CN104740772A

CN104740772A - 生物能心脏起搏器

Info

Publication number: CN104740772A
Application number: CN201410159319.9A
Authority: CN
Inventors: 张�浩; 曲丹
Original assignee: Second Military Medical University SMMU
Current assignee: Second Military Medical University SMMU
Priority date: 2013-12-26
Filing date: 2014-04-21
Publication date: 2015-07-01

Abstract

本发明提供一种生物能心脏起搏器，其特征在于，具有：心律监测部，脉冲发生器，刺激电极以及发电部，其中，发电部包括发电主体、调节端、输出电极、电能存储单元以及封装层，发电主体用于包绕主动脉，以采集主动脉扩张时所产生的机械能，并转化为电能，发电主体为多层薄膜结构，包括位于中心层的压电材料层，以及分别位于压电材料层两侧的第一电极层和第二电极层，调节端位于发电主体的两端，用于调节发电主体的长度，输出电极用于将电能输送给电能存储单元，电能存储单元用于存储电能并为脉冲发生器、心律监测部和刺激电极供电，封装层覆盖于发电主体、调节端以及输出电极表面。本发明的生物能心脏起搏器免去了使用电池作为电源的必要。

Description

生物能心脏起搏器

技术领域

本发明涉及一种心脏起搏器，属于医疗器械领域。

背景技术

对于各类药物治疗效果不佳、且症状明显的缓慢型心律失常患者，往往需要安装植入式的心脏起搏器，从而提高患者的心率以及心输出量。但现有的植入式心脏起搏器均使用电池作为电源。一般而言，SSI型单腔起搏器的电池使用时间为8年；SSIR型单腔起搏器的电池使用时间为7年；DDD型双腔起搏器的电池使用时间为6年；DDDR型双腔起搏器的电池使用时间仅为5年。当电池耗竭后只能通过外科手术的方式更换电池。此外，在实际使用中，心脏起搏器电池使用时间依据患者自身心率的不同而存在较大差异。

然而，通过手术的方式更换心脏起搏器的电池既会给患者造成生理上的痛苦以及心理上的恐惧和焦虑，也会增加患者及其家庭的经济负担。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种可植入体内并利用自身生物能供电的心脏起搏器，包括心律监测部，脉冲发生器以及刺激电极，其特征在于，还包括：发电部，发电部包括发电主体、调节端、输出电极、电能存储单元以及封装层。

其中，发电主体用于包绕主动脉，以采集主动脉扩张时所产生的机械能，并转化为电能。发电主体为多层薄膜结构，包括位于中心层的压电材料层，以及分别位于压电材料层两侧的第一电极层和第二电极层。两个调节端位于发电主体的两端，用于调节发电主体的直径。输出电极用于将电能输送给电能存储单元。电能存储单元用于存储电能并为脉冲发生器、心律监测部和刺激电极供电。封装层覆盖于发电主体、调节端以及输出电极表面。

另外，本发明的生物能心脏起搏器还可以具有这样的特征：其中，压电材料层含有纳米级压电材料，纳米级压电材料为压电晶体、压电陶瓷和有机压电聚合物中的任意一种。

另外，本发明的生物能心脏起搏器还可以具有这样的特征：其中，所述电能存储部为微型可充电电池或电容。

另外，本发明的生物能心脏起搏器还可以具有这样的特征：其中，压电晶体、压电陶瓷、有机压电聚合物可以为纳米线阵列的单层或多层结构。

另外，本发明的生物能心脏起搏器还可以具有这样的特征：整流滤波电路，连接于电能存储单元和输出电极之间。

另外，本发明的生物能心脏起搏器还可以具有这样的特征：其中，调节端的固定方式使用手术线缝合、钛夹钳夹或粘合剂粘合中的任意一种。

另外，本发明的生物能心脏起搏器还可以具有这样的特征：其中，调节端的一端为单排的卡齿，该卡齿的尖端平滑且面向发电主体的外侧，调节端的另一端为卡槽，卡槽的内部一侧具有与卡齿相配合的齿槽，另一侧为平面，卡齿与卡槽相卡合。

另外，本发明的生物能心脏起搏器还可以具有这样的特征：发电部对主动脉的压力小于140mmHg。

发明作用与效果

本发明的生物能心脏起搏器，通过植入纳米级压电材料以采集主动脉扩张时所产生的能量并转化为电能，作为其能量来源。因此只要心脏跳动，本发明即可利用患者自身的生物能而起搏心脏，免去了使用电池作为电源的必要，解决了电池能量耗竭后通过手术更换电池的问题。

