CN102512760A - 基于呼吸运动的植入式能量采集器 - Google Patents

基于呼吸运动的植入式能量采集器 Download PDF

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Abstract

本发明公布了一种基于呼吸运动的植入式能量采集器，包括换能器，该换能器主要由活动联接结合头，双稳态压电金属片，定位导轨以及封装外壳构成；定位导轨固定于封装外壳上，与活动联接结合头滑动配合；双稳态压电金属片位于活动联接结合头中间，其两侧分别与活动联接结合头相连；定位导轨以及封装外壳位于活动联接结合头的两侧。将换能器两活动端固定于相邻两肋上，当呼吸时，胸腔膨胀收缩导致肋骨间隙变化，带同交叉联接头使双稳态压电金属片周期性形变产生持续电流。本发明实现了人体胸腔内植入式设备的永久稳定能源供应。同时体积小，降低了病人的身体负担同时可免于植入后为更换电池而进行的二次手术。

Description

基于呼吸运动的植入式能量采集器
技术领域
本发明涉及的是一种医用器械技术领域的能量采集器，具体是一种基于呼吸运动的植入式能量采集器。
背景技术
植入式心脏起搏器或者除颤器维持着上百万心脏病患者的生病，这类设备一般由两部分组成，脉冲发生器以及电池。用于植入式医疗电子设备的电池是不能随意更换的。在植入式医疗电子设备密封之前，电池就牢固地固定在其内部。从这以后，在植入式医疗电子设备的侧试阶段、储存阶段以及植入人体之后，植入式电池就一直为设备供电。因此该植入式设备中电池的的使用寿命就决定了该设备的使用寿命，一般心脏起搏器的工作年限是5年到10年，同时要求植入式电池需要具有极小的输出电压降，其具体工作时间视情况而定。因此目前主要的植入式心脏起搏/除颤器其电池体积占设备整体的一半以上，加大了病人的身体负担同时在使用年限后需重新进行手术更换电池。因此迫切的需要一种真正意义上的永久植入式设备，改种设备一旦植入无需更换电池可实现体内自动冲电，保证了输出电压的稳定。
经对现有技术的检索发现，Allan T.Evans，Srinivas Chiravuri Yogesh B.Gianchandani，等人在Biomed Microdevices 2010，12，179-185.撰文“Transdermalpower transfer for recharging implanted drug delivery devices via the refillport”该文中提及了一种利用插入式探针对植入式设备冲能。该种方法对于植入式设备延长使用寿命开创了一个新的思路，但是其缺点在于长时间的探针插入皮肤易感染并引起的不适，并且皮下器件插口对准也是一大难点。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，提出一种基于呼吸运动的植入式能量采集器，将能量采集器件活动端通过手术连接于相邻肋骨上，在正常呼吸运动时，呼吸肌肉和肋骨膨胀收缩引起胸腔体积变化。两肋骨间隙距离发生变化，带动能量采集器运动，将机械能转变为电能存储于充电电池中。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明所述的基于呼吸运动的植入式能量采集器，包括换能器，该换能器主要由活动联接结合头，双稳态压电金属片，定位导轨以及封装外壳构成。所述定位导轨固定安装于封装外壳上，与所述活动联接结合头滑动配合，所述活动联接结合头只能沿导轨方向往复滑动；所述双稳态压电金属片位于所述活动联接结合头中间，其两侧分别与所述活动联接结合头相连。所述定位导轨以及封装外壳位于所述活动联接结合头的两侧。
本发明中，所述活动联接结合头为一对共两只联接头组成，其中一只联接头一端扁平，另一端呈九十度扭转，所述双稳态压电金属片位于该扭转部分。另一只联接头两端扁平，联接于外壳之上。
