RU169922U1

RU169922U1 - ENERGY DEVICE FOR IMPLANTED MEDICAL DEVICES

Info

Publication number: RU169922U1
Application number: RU2016128461U
Authority: RU
Inventors: Юрий Дмитриевич Акульшин; Иван Михайлович Комаревцев
Priority date: 2016-07-12
Filing date: 2016-07-12
Publication date: 2017-04-06

Abstract

Устройство энергообеспечения имплантируемых медицинских приборов содержит преобразователь энергии, включающий, по меньшей мере, один пьезоэлектрический элемент с нанесенными электродами, выполненный в виде пьезоэлектрической полимерной пленки (пьезопленки). Дополнительно содержит упругое основание, на котором расположена пьезопленка, частично его охватывая. На преобразователь энергии нанесено защитное влагостойкое покрытие, выполненное из эластичного биосовместимого полимера. Основание может быть скреплено с пьезоэлектрическим элементом с помощью клея-герметика; может быть выполнено в форме цилиндра, в форме многогранника, иметь переменную упругость и полость для размещения блока электроники. Техническим результатом является расширение арсенала средств энергообеспечения имплантируемых медицинских приборов.The energy supply device of implantable medical devices contains an energy converter comprising at least one piezoelectric element with deposited electrodes, made in the form of a piezoelectric polymer film (piezoelectric film). Additionally contains an elastic base on which the piezoelectric film is located, partially covering it. The moisture converter is coated with a moisture-proof protective coating made of an elastic biocompatible polymer. The base can be bonded to the piezoelectric element using adhesive sealant; can be made in the form of a cylinder, in the form of a polyhedron, have variable elasticity and a cavity to accommodate the electronics unit. The technical result is the expansion of the arsenal of means of energy supply of implantable medical devices.

Description

Устройство относится к медицине, к области энергообеспечения имплантируемых объектов различного назначения. В частности, может быть использовано при малоинвазивном лечении брадиаритмий для энергообеспечения электрокардиостимуляторов.The device relates to medicine, to the field of energy supply of implantable objects for various purposes. In particular, it can be used in minimally invasive treatment of bradyarrhythmias for energy supply of pacemakers.

В современной медицине широко применяются имплантируемые беспроводные устройства, осуществляющие мониторинг и поддержание работы различных органов тела (в частности электрокардиостимуляторы в кардиохирургии). Габариты данных устройств во многом обусловлены габаритами их источников питания. Перспективным направлением в уменьшении габаритов беспроводных имплантируемых устройств является применение микропреобразователей механической энергии тела человека (в частности - пульсаций давления крови в камерах сердца) в электрическую энергию, что позволит в процессе использования подзаряжать источник питания имплантированного устройства.In modern medicine, implantable wireless devices are widely used to monitor and maintain the work of various organs of the body (in particular, cardiac pacemakers in cardiac surgery). The dimensions of these devices are largely due to the dimensions of their power sources. A promising direction in reducing the size of wireless implantable devices is the use of micro-converters of the mechanical energy of the human body (in particular, pulsations of blood pressure in the chambers of the heart) into electrical energy, which will allow recharging the power source of the implanted device during use.

Известно устройство преобразования энергии био-кинетических событий живого организма в электрическую энергию, для питания различных имплантированных медицинских приборов (патент США 9026212; A61N 1/00, A61N 1/378; опубл. 05.05.2015); включающее энергетический преобразователь для расположения внутри человеческого тела, с генерирующим элементом (предпочтительно в форме стержня или волокон), в том числе выполненным из пьезоэлектрического материала, настраиваемый на частоту био-кинетических событий за счет подбора длины. Недостатком является необходимость подстройки на резонансную частоту в весьма широком диапазоне частот от 40 до 180 событий в минуту.A device is known for converting the energy of bio-kinetic events of a living organism into electrical energy, for powering various implanted medical devices (US patent 9026212; A61N 1/00, A61N 1/378; publ. 05/05/2015); including an energy converter for location inside the human body, with a generating element (preferably in the form of a rod or fibers), including made of a piezoelectric material, tuned to the frequency of bio-kinetic events due to the selection of length. The disadvantage is the need for tuning to the resonant frequency in a very wide frequency range from 40 to 180 events per minute.