由于本发明采用纳米级压电材料作为发电主体，不仅可以有效地将体内的生物能转化为电能，而且体积微小，更适合体内植入。

由于本发明采用了柔软的环形结构包绕于主动脉的外壁，且能够定量控制本系统对主动脉的压力，因此既可以高效、充分的采集主动脉扩张时所产生的机械能，又不会对心脏功能产生明显影响。

此外，由于本发明采用生物相容性好的柔性高分子绝缘材料封装，因此既能将发电主体与体内环境隔离，还可将主动脉壁形变产生的压力有效的传导至压电材料。

此外，利用发电主体两端的调节端可调整发电主体包绕主动脉的紧张度，从而可调节压电材料的形变程度及输出电量。又由于调节端内不含压电材料及电极层，因此使用手术缝线或钛夹固定时不会损坏发电主体的结构。

并且，由于本发明的发电主体位于主动脉外部，不与血液直接接触，因而不存在血栓形成以及中风（心肌梗塞或脑梗塞）的风险。

附图说明

图1是本发明实施例一的生物能心脏起搏器的结构示意图；

图2是本发明实施例一的发电主体的示意图；

图3是本发明实施例一的发电主体的内部结构剖面图；

图4是图3中发电主体A区域的局部放大图；

图5是本发明实施例一中发电主体安装于主动脉上的截面图；

图6是本发明实施例四中调节端为卡齿结构的示意图；以及

图7是本发明实施例一的电路图。

具体实施方式

以下根据附图说明本发明的具体实施方式，

<实施例一>

图1是本发明实施例一的生物能心脏起搏器的结构示意图，如图1所示，生物能心脏起搏器10包括发电部200，心律监测部，脉冲发生器15，以及刺激电极16。发电部200包括发电主体11，整流滤波电路12和输出电极14。

发电主体11为有弹性的环形结构，能够环绕于主动脉18的周围，发电主体11内部为纳米级压电材料，可利用主动脉的形变产生电能。发电主体11的输出电极14后连接了整流滤波电路12使得发电主体11输出的电能变得稳定。电能存储单元13连接于整流滤波电路之后，用于储存电能，以供脉冲发生器15使用。脉冲发生器15通过两个刺激电极16连接至心脏17。

图2是本发明实施例的发电主体的示意图。如图2所示，发电主体11的初始状态为开环的形状，在环形结构的两端各具有一个调节端23，当安装在主动脉外壁时需要将两个调节端连接在一起。在发电主体11和调节端23的外表面覆盖有封装层22。发电主体上具有两根输出电极14，用于将发电主体产生的电能输出。

图3是本发明实施例的发电主体的内部结构剖面图，如图3所示，发电主体11的内部为多层薄膜结构，包括位于主体中心层的纳米级压电材料111，以及分别位于压电材料两侧的第一电极层112和第二电极层113。封装层22采用具有生物相容性的柔性高分子绝缘材料，覆盖于发电主体11以及输出电极14的表面，并向发电主体11的外侧延伸形成两侧各一个调节端23。

图4是图3中发电主体A区域的局部放大图，如图4所示，位于发电主体11中心层的纳米级压电材料111，为大规模并联设计的纳米线阵列结构，可有效提高输出电压。第一电极层112和第二电极层113采用金或银等导电率高的薄层材料制成，与纳米级压电材料111相连接。

在体内植入时，可以通过外科手术的方法将发电主体11植入到主动脉周围并包绕主动脉。再通过调整调节端23使得发电主体11与主动脉的外壁紧密贴合，以采集主动脉形变所产生的能量。

对主动脉的过度压迫可能会增加心脏的工作负荷，因此可以在发电主体11与主动脉壁之间临时放置压力传感器以测定发电主体11对主动脉的压力，避免其对心脏产生不良的影响。

由于调节端23的内部不含有压电材料层和电极层，因此当使用手术缝线或钛夹将调节端23的两侧闭合时，不会对发电主体11造成损害。

图5是本发明实施例中发电主体安装于主动脉上的截面图。以下结合图1和图5来说明生物能心脏起搏器的工作过程。

如图1和图5所示，发电主体11环绕于主动脉18。当心脏17收缩时，血流的冲击使主动脉18发生扩张，如图5所示，主动脉壁45会产生一个对发电主体11的压力F，使压电材料层111发生形变，从而在其两端形成电势差并产生电流，电流通过第一电极层112和第二电极层113传导至输出电极14，再通过整流滤波电路18后进入电能存储部42。电能存储单元13为微型可充电电池。电能存储单元13再将电能供应给脉冲发生器15。当心律监测部探测到心动过缓时，脉冲发生器15将产生电脉冲并通过刺激电极16对心脏进行起搏治疗。

