传输的系统和方法与流程

医药医疗技术的改进;医疗器械制造及应用技术用于心室辅助装置的无线能量传输的系统和方法1.相关申请的交叉引用2.本技术要求于2020年3月10日提交的序列号为62/987,468的临时申请的优先权，其全部内容通过引用并入本文。技术领域3.本公开总体上涉及无线电力传输系统，并且更具体地涉及用于为心室辅助装置供电的无线电力传输系统。背景技术：4.心室辅助装置，称为vad，是用于短期(即几天或几个月)和长期(即几年或一生)应用的植入式血泵，其中患者的心脏无法提供足够的循环，通常称为心力衰竭或充血性心力衰竭。患有心力衰竭的患者在等待心脏移植或作为长期目标治疗时可能会使用vad。在另一个示例中，患者可以在从心脏手术中恢复时使用vad。因此，vad可以补充虚弱的心脏(即部分支持)或有效替代天然心脏的功能。5.无线电力传输系统可用于向vad供电。这样的电力传输系统通常包括外部发射谐振器和被配置为植入患者体内的植入式接收谐振器。挑战之一是耗散来自接收谐振器的热量，以防止患者体内温度过度升高。此外，希望无线电力传输系统能够高效地传输功率，并且相对容易定位在患者体内。技术实现要素：6.本公开涉及一种无线电力传输系统。该系统包括外部发射谐振器和植入式接收谐振器。发射谐振器被配置为发射无线电力，其中外部发射谐振器包括i)一个或多个李兹线环和ii)多个堆叠板中的一者。植入式接收谐振器被配置为接收从外部发射谐振器发射的无线电力，其中，植入式接收谐振器被配置为使用接收到的无线电力为植入对象中的心室辅助装置(vad)供电。植入式接收谐振器包括i)一个或多个李兹线环和ii)多个堆叠板中的另一者。7.本公开还涉及一种无线电力传输系统。该系统包括被配置为发射无线电力的外部发射谐振器。该系统还包括植入式接收谐振器，该植入式接收谐振器被配置为接收从外部发射谐振器发射的无线电力。植入式接收谐振器被配置为被植入对象的胸腔中并且被配置为使用接收到的无线电力为植入在对象中的vad供电。8.本公开还涉及一种发射无线电力的方法。该方法包括将无线电力从外部发射谐振器发射到植入式接收谐振器，其中外部发射谐振器包括i)一个或多个李兹线环和ii)多个堆叠板中的一者。该方法进一步包括在植入式接收谐振器处接收无线电力，其中植入式接收谐振器包括i)一个或多个李兹线环和ii)多个堆叠板中的另一者。该方法还包括使用接收到的无线电力为vad供电。9.本公开进一步涉及一种发射无线电力的方法。该方法包括将无线电力从外部发射谐振器发射到植入式接收谐振器。该方法还包括在植入有vad的对象的胸腔中植入的植入式接收谐振器处接收无线电力，并且使用接收到的无线电力为vad供电。附图说明10.图1是示例性无线电力传输系统的简化电路图。11.图2a是为心室辅助装置(vad)供电的图1的无线电力传输系统的示例性配置的图示。12.图2b是为vad供电的图1的无线电力传输系统的另一示例性配置的图示。13.图3a是具有堆叠板的谐振器的示意图。14.图3b是图3a所示的谐振器的分解图。15.图4a是示出与vad和电池模块电连接的图1的无线电力传输系统的示例性配置的示意图。16.图4b是示出与vad和电池模块电连接的图1的无线电力传输系统的另一示例性配置的示意图。17.图4c是示出与vad和电池模块电连接的图1的无线电力传输系统的另一示例性配置的示意图。18.图4d是示出与vad和电池模块电连接的图1的无线电力传输系统的另一示例性配置的示意图。19.图5是为vad供电的图1的无线电力传输系统的另一示例性配置的示意图。20.图6是发射无线电力的示例性方法的流程图。21.图7是发射无线电力的另一示例性方法的流程图。具体实施方式22.本公开涉及一种无线电力传输系统。无线电力传输系统的植入式接收谐振器被配置为植入患者的胸腔中以改善散热。在一些实施例中，电力传输系统可以是混合系统，其使用具有李兹线环的第一谐振器和具有堆叠板的第二谐振器。23.现在参考附图，图1是示例性无线电力传输系统100的简化电路图。无线电力传输系统100包括外部发射谐振器102和植入式接收谐振器104。无线电力传输系统100示出了串联连接，其中电容器cx、cy与电感器lx、ly串联电连接，但无线电力传输系统100可以针对发射谐振器102或接收谐振器104被连接为串联或并联。24.在示例性系统中，电源vs与发射谐振器102电连接，向发射谐振器102提供电力。接收谐振器104连接到负载106。接收谐振器104和负载106可以电连接至可控开关(未显示)。