所述联接头材料为特氟龙塑料，或者其他可植入生物体内材料。
所述联接头具有一定的柔性，其尺寸可变，在不受外力作用下，为正常人类(身高175cm)左胸腔第二、第三根肋骨之间距离的一半，约为10毫米但不限于10毫米。其正交接头之间间隙为7毫米但不限于7毫米。
所述活动联接结合头各个联接部分为非固定联接，具有一定自由度，活动角为10～25度，以15度最佳。
所述活动联接结合头联接方式也可一端与外壳固定，一端为活动联接且不限于两端皆可活动活动。
本发明中，所述定位导轨为两根一组，两根导轨平行固定安装于外壳上，滑动约束面相对，使活动联接结合头只能沿导轨方向往复滑动。定位导轨宽度与活动联接结合头连杆宽度相同，约5毫米。
所述定位导轨材料为特氟龙塑料或其他可植入人体内材料。
本发明中，所述双稳态压电金属片，由压电薄膜和双稳定金属片组成，金属片作为底面电极，压电薄膜上电极需要做好与底面电极绝缘保护，可通过CVD沉积高分子聚合物，涂敷绝缘油漆以及包裹特氟龙树料等方法实现。其产生电能通过引线引出。联接好线路后需整体包覆一层ParyleneC聚合物材料用于绝缘防水。
所述双稳态压电金属片为四边形弯曲薄片，压电薄膜厚度不超过50微米，金属片厚度不超过50微米，其弯曲变形力优选远低于正常呼吸运动时产生的肌肉驱动力，以避免使患者有不适感。
所述双稳态压电金属由压电陶瓷薄膜或者聚偏氟乙烯(PVDF)和双稳定金属片粘合制成。每片双稳态压电金属片边长不超过1厘米，以7毫米x5毫米较好，但不限于该尺寸。
本发明中，所述封装外壳为复合封装外壳，最内层由特氟龙塑料或者其他可植入人体内材料制成，主要作用为保持器件结构稳定、密封。在特氟龙外壳之外化学气相沉积一层ParyleneC密封薄膜。在ParyleneC薄膜外包裹一层硅橡胶后再次涂敷ParyleneC薄膜作为生物相容保护。
本发明上述采集器使用时，将换能器活动联接结合头两活动端固定于相邻两肋上，当呼吸时，胸腔膨胀收缩导致肋骨间隙变化，带动交叉活动联接结合头使双稳态压电金属片周期性形变产生持续电流，实现了体内植入式样器件的稳定能量来源。
与现有技术相比，本发明制备的呼吸采能器可通过人体呼吸运动将机械运动能转变成电能并将其输出到充电电池中存储，实现了人体胸腔内植入式设备的永久稳定能源供应。同时本发明制备所获得的能量采集器体积只有传统心脏起搏器电池的五分之一，降低了病人的身体负担同时可免于植入后为更换电池而进行的二次手术。
附图说明
图1为实施例1采集器整体示意图(外壳已打开)；
图2为实施例1采集器金属片示意图；
图3为实施例1采集器联接头示意图；
图4为实施例1采集器带有扭转部的联接头示意图；
图5为实施例1采集器导轨示意图；
图6为实施例1采集器外壳示意图；
图7为实施例2采集器整体示意图(外壳已打开)；
图8为实施例2采集器压电金属片示意图；
图9为实施例2采集器活动联接头示意图；
图10为实施例2采集器导轨示意图；
图11为实施例2采集器外壳示意图；
图12为实施例3采集器整体示意图(外壳已打开)；
图13为实施例3采集器压电金属片示意图；
图14为实施例3采集器活动联接头示意图；
图15为实施例3采集器导轨示意图；
图16为实施例3采集器外壳示意图；
图中：1、2联接头、3外壳、4导轨、5双稳态压电金属片。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例一：
如图1所示，本实施例包括换能器，该换能器由活动联接结合头，双稳态压电金属片5，定位导轨4以及封装外壳3构成；所述定位导轨4固定安装于封装外壳3上，与所述活动联接结合头滑动配合，所述活动联接结合头只能沿导轨4方向往复滑动；所述双稳态压电金属片5位于两个所述活动联接结合头中间，其两侧分别与所述活动联接结合头相连；所述定位导轨4以及封装外壳3位于所述活动联接结合头的两侧。本实施例整体尺寸18毫米X10毫米X5毫米。