Известно устройство пьезоэлектрического вибрационного преобразователя энергии, включающее опору и преобразователь, выполненный в виде пластины с разрезами с нанесенным пьезоэлектрическим материалом, закрепленной одним концом на опоре (заявка US 20150365018 Α1; H02N 2/18, H01L 41/08, A61N 1/378; опубл. 17.12.2015). Устройство позволяет преобразовать энергию механического перемещения в электрическую энергию. Однако конструкция устройства предназначена для восприятия сосредоточенной силы и требует дополнительных элементов для преобразования давления; что приводит к высокой сложности изготовления и недостаточной надежности.A device of a piezoelectric vibrational energy converter is known, including a support and a transducer made in the form of a plate with cuts coated with a piezoelectric material fixed at one end to a support (application US 20150365018 No. 1; H02N 2/18, H01L 41/08, A61N 1/378; publ. December 12, 2015). The device allows you to convert the energy of mechanical displacement into electrical energy. However, the design of the device is designed to absorb concentrated forces and requires additional elements to convert pressure; which leads to high manufacturing complexity and insufficient reliability.

Наиболее близким техническим решением, взятым в качестве прототипа, является безвыводная автономная интракорпоральная капсула с пьезоэлектрическим сбором энергии (патентная заявка США: US 20130238072 А1, A61N 1/362, опубл. 12.09.2013), содержащая преимущественно титановый корпус, включающий в себя электрическую схему с источником питания, преобразователь энергии, содержащий, по меньшей мере, один пьезоэлектрический элемент, соединенный с подвижным исполнительным элементом, имеющим жесткую поверхность, и корпусом. Пьезоэлектрический элемент (пьезоэлемент) включает в себя, по меньшей мере, одну структуру, по меньшей мере, одной пьезоэлектрической полоской. На пьезоэлектрический элемент нанесен, по меньшей мере, один электрод, по меньшей мере, частично его охватывающий. Пьезоэлемент преимущественно изготовлен из пьезокерамики цирконат-титаната свинца (PZT). Капсула преимущественно предназначена для свободного плавания в полости сердца.The closest technical solution, taken as a prototype, is a lead-free autonomous intracorporeal capsule with piezoelectric energy collection (US patent application: US 20130238072 A1, A61N 1/362, publ. 09/12/2013), containing mainly a titanium case, which includes an electrical circuit with a power source, an energy converter comprising at least one piezoelectric element connected to a movable actuating element having a rigid surface and a housing. A piezoelectric element (piezoelectric element) includes at least one structure of at least one piezoelectric strip. At least one electrode is deposited on the piezoelectric element, at least partially covering it. The piezoelectric element is mainly made of piezoelectric ceramics of lead zirconate titanate (PZT). The capsule is mainly intended for free swimming in the cavity of the heart.

К недостаткам данного устройства относятся высокая дороговизна и сложность обеспечения надежности и длительного срока службы, а также сбор энергии только с одной жесткой поверхности исполнительного элемента. Передача энергии с поверхности корпуса к пьезоэлементу приводит к энергетическим потерям. Кроме того, внутри прототипа содержится воздух, который при нарушении герметизации может попасть в кровоток сердца.The disadvantages of this device include the high cost and complexity of ensuring reliability and long service life, as well as the collection of energy from only one hard surface of the actuator. The transfer of energy from the surface of the housing to the piezoelectric element leads to energy loss. In addition, the inside of the prototype contains air, which, if the seal is broken, can enter the bloodstream.

Технической проблемой полезной модели является расширение арсенала технических средств энергообеспечения имплантируемых медицинских приборов.The technical problem of the utility model is the expansion of the arsenal of technical means of energy supply of implantable medical devices.

Сущность полезной модели заключается в том, что аналогично прототипу устройство энергообеспечения имплантируемых медицинских приборов содержит преобразователь энергии, включающий, по меньшей мере, один пьезоэлектрический элемент, на который нанесены электроды. В отличие от прототипа, устройство дополнительно содержит упругое основание. Пьезоэлектрический элемент выполнен в виде, по меньшей мере, одной пьезоэлектрической полимерной пленки (пьезопленки), которая расположена на основании, частично охватывая его. На преобразователь энергии нанесено защитное влагостойкое покрытие, выполненное из биосовместимого эластичного полимера.The essence of the utility model is that, similarly to the prototype, the energy supply device of implantable medical devices contains an energy converter comprising at least one piezoelectric element on which electrodes are applied. Unlike the prototype, the device further comprises an elastic base. The piezoelectric element is made in the form of at least one piezoelectric polymer film (piezoelectric film), which is located on the base, partially covering it. The moisture converter is coated with a moisture-proof protective coating made of a biocompatible elastic polymer.