25.在示例性实施例中，发射谐振器102包括通过电容器cx连接到电源vs的线圈lx。接收谐振器104包括通过电容器cy连接到负载106的线圈ly。电感器lx和ly通过耦合系数k耦合。mxy是两个线圈之间的互感。互感mxy与耦合系数k相关，如以下公式(1)所示。[0026][0027]在操作中，发射谐振器102发射从电源vs接收的无线电力。接收谐振器104接收由发射谐振器102无线发送的电力，并将接收到的电力发送到负载106。[0028]图2a和2b示出了使用无线电力传输系统100来为植入患者身体204中的机械循环支持系统202供电的示例性配置。机械循环支持系统202包括植入式血泵组件206，其包括血泵208、心室袖带210和流出套管212。接收谐振器104向血泵组件206供电。[0029]血泵组件206可以在心室辅助装置(vad)内实施，心室辅助装置(vad)附接到左心室(如图所示)、右心室或心脏214的两个心室的顶点。血泵组件206可以通过缝合到心脏214并耦合到血泵组件206的心室袖带210附接到心脏214。血泵组件206的另一端通过流出套管212连接到升主动脉或降主动脉，使得血泵组件206有效地将血液从弱化的心室转移并通过流出套管212将其推向主动脉，以循环到患者血管系统的其余部分。[0030]用于vad的电力传输系统中的挑战之一是散发由植入模块产生的热量。例如，放置在胸部区域的植入线圈可能具有大约0.4w的热量收支，如果超过，将导致超过2℃的温度升高。然而，植入式线圈模块的电气工程设计往往会仅在线圈绕组中散发比0.4w更多的热量。例如，通过将交流电(ac)整流为直流电(dc)以及由经皮能量传输系统(tets)中的各种电子器件、微控制器和数字信号处理器产生额外的热量。由于周围组织的灌注相对较高，腹部植入位置可以更好地管理热量，但考虑到植入模块发出的热量仍然可能不可接受。此外，从手术的角度来看，腹部放置可能是不可取的，因为可能需要相对复杂的手术(例如，穿过隔膜的隧道)将接收谐振器植入患者的腹部。[0031]因此，在所示实施例中，为了促进热管理，接收谐振器104定位在患者的胸腔217中。在一些实施例中，接收谐振器104定位在患者的肺220下方和隔膜222上方。可替代地，接收谐振器104可以植入隔膜222的顶部。因此，接收谐振器104通常与肺220热接触，并且热量通过肺循环消散。[0032]接收谐振器104可以包括一个或多个李兹线环216或多个堆叠板218。例如，在一些实施例中，发射谐振器102包括一个或多个李兹线环216并且接收谐振器104包括多个堆叠板218。可替代地，接收谐振器104包括一个或多个李兹线环216，并且发射谐振器102包括多个堆叠板218。在又一示例中，发射谐振器102和接收谐振器104可以都包括一个或多个李兹线环216，或者都包括多个堆叠板218。[0033]在一些实施例中，接收谐振器104耦合到血泵组件206(如图2b和5所示)。例如，接收谐振器104中包括的一个或多个李兹线环216可以环绕心室袖带210(如图2b所示)。在可替代配置中(如图5所示)，接收谐振器104中包括的多个堆叠板218可以耦合到血泵208，心室袖带210延伸穿过由堆叠板218限定的孔。在这些配置中，接收谐振器104与血泵组件206热接触，并且热量通过通过血泵组件206的主动脉流消散。[0034]在示例性实施例中，无线电力传输系统100可以是混合系统，其中发射谐振器102是i)一个或多个李兹线环216或ii)多个堆叠板218中的一者，以及接收谐振器104是i)一个或多个李兹线环216或ii)多个堆叠板218中的另一者。例如，图2a的配置示出了包括李兹线环216的发射谐振器102和包括堆叠板218的接收谐振器104。相反，图2b的配置示出了包括堆叠板218的发射谐振器102和包括李兹线环216的接收谐振器104。一般来说，李兹线环216的几何形状相对容易修改，因此，李兹线环216可以缠绕在患者身体204周围(如图2b所示)，或缠绕在血泵组件206上(如图2a所示)。相比之下，包括堆叠板218的谐振器可以具有比包括李兹线216的谐振器更高的电力传输效率。因此，使用每种类型的谐振器之一的混合无线电力传输系统实现了两种类型的谐振器的益处。[0035]在操作中，发射和接收谐振器102、104定位成彼此靠近。例如，当接收谐振器104被放置在患者的胸腔217中时，发射谐振器102可以被放置在患者胸部区域的一侧或缠绕在患者的胸部区域周围。