如图3-4所示，本实施例中，联接肋骨以及压电片的活动联接结合头；
所述联接头材料为特氟龙塑料。
所述活动联接结合头为一组两只联接头构成，联接头1两端夹角为零，联接头2两端夹角呈九十度。所述联接头具有一定的柔性，可弯曲，长度为8毫米，与压电片联接部分为两指叉状联接，间隙为7毫米。
所述联接头1、2各个联接部分为非固定联接，具有一定自由度，活动角为15度。
如图5所示，本实施例中，所述定位导轨材料为特氟龙塑料。
所述定位导轨4为两根一组，两根导轨平行固定安装于器件外壳3上，滑动约束面相对，其宽度与活动联接头连杆宽度相同，为7毫米。
所述定位导轨4与活动联接结合头滑动配合，约束其运动自由度，使活动联接头只能沿导轨方向往复滑动。导轨另一侧联接于外壳上。
如图2所示，本实施例中，所述双稳态压电金属片5由压电陶瓷薄膜和双稳定金属片粘合制成。金属为0.5毫米厚铁片，长宽尺寸为7毫米x3毫米。
所述双稳态压电金属片5，由金属片作为底面电极，压电薄膜上电极需要做好与底面电极绝缘保护，其保护层为CVD沉积ParyleneC聚合物薄膜。其产生电能通过引线引出。联接好线路后再次需整体包覆一层ParyleneC聚合物材料用于绝缘防水。
所述双稳态压电金属片5安装方式为相对应的两边与活动联接头1相连，另外两边与活动联接头2相连。
如图6所示，所述封装外壳3为复合封装，最内层由特氟龙塑料制成，主要作用为保持器件结构稳定、密封。在特氟龙外壳之外化学气相沉积一层ParyleneC密封薄膜。在ParyleneC薄膜外包裹一层硅橡胶后再次涂敷ParyleneC薄膜作为生物相容保护。
实施例二：
如图7所示，本实施例包括活动联接结合头，双稳态压电金属片5，定位导轨4以及封装外壳3构成，连接方式与实施例一相同。本实施例整体尺寸20毫米X12毫米X5毫米。
如图9所示，联接肋骨以及压电片的活动联接结合头；其中联接头材料为特氟龙塑料。活动联接结合头为一组两只，一只联接头两端呈九十度夹角，另一只联接头固联于外壳3上。所述联接头1、2具有一定的柔性，可弯曲，长度为9毫米，与压电片联接部分为两指叉状联接，间隙为8毫米。
所述联接头各个联接部分为非固定联接，具有一定自由度，活动角为15度。
如图10所示，所述定位导轨材料为特氟龙塑料。
所述定位导轨4为两根一组，两根导轨平行固定安装于器件外壳上，滑动约束面相对，其宽度与活动联接头连杆宽度相同，为8毫米。
所述定位导轨4与活动联接结合头滑动配合，约束其运动自由度，使活动联接头只能沿导轨方向往复滑动。导轨另一侧联接于外壳上。
如图8所示，所述双稳态压电金属片5由聚偏氟乙烯(PVDF)薄膜和双稳定金属片粘合制成。金属为0.5毫米厚铁片，长宽尺寸为8毫米x3毫米。
所述双稳态压电金属片5，由金属片作为低面电极，压电薄膜上电极需要做好与低电极绝缘保护，其保护层为CVD沉积ParyleneC聚合物薄膜。其产生电能通过引线引出。联接好线路后再次需整体包覆一层ParyleneC聚合物材料用于绝缘防水。
所述双稳态压电金属片5安装方式为相对应的活动联接头相连，另外两边与固定在外壳上的联接头相连。
如图11所示，所述封装外壳为复合封装，最内层由特氟龙塑料制成，主要作用为保持器件结构稳定、密封。在特氟龙外壳之外化学气相沉积一层ParyleneC密封薄膜。在ParyleneC薄膜外包裹一层硅橡胶后再次涂敷ParyleneC薄膜作为生物相容保护。
实施例三：
如图12所示，本实施例包括：活动联接结合头，双稳态压电金属片5，定位导轨4以及封装外壳3构成。连接方式与实施例相同。本实施例整体尺寸20毫米X12毫米X5毫米。
如图14所示，本实施例中，联接肋骨以及压电片的活动联接结合头，其中联接头材料为特氟龙塑料。活动联接结合头为一组两只，一只联接头两端呈九十度夹角，另一只联接头固联于外壳上。所述联接头具有一定的柔性，可弯曲，长度为8毫米，与压电片联接部分为两指叉状联接，间隙为8毫米。
