本發(fā)明屬于電磁波時間反演領(lǐng)域，尤其涉及心臟起搏器的無線充電系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

目前心臟起搏器多采用電池形式，電池壽命約5～10年，一旦用完患者需要重新更換電池，無疑給患者帶來再次痛苦。

目前對于無線充電有電磁感應(yīng)、磁共振和電磁波傳輸三種方式，其中由于電磁波輸電效率太低，故至今未得到廣泛研究和應(yīng)用。

1965年，Parvulecu和Clay對時間反演(TR,Time Reverse)進行了報道以來，目前時間反演技術(shù)已經(jīng)被廣泛用于電磁波領(lǐng)域，時間反演技術(shù)主要是利用主動源和探測源輻射的信號通過空間傳播后被收發(fā)合置的天線陣列記錄下來，相應(yīng)的天線和后部處理系統(tǒng)將接收的時域信號進行歸一化，并在時間軸上進行反轉(zhuǎn)，以時間反演后的序列進行重新發(fā)射。時間信號將回溯到原信道，在初始源所在的位置進行匯聚，進而實現(xiàn)能量聚焦。在聚焦區(qū)域內(nèi)，能量最大，而且其波形也與初始源發(fā)射出來的信號極其相似，僅幅度上的縮放，時間上的反轉(zhuǎn)，整個過程像時間倒流一樣，因此稱為時間反演技術(shù)。時間反演技術(shù)因其強大的時空聚焦特性，以及能對多徑效應(yīng)有效抑制的特點，從而為心臟起搏器的無線充電能夠帶來較先進的方法與應(yīng)用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出了一種可應(yīng)用于心臟起搏器供電的基于時間反演技術(shù)下的新型無線充電技術(shù)。

為達到上述目的本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種基于時間反演技術(shù)的新型無線充電式心臟起搏器，包括心臟起搏器、內(nèi)置端和基站回溯端。

所述內(nèi)置端包括收發(fā)整流天線、儲能電池、電源監(jiān)測電路、以及脈沖發(fā)射器；所述基站回溯端包括方向可回溯天線陣列以及電源。

所述收發(fā)整流天線用于發(fā)射和接受信號，并把接收到的時間反演信號波轉(zhuǎn)換成直流電流；所述脈沖發(fā)射器，用于發(fā)出試探脈沖信號；電源監(jiān)測電路是整個內(nèi)置端的監(jiān)控電路，用于檢測儲能電池內(nèi)電量以及控制脈沖發(fā)射器；所述儲能電池用于給心臟起搏器裝置供電；所述方向可回溯天線陣列，用于接收試探脈沖信號，并發(fā)射相應(yīng)的方向回溯波即時間反演信號波；所述電源用于給方向可回溯天線陣列供電。

當內(nèi)置端的電源監(jiān)測電路監(jiān)測到儲能電池內(nèi)電量低于設(shè)定閥值時，脈沖發(fā)射器發(fā)出試探脈沖信號并通過收發(fā)整流天線將信號發(fā)送給方向可回溯天線陣列。

方向可回溯天線陣列接收到試探脈沖信號時，基站回溯端啟動輸電模式；方向可回溯天線陣列輻射方向回溯波；收發(fā)整流天線將接收到的方向回溯波整流為直流電流，并儲存于儲能電池內(nèi)，用于給整個內(nèi)置端和心臟起搏器供電。

當內(nèi)置端的監(jiān)測電路監(jiān)測到電量充滿或高于預設(shè)閥值，內(nèi)置端所包含的脈沖發(fā)射器便不再發(fā)射脈沖信號，充電完成。

進一步地，所述收發(fā)整流天線為全向天線。

進一步地，基站回溯端還包括體外監(jiān)測顯示儀，顯示體內(nèi)的電源監(jiān)控電路的工作情況，以及心臟起搏器的工作情況是否正常。

本發(fā)明的有益效果:

1.充電距離相比于傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)無線充電要遠。一般來說，時間反演用于無線充電的距離可達10米。

2.時間反演充電技術(shù)具有自動的能量聚焦的特性，因此，使用時間反演技術(shù)對心臟起搏器充電，則患者在任意位置處都可以充電，相比于傳統(tǒng)的近距離，例如電磁感應(yīng)充電方式，更為方便和靈活。