[0036]图3a是示出谐振器102、104的结构的示意图，谐振器102、104是包括多个堆叠板218的堆叠板谐振器300。图3b是图3a所示的堆叠板谐振器300的分解图。类似的堆叠板谐振器在由stein等人于2018年3月4日在新罕布什尔州汉诺威市达特茅斯学院塞耶工程学院发表的“thin self-resonant structures with a high-q for wireless power transfer”中被示出和描述。为了清楚起见，堆叠板218的厚度被夸大了。在实践中，每个堆叠板218的厚度可以在从10微米(μm)到200μm的范围内(例如，更特别地，厚度可以在20-70μm的范围内)，并且在堆叠板谐振器300中使用了许多层。本领域技术人员将理解，堆叠板谐振器300可以包括任何合适数量的堆叠板218。堆叠板218可以堆叠到磁芯306中。[0037]磁芯306包括基座310、外围壁312和柱314。如图3a和3b所示，每个堆叠板302包括尺寸适合接收柱314的孔320，使得每个堆叠板218通常围绕柱314并且定位在磁芯306的柱314和外围壁312之间。[0038]堆叠板218包括形成堆叠的多个交替的介电层322和导电层324。在图3a和3b所示的实施例中，每个介电层322是通常为o形的环形板，并在内径和外径之间延伸。每个导电层324限定凹口326，使得每个导电层通常为c形并在内径和外径之间延伸。每个导电层324周向延伸通过小于360°的角度(本文称为“角跨度”)以限定凹口326。[0039]此外，每个导电层324相对于下一个导电层324具有相反的定向，使得连续导电层324中的凹口326相对于彼此以180°定向。相反的定向导致形成两个电容器的连续导电层324。[0040]在一个实施例中，一个导电层324是包括两个端子332的基座导电层330。端子332使堆叠板谐振器300能够耦合到例如电源(当用作发射谐振器时)或负载106(当用作接收谐振器时)。此外，在一些实施例中，形成堆叠的顶部和底部的堆叠板218是导电层324，而不是介电层322。可替代地，介电层322可以位于堆叠的顶部和/或底部。[0041]在操作中，当向作为发射谐振器操作的堆叠板谐振器300供电或在作为接收谐振器操作的堆叠板谐振器300中接收电力时，电流流过由导电层324形成的电容器，从而创建感应电流回路。具体地，堆叠板谐振器300用作并联lc谐振器，并且能够向接收谐振器104无线传输电力或从传输谐振器102无线接收电力。[0042]堆叠板谐振器300的谐振频率可以是例如大约6.78兆赫兹(mhz)。具体地，堆叠板谐振器300的谐振频率与堆叠板谐振器300中的电感和电容的乘积的平方根成反比。电感和电容是基于堆叠板谐振器300的设计而确定的。因此，通过修改堆叠板谐振器300的设计，可以修改谐振频率。[0043]发射和接收谐振器102、104的谐振频率需要重叠以使无线电力传输系统100起作用。包括李兹线环的谐振器的谐振频率通常高达2.8mhz，而包括堆叠板的谐振器的谐振频率可以约为6.78mhz。此外，谐振器102、104的谐振频率与谐振器102、104中的电感和电容的乘积的平方根成反比，电感与线圈直径成正比。对于包括堆叠板的谐振器102、104，电容与板面积成正比。如果板的径向宽度保持相同，则电容也与线圈直径成正比。在堆叠板218环绕血泵组件206的实施例中，堆叠板218的线圈直径增加，使得堆叠板218的谐振频率在李兹线环216的谐振频率的上限范围内。为了进一步促进谐振频率重叠，可以通过调节介电层322的材料的介电常数或调节介电层322的厚度来修改堆叠板218之间的电容。[0044]无线电力传输系统100还可包括电连接到血泵组件206的植入式电池模块402。图4a-4d是接收谐振器104、电池模块402和血泵组件206的示例性配置的示意图。在这些实施例中，可以使用第一电缆404和第二电缆406来提供电连接。在图4a-4d中，包括一个或多个李兹线环216的接收谐振器104用作示例。本领域技术人员将理解，包括多个堆叠板218的接收谐振器104可以替代地使用，并且与电池模块402和血泵组件206类似地连接。[0045]在图4a和4b中，接收谐振器104使用第一电缆404直接电连接到血泵组件206。因此，接收谐振器104和电池模块402都能够直接向血泵组件206供电并且可以用作彼此的备份。