所述联接接头各个联接部分为非固定联接，具有一定自由度，活动角为15度。
如图15所示，所述定位导轨材料为特氟龙塑料。
所述定位导轨4为两根一组，两根导轨平行固定安装于器件外壳上，滑动约束面相对，其宽度与活动联接头连杆宽度相同，为8毫米。
所述定位导轨4与活动联接结合头滑动配合，约束其运动自由度，使活动联接头只能沿导轨方向往复滑动。导轨另一侧联接于外壳上；
如图13所示，所述双稳态金属片5由聚偏氟乙烯(PVDF)薄膜和双稳定金属片粘合制成。金属为0.5毫米厚铁片，长宽尺寸为8毫米x3毫米，两块金属片重叠安装，增大输出。
所述双稳态压电金属片5，由金属片作为低面电极，压电薄膜上电极需要做好与低电极绝缘保护，其保护层为CVD沉积ParyleneC聚合物薄膜。其产生电能通过引线引出。联接好线路后再次需整体包覆一层ParyleneC聚合物材料用于绝缘防水。
所述双稳态压电金属片安装方式为相对应的活动联接头相连，另外两边与固定在外壳上的联接头相连。
如图16所示，所述封装外壳3为复合封装，最内层由特氟龙塑料制成，主要作用为保持器件结构稳定、密封。在特氟龙外壳之外化学气相沉积一层ParyleneC密封薄膜。在ParyleneC薄膜外包裹一层硅橡胶后再次涂敷ParyleneC薄膜作为生物相容保护。
以上实例所制备的呼吸运动能量采集器，其优点是：通过在患者胸腔内安装植入式设备的同时在体内肋骨侧壁上安装该采能装置，手术一次完成；在患者的整个生命周期内无需因更换电池而再次接受手术。同时该设备结构简单，可靠性高，体积小，减小了安装设备的电池体积，减轻患者身体负担。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种基于呼吸运动的植入式能量采集器，其特征在于包括换能器，该换能器主要由活动联接结合头，双稳态压电金属片，定位导轨以及封装外壳构成；所述定位导轨固定安装于封装外壳上，与所述活动联接结合头滑动配合，所述活动联接结合头只能沿导轨方向往复滑动；所述双稳态压电金属片位于所述活动联接结合头中间，其两侧分别与所述活动联接结合头相连；所述定位导轨以及封装外壳位于所述活动联接结合头的两侧。
2.根据权利要求1所述的基于呼吸运动的植入式能量采集器，其特征在于，所述的活动联接结合头为一对共两只联接头组成，其中一只所述联接头一端扁平，另一端呈九十度扭转，所述双稳态压电金属片位于该扭转部分。
3.根据权利要求2所述的基于呼吸运动的植入式能量采集器，其特征在于，所述的联接头，其各个联接部分为活动联接，活动角为10～25度。
4.根据权利要求3所述的基于呼吸运动的植入式能量采集器，其特征在于，所述活动角为15度。
5.根据权利要求1所述的基于呼吸运动的植入式能量采集器，其特征在于，所述定位导轨为两根一组，两根导轨平行固定安装于器件外壳上，滑动约束面相对，其宽度与活动联接头连杆宽度相同。
6.根据权利要求1所述的基于呼吸运动的植入式能量采集器，其特征在于，所述双稳态压电金属片由压电陶瓷薄膜或者聚偏氟乙烯和双稳定金属片粘合制成。
7.根据权利要求1或6所述的基于呼吸运动的植入式能量采集器，其特征在于，所述双稳态压电金属片，由金属片作为底面电极，压电薄膜上电极与底面电极绝缘，产生电能通过引线引出，联接好线路后整体包覆一层ParyleneC聚合物材料。
8.根据权利要求7所述的基于呼吸运动的植入式能量采集器，其特征在于，所述双稳态压电金属片为四边形弯曲薄片，压电薄膜厚度小于等于50微米，金属片厚度小于等于50微米。
9.根据权利要求1所述的基于呼吸运动的植入式能量采集器，其特征在于，所述封装外壳为复合封装外壳，最内层由特氟龙塑料制成，在特氟龙外壳外设有一层ParyleneC密封薄膜，在ParyleneC薄膜外包裹一层硅橡胶后再次涂敷ParyleneC薄膜作为生物相容保护。
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