图7是本发明实施例的电路图。如图7所示，发电主体11与整流滤波电路12相连接，发电主体11产生的电能经过整流滤波电路12后对电能存储单元13进行充电，电能存储单元13可用于为用电器即本实施例中的脉冲发生器进行供电。

<实施例二>

在本实施例中，发电主体的形状以及调节端的设置与实施例一相同，区别之处在于本实施例中，发电主体的压电材料层采用纳米级压电陶瓷材料。

另外一个区别之处在于，本实施例中调节端采用钛夹固定。

<实施例三>

在本实施例中，发电主体的形状以及调节端的设置与实施例一相同，区别之处在于本实施例中，发电主体的压电材料层采用压电聚合物，并且调节端采用粘合剂粘合的方式进行固定。

<实施例四>

在本实施例中，发电主体的形状以及调节端的设置与实施例一相同，区别之处在于本实施例中，如图6所示，调节端61的一端为单排的卡齿，齿尖平滑且面向发电主体的外侧，调节端61的另一端为卡槽，卡槽的内部一侧具有与卡齿相配合的齿槽，另一侧为平面。当将发电部固定于主动脉外壁时，可缓慢的将卡齿插入卡槽，同时使用微型压力传感器检测发电主体对主动脉外壁的压力，并逐渐收紧卡齿，直到该压力达到120mmHg-140mmHg。

当然本发明的生物能心脏起搏器并不限于以上实施例中所描述的设计，其压电材料层、电极层以封装层均可以采用各种现有的适宜材料制成。

Claims

1.一种生物能心脏起搏器，其特征在于，具有：

心律监测部，用于监测心律情况；

脉冲发生器，用于产生电刺激；

刺激电极，一端与脉冲发生器连接，另一端与心脏连接；以及

发电部，与所述脉冲发生器以及心律监测部连接，并为其供电，

其中，所述发电部包括发电主体、调节端、输出电极、电能存储单元以及封装层，

所述发电主体用于包绕主动脉，以采集主动脉扩张时所产生的机械能，并转化为电能，

所述发电主体为多层薄膜结构，包括位于中心层的压电材料层，以及分别位于所述压电材料层两侧的第一电极层和第二电极层，

所述调节端位于所述发电主体的两端，用于调节所述发电主体的长度，

所述输出电极用于将电能输送给电能存储单元，

所述电能存储单元用于存储电能并为所述心律监测部、所述脉冲发生器供电，

所述封装层覆盖于所述发电主体、调节端、电能存储单元以及输出电极的表面。

2.如权利要求1所述的生物能心脏起搏器，其特征在于：

其中，所述压电材料层含有纳米级压电材料，所述纳米级压电材料为压电晶体、压电陶瓷和有机压电聚合物中的任意一种。

3.如权利要求2所述的生物能心脏起搏器，其特征在于：

其中，所述压电晶体、压电陶瓷、有机压电聚合物可以为纳米级压电材料的单层或多层结构。

4.如权利要求1所述的生物能心脏起搏器，其特征在于：

其中，所述电能存储部为微型可充电电池或电容。

5.如权利要求1所述的生物能心脏起搏器，其特征在于，还包括：

整流滤波电路，连接于所述电能存储单元和所述输出电极之间。

6.如权利要求1所述的生物能心脏起搏器，其特征在于：

其中，所述调节端的固定方式使用手术线缝合、钛夹钳夹或粘合剂粘合中的任意一种。

7.如权利要求1所述的生物能心脏起搏器，其特征在于：

其中，所述调节端的一端为单排的卡齿，该卡齿的尖端平滑且面向发电主体的外侧，所述调节端的另一端为卡槽，卡槽的内部一侧具有与所述卡齿相配合的齿槽，另一侧为平面，所述卡齿与所述卡槽相卡合。

8.如权利要求1所述的心脏发电系统，其特征在于：

其中，所述封装层以生物相容性好的柔性高分子绝缘材料作为封装材料。

9.如权利要求1所述的生物能心脏起搏器，其特征在于：

所述发电部对主动脉的压力小于140mmHg。