例如，接收谐振器104通过第一电缆404电连接到血泵组件206，其中第一电缆404的第一端408连接到接收谐振器104，并且第一电缆404的第二端410连接到血泵组件206。电池模块402通过第二电缆406电连接到血泵组件206，其中第二电缆406的第一端412连接到电池模块402并且第二电缆406的第二端414连接到血泵组件206。[0046]在图4c和4d中，电池模块402电连接在接收谐振器104和血泵组件206之间。例如，电池模块402通过第一电缆404电连接到接收谐振器104，其中第一电缆404的第一端408连接到接收谐振器104并且第一电缆404的第二端410连接到电池模块402。电池模块402还通过第二电缆406电连接到血泵组件206，其中第二电缆406的第一端412连接到电池模块402并且第二电缆406的第二端414连接到血泵组件206。[0047]图5示出了向vad供电的无线电力传输系统100的另一配置。在该实施例中，发射谐振器102包括一个或多个李兹线环216(如图2a所示)，并且无线电力传输系统100的接收谐振器104包括堆叠板218(如图2a所示)。接收谐振器104靠近血泵组件206放置。接收谐振器104还可放置在肺220下方和隔膜222上方。无线电力传输系统100还包括与发射谐振器102一体形成的集线器502。集线器502和发射谐振器102可以包括在可穿戴配件504内。可穿戴配件504可以是例如邮差包。因此，发射谐振器102被配置为从患者的肩部506环绕患者的身体204到相对侧的患者臀部508。例如，如果接收谐振器104位于心脏214的左心室心尖处或附近，则最佳地，可佩戴配件504从左肩佩戴到右臀部。在一些实施例中，可穿戴配件504可以包括结构性非磁性部件，例如塑料销或塑料网，其使可穿戴配件504加强以防止扭曲。可能希望防止可穿戴配件504扭曲成8字形，因为在这种配置中发射谐振器102的磁场可能被部分抵消。加强部件仍然允许可穿戴配件504轻微弯曲。即，如果可穿戴配件504被认为是椭圆，则椭圆的长轴和短轴长度被允许改变以便舒适。[0048]在示例性实施例中，集线器502可以包括电力转换器(未示出)，该电力转换器被配置为将来自电源的电力转换为向发射谐振器102供电。电力转换器可以包括逆变器，该逆变器获取直流电并转换为无线电力传输系统100的工作频率的交流电。直流电可以来自外部电池。集线器可以可选地包括转换器以将来自壁装插座的交流电转换为具有与电池提供的相同直流电压的直流电。可替代地，电力转换器可以位于不同的部件中，例如与集线器502分离的功率模块。[0049]图6是发射无线电力的示例性方法600的流程图。方法600包括将无线电力从外部发射谐振器发射606到植入式接收谐振器，其中外部发射谐振器包括i)一个或多个李兹线环和ii)多个堆叠板中的一者。方法600进一步包括用植入式接收谐振器接收608无线电力，其中植入式接收谐振器包括i)一个或多个李兹线环和ii)多个堆叠板中的另一者。此外，方法600包括使用接收到的无线电力为vad供电610。[0050]图7是发射无线电力的另一示例性方法700的流程图。方法700包括将无线电力从外部发射谐振器发射706到植入式接收谐振器。方法700还包括利用植入有vad的对象的胸腔中植入的植入式接收谐振器接收708无线电力。此外，方法700包括使用接收到的无线电力为vad供电710。[0051]尽管已经参照特定实施例描述了本文公开的实施例和示例，但是应当理解，这些实施例和示例仅是对本公开的原理和应用的说明。因此应当理解，可以对说明性实施例和示例进行多种修改，并且可以设计其他布置而不背离由权利要求限定的本公开的精神和范围。因此，本技术旨在涵盖这些实施例及其等效物的修改和变化。[0052]该书面描述使用示例来公开本公开，包括最佳模式，并且还使本领域的任何技术人员能够实践本公开，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何包含的方法。本公开的专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果此类其他示例具有与权利要求的字面语言没有区别的结构元素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言没有实质差异的等效结构元素，则它们旨在处于权利要求的范围内。









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