Основание с пьезоэлектрическим элементом могут быть скреплены между собой с помощью клея-герметика. Основание может быть выполнено в виде цилиндра или в виде многогранника. Основание может быть выполнено с переменной упругостью. Для этого основание может быть армировано упругими волокнами или иметь упругие ребра жесткости.The base with the piezoelectric element can be fastened together using adhesive sealant. The base can be made in the form of a cylinder or in the form of a polyhedron. The base can be made with variable elasticity. For this, the base can be reinforced with elastic fibers or have elastic stiffeners.

Устройство может дополнительно содержать блок электроники, осуществляющий, например, преобразование энергии. Для размещения блока электроники основание может быть выполнено с полостью.The device may further comprise an electronics unit that performs, for example, energy conversion. To accommodate the electronics unit, the base can be made with a cavity.

Благодаря перечисленным признакам создано более простое устройство, расширяющее арсенал средств энергообеспечения имплантируемых медицинских приборов.Thanks to the listed features, a simpler device has been created that expands the arsenal of energy supply for implantable medical devices.

Сущность модели иллюстрируется чертежами:The essence of the model is illustrated by the drawings:

На Фиг. 1 представлен общий вид частного случая реализации устройства энергообеспечения имплантируемых медицинских приборов с упругим основанием в виде цилиндра, цилиндрическая поверхность которого частично охвачена пьезопленкой, и со встроенным блоком электроники, причем для наглядности частично снято защитное влагостойкое покрытие, где: 1 - пьезоэлектрический элемент; 2 - металлические электроды; 3 - упругое основание; 4 - защитное влагостойкое покрытие; 5 - соединительные провода, 6 - блок электроники.In FIG. Figure 1 shows a general view of a particular case of the implementation of an energy supply device for implantable medical devices with an elastic base in the form of a cylinder, the cylindrical surface of which is partially covered by a piezoelectric film, and with an integrated electronics unit, and for clarity, the moisture-proof protective coating is partially removed, where: 1 - a piezoelectric element; 2 - metal electrodes; 3 - elastic base; 4 - protective moisture resistant coating; 5 - connecting wires, 6 - electronics unit.

Фиг 2 - частный случай устройства с формой основания в виде параллелепипеда и двумя элементами, скрепленными с боковыми гранями основания.Fig 2 is a special case of the device with the shape of the base in the form of a parallelepiped and two elements bonded to the side faces of the base.

В частном случае реализации (Фиг. 1) устройство энергообеспечения имплантируемых медицинских приборов содержит преобразователь энергии, включающий пьезоэлектрический элемент 1 в виде полимерной пленки. На пленку с обеих сторон нанесены два электрода 2. Пьезоэлектрический элемент 1 закреплен с помощью клея на основании 3, выполненном из упругого материала в виде цилиндра. Основание 3 выполнено с полостью, в которой размещен блок электроники 6, соединенный с электродами 2 проводами 5. На преобразователь энергии нанесено защитное влагостойкое покрытие 4, выполненное из эластичного биосовместимого полимера.In the particular case of implementation (Fig. 1), the energy supply device of implantable medical devices contains an energy converter comprising a piezoelectric element 1 in the form of a polymer film. Two electrodes 2 are deposited on the film on both sides. The piezoelectric element 1 is fixed with glue on a base 3 made of an elastic material in the form of a cylinder. The base 3 is made with a cavity in which the electronics unit 6 is connected, connected to the electrodes 2 by wires 5. A moisture-proof protective coating 4 made of an elastic biocompatible polymer is applied to the energy converter.

В случае выполнения устройства без встроенного блока электроники 6, электроды 2 соединяют с помощью проводов 5 с имплантируемым медицинским прибором.In the case of the device without the built-in electronics 6, the electrodes 2 are connected using wires 5 with an implantable medical device.