3.電路設(shè)計更為簡單，采用收發(fā)整流天線，省去了復雜的整流電路的設(shè)計。

附圖說明

圖1為該裝置的內(nèi)置端示意圖，被植入患者身體內(nèi)。

圖2為外置端示意圖，放在患者身體外。

具體實施方式

如圖1、2所示，根據(jù)上述一種基于時間反演技術(shù)的新型無線充電式心臟起搏器具體實現(xiàn)步驟是：

心臟起搏器內(nèi)置電源監(jiān)測電路檢查心臟起搏器電路中的電池系統(tǒng)，當電量低于某一閥值，開始對心臟起搏器系統(tǒng)充電，單刀雙擲開關(guān)將收發(fā)整流天線轉(zhuǎn)向發(fā)射天線電路；收發(fā)整流天線與脈沖發(fā)射器連接，這時，脈沖發(fā)射器發(fā)出的試探脈沖信號p_s(t)經(jīng)收發(fā)整流天線向四周全向發(fā)射。

當基站回溯端檢查到方向可回溯天線陣列某天線陣元上的電量高于某一閥值時，基站回溯端啟動輸電模式，經(jīng)研究，方向可回溯天線陣輻射的入射波與相應(yīng)回溯波(反射波，散射波)組成的相位共軛波系統(tǒng)在頻偏較小的情況下,表現(xiàn)出了很好的時空聚焦特性。具體過程如下：設(shè)第n個方向回溯天線單元收到的入射波信號脈沖p_sn(t)為為基帶高斯二階脈沖，p_s(t)是所有天線陣列入射波信號脈沖p_sn(t)的總和，入射電場表達式為首先假設(shè)共軛波角頻率和入射波角頻率相同時，令其相位共軛波電場為

式中，為入射電場的振幅，為入射電場的相位，為一矢量，表示方向回溯天線陣上的點源到收發(fā)整流天線的距離，t表示時間，w_sn為入射波的角頻率，k_sn為入射波的傳播常數(shù)。

記是關(guān)于的函數(shù)，包含了入射電場的振幅和相位，同理記的共軛為

則式(1)和(2)可化簡為：

將入射波的表達式(3)和共軛波的表達式(4)寫成實數(shù)形式：

比較(5)與(6)式可以得出：

式(7)表明共軛波是入射波的時間反演。

對廣義相位共軛波來說，由于幅度的變化并不影響時間廣義相位共軛波的時間反演特性，當共軛波角頻率和入射波角頻率相異時，設(shè)w_cn＝w_sn+Δw＝w_sn(1+Δw/w_sn)，w_cn是時間反演信號波的角頻率，Δw為時間反演信號波的角頻率與入射波的角頻率的差值，則共軛波的表達式為：

其中K為幅度系數(shù)，為一任意實數(shù)，是入射波的廣義時間反演。

式(8)表示的共軛波不滿足時間反演特性，此時有：

但當時，即共軛波角頻率和入射波角頻率相同或相差很小時，綜合(7)式，式(9)變?yōu)椋?/p>

于是當共軛波角頻率和入射波角頻率相同或相差很小時，共軛波的時間反演特性得證，即方向可回溯天線陣輻射的入射波與相應(yīng)回溯波(反射波，散射波)組成的相位共軛波系統(tǒng)在頻偏較小的情況下,表現(xiàn)出了很好的時空聚焦特性。此時，單刀雙擲開關(guān)將收發(fā)整流天線轉(zhuǎn)為接收模式，假設(shè)收發(fā)整流天線接收到的第n個方向可回溯天線單元(即第n個輸能單元)反射后的信號為pcn(t)，利用收發(fā)整流天線接收到來自多個方向可回溯天線陣發(fā)出的能量信號，然后將這些能量信號存儲在儲能電池中，完成一次充電。

重復上述過程，對心臟起搏器進行多次充電，當內(nèi)置端的監(jiān)測電路監(jiān)測到電量充滿或高于預設(shè)閥值，內(nèi)置端所包含的脈沖發(fā)射器便不再發(fā)射脈沖信號，充電完成。