В случае использования в устройстве двух и более пьезоэлементов 1 (Фиг. 2), электроды 2 могут соединяться проводами 5 друг с другом и присоединяться к блоку электроники/имплантируемому медицинскому прибору в различных конфигурациях (последовательно, параллельно, или независимо друг от друга).If two or more piezoelectric elements 1 are used in the device (Fig. 2), the electrodes 2 can be connected by wires 5 to each other and connected to the electronics / implantable medical device in various configurations (sequentially, in parallel, or independently from each other).

Пьезопленки выполнены из полимерного материала, обладающего пьезоэлектрическими свойствами, высокой гибкостью и прочностью, низкой плотностью, например из поливинилденфторида (ПВДФ) или его сополимеров. Упругая деформация пьезопленок в 10 раз превышает аналогичную характеристику распространенных пьезокерамических элементов. Пьезопленки работают в широком диапазоне частот, не имея «предпочтительной» частоты. Толщина пьезопленки составляет от 10 до 120 мкм.Piezo films are made of a polymer material having piezoelectric properties, high flexibility and strength, low density, for example, polyvinylidene fluoride (PVDF) or its copolymers. The elastic deformation of piezoelectric films is 10 times higher than the similar characteristic of common piezoelectric ceramic elements. Piezo films operate in a wide range of frequencies without having a “preferred” frequency. The thickness of the piezoelectric film is from 10 to 120 microns.

Основание 3 может иметь различную форму, в частности цилиндра (фиг. 1), куба, параллелепипеда (фиг. 2), или иного многогранника, и выполнено из упругого материала, инертного для организма, например пенообразующего силиконового герметика или пенополиуретана.The base 3 may have a different shape, in particular a cylinder (Fig. 1), a cube, a parallelepiped (Fig. 2), or another polyhedron, and is made of an elastic material inert to the body, for example, foaming silicone sealant or polyurethane foam.

Основание может быть выполнено с переменной упругостью с целью достижения максимальной деформации по площади пьезопленки. Для этого основание может быть армировано упругими волокнами или иметь упругие ребра жесткости. Создание необходимой структуры может выполняться методами программируемой 3D печати.The base can be made with variable elasticity in order to achieve maximum deformation over the area of the piezoelectric film. For this, the base can be reinforced with elastic fibers or have elastic stiffeners. Creation of the necessary structure can be performed using programmable 3D printing methods.

Защитное влагостойкое покрытие 4 должно обладать биосовместимостью с живым организмом, и одновременно быть эластичным, т.к. должно обеспечивать передачу внешнего механического воздействия пьезопленке с минимальными потерями без растрескивания и расслаивания, например быть выполненным на основе силикона, полисилоксана или полиуретана.Protective moisture-resistant coating 4 must be biocompatible with a living organism, and at the same time be elastic, because should ensure the transfer of external mechanical stress to the piezoelectric film with minimal losses without cracking and delamination, for example, be made on the basis of silicone, polysiloxane or polyurethane.

В случае необходимости преобразования электрического сигнала, генерируемого устройством в нужную для работы имплантируемого медицинского прибора форму, устройство может использоваться с внешним блоком электроники или содержать блок электроники (Фиг. 1) преобразующий выходной сигнал. В последнем случае для размещения блока электроники основание выполняют с полостью.If it is necessary to convert the electric signal generated by the device into the form necessary for the implantable medical device to work, the device can be used with an external electronics unit or contain an electronics unit (Fig. 1) converting the output signal. In the latter case, to place the electronics unit, the base is made with a cavity.

Устройство может применяться с любыми имплантируемыми в тело устройствами, осуществляющими мониторинг и/или поддержание работы различных органов тела, как например электрокардиостимулятор, электродефибрилятор и т.п.The device can be used with any devices implantable in the body that monitor and / or maintain the functioning of various organs of the body, such as an pacemaker, electrophysical defibrillator, etc.

Принцип работы устройства состоит в следующем.The principle of operation of the device is as follows.

В частном случае реализации при установке в тело человека кардиостимулятора, устройство энергообеспечения имплантируемых медицинских приборов помещают в желудочек сердца и соединяют соединительными проводами 5 с кардиостимулятором. Во время сердечного цикла на систолической фазе происходит повышение давления в желудочке сердца, что приводит к одновременной упругой деформации покрытия 4, элемента 1 и основания 3, в результате которой возникают механические напряжения в пьезоэлектрическом элементе 1, что вызывает появление электрического импульса на электродах 2.In the particular case of the implementation, when a pacemaker is installed in the human body, the energy supply device of implantable medical devices is placed in the ventricle of the heart and connected by connecting wires 5 to the pacemaker. During the cardiac cycle in the systolic phase, an increase in pressure in the ventricle of the heart occurs, which leads to simultaneous elastic deformation of the coating 4, element 1 and base 3, resulting in mechanical stresses in the piezoelectric element 1, which causes the appearance of an electric pulse on the electrodes 2.

На фазе диастолы происходит снижение давления, покрытие 4, элемент 1 и основание 3 возвращаются в исходное состояние за счет упругости основания, при этом элементом 1 вырабатывается импульс противоположной полярности. Таким образом, в результате циклического воздействия давлениякрови в желудочке сердца, посредством пьезоэффекта на элементе 1 вырабатывается электрическая энергия, поступающая по проводам 5в кардиостимулятор.At the diastole phase, pressure decreases, coating 4, element 1 and base 3 return to their original state due to the elasticity of the base, while element 1 generates a pulse of opposite polarity. Thus, as a result of the cyclic effect of blood pressure in the ventricle of the heart, by means of the piezoelectric effect on the element 1, electric energy is generated, which is transmitted through the wires 5c to a pacemaker.

В результате работы устройства происходит подзарядка источника питания кардиостимулятора, следовательно, увеличение срока службы электрокардиостимулятора и снижение риска осложнений от биофизического взаимодействия наружного зарядного устройства с организмом пациента.As a result of the operation of the device, the power supply of the pacemaker is recharged, therefore, the service life of the pacemaker is increased and the risk of complications from the biophysical interaction of the external charger with the patient's body is reduced.

Были изготовлены опытные образцы размерами 6×3×20 мм, в которых пьезоэлектрический элемент выполнен в виде пьезопленки толщиной 28 мкм из поливинилиденфторида (ПВДФ), скрепленной посредством силиконового герметика с основанием из пенополиуретана, наружное защитное покрытие выполнено из силиконового герметика. Электроды выполнены методом поверхностной печати, что обеспечивает повышенную гибкость и устойчивость к циклическим воздействиям. Образцы были испытаны на стенде при циклических воздействиях в среде физиологического раствора в диапазоне давлений от 5 до 12 кПа на частотах от 1 до 4 Гц. Величина генерируемой энергии достигает 2 нДж, что достаточно для подзарядки имплантируемого медицинского прибора.Prototypes 6 × 3 × 20 mm in size were made in which the piezoelectric element was made in the form of a 28 μm thick piezoelectric film made of polyvinylidene fluoride (PVDF) bonded with a silicone sealant and a polyurethane foam base, and the outer protective coating was made of silicone sealant. The electrodes are made by surface printing, which provides increased flexibility and resistance to cyclic influences. Samples were tested on a bench under cyclic influences in a physiological saline solution in the pressure range from 5 to 12 kPa at frequencies from 1 to 4 Hz. The generated energy reaches 2 nJ, which is enough to recharge an implantable medical device.

Таким образом, создано более простое устройство, расширяющее арсенал средств энергообеспечения имплантируемых медицинских приборови увеличивающее срок их службы.Thus, a simpler device was created that extends the arsenal of energy supply for implantable medical devices and increases their service life.

Claims

1. The energy supply device of implantable medical devices containing an energy converter comprising at least one piezoelectric element on which electrodes are applied, characterized in that it further comprises an elastic base, the piezoelectric element is made in the form of a piezoelectric polymer film, at least one the piezoelectric element is located on the base, partially covering it, a protective elastic moisture-resistant coating made of b and compatible polymer.

2. The device according to claim 1, characterized in that the base is bonded to the piezoelectric element using adhesive sealant.

3. The device according to p. 1, characterized in that the base is made in the form of a cylinder.

4. The device according to claim 1, characterized in that the base is made in the form of a polyhedron.

5. The device according to p. 1, characterized in that it further comprises an electronics unit, and the base is made with a cavity for its placement.

6. The device according to p. 1, characterized in that the base is made with variable elasticity.

7. The device according to p. 6, characterized in that the base is reinforced with elastic fibers.

8. The device according to p. 6, characterized in that the base is equipped with elastic stiffeners.