CN104740773A - 心脏发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种心脏纳米发电系统，其特征在于，包括：发电主体，输出部，固定部以及封装层。其中，发电主体为多层薄膜结构，包括位于发电主体中心的压电材料层，以及位于压电材料层两侧的电极层，发电主体通过贴附于心脏表面以采集心脏能量用于产生电能。固定部位于发电主体的边缘，用于将发电主体固定于心外膜。封装层覆盖于发电主体、输出部以及固定部的表面。输出部与电极层相连接，用于将发电主体产生的电能输送给植入式电子设备。本发明的心脏纳米发电系统只要心脏跳动即可持续产生电能，从而实现对植入式电子设备的持续供电，免去了使用电池作为电源的必要，解决了电池能量耗竭后需要手术更换电池的问题。

Description

心脏发电系统

技术领域

本发明涉及一种心脏发电系统，属于医疗器械领域。

背景技术

随着医学技术的发展，越来越多的疾病可以通过体内植入式的医学电子设备进行治疗。然而截止目前，投入临床应用的医学电子设备都需要电池作为电能的来源。对于体内植入式的医学电子设备而言，一旦电池能量耗竭，就需要通过外科手术的方式更换电池。这既会给患者造成生理和精神上的痛苦，也会增加患者及其家庭的经济负担。

在人体内部，心脏的收缩运动和血液的流动都具有稳定和不间断的动能。如果能够采集其中一小部分动能并转化为电能，将有望为各种植入式电子设备供电。

然而，由于心脏是人体的“发动机”，不恰当的采集心脏动能必然会影响心脏的功能，甚至导致心脏损伤。此外，传统的基于法拉第定律的电磁感应式发电机体积较大、结构复杂，不适合体内植入。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种植入生物体内的心脏发电系统，用于为植入式电子设备供电，其特征在于，包括：发电主体、调节端、输出部以及封装层。

其中，发电主体通过采集主动脉的扩张时所产生的机械能而间接利用心脏搏动产生的能量，并将其转化为电能。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。封装层覆盖于发电主体、调节端以及输出部的表面，以生物相容性好的柔性高分子绝缘材料作为封装材料。调节端位于发电主体的两端，用于调节发电主体的长度。输出部用于将电能输送给植入式电子设备。

另外，本发明的心脏发电系统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，本发明的心脏发电系统还可以具有这样的特征：其中，压电晶体、压电陶瓷、有机压电聚合物为纳米线阵列的单层或多层结构。

另外，本发明的心脏发电系统还可以具有这样的特征：包括电能存储部，用于存储来自输出部的电能。

另外，本发明的心脏发电系统还可以具有这样的特征：其中，电能存储部为微型可充电电池或电容。

另外，本发明的心脏发电系统还可以具有这样的特征：其中，输出部包括整流电路和输出电极，整流电路连接于电能存储部和输出电极之间。

另外，本发明的心脏发电系统还可以具有这样的特征：其中，调节端的固定方式为手术缝合、钛夹钳合以及粘合剂粘合中的任意一种。

另外，本发明的心脏发电系统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，本发明的心脏发电系统还可以具有这样的特征：其中，植入式电子装置为心脏起搏器、心脏复律除颤器、脑起搏器、喉起搏器、膀胱起搏器、电子耳蜗、电子视网膜、胰岛素泵、血糖监测仪中的任意一种或几种。

另外，本发明的心脏发电系统还可以具有这样的特征：其中，心脏发电系统对主动脉的压力小于140mmHg。

发明作用与效果

本发明的心脏发电系统通过采集主动脉扩张时所产生的机械能而间接利用心脏搏动产生的能量，并将其转化为电能。

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

由于心脏搏动能够产生稳定和不间断的能量，因此在植入本发电系统后，只要心脏跳动即可持续产生电能，从而实现对植入式电子设备的持续供电，免去了使用电池作为电源的必要，解决了电池能量耗竭后需要手术更换电池的问题。

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，因此既能将发电系统与体内环境隔离，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心脏发电系统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心脏发电系统的结构。

并且，由于本发明的心脏发电系统位于主动脉外部，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心脏发电系统的结构示意图；

图2是本发明实施例一的心脏发电系统的截面图；

图3是图2中实施例一的心脏发电系统A区域的局部放大图；

图4是本发明实施例一的心脏发电系统的使用状态示意图；

图5是本发明实施例一的心脏发电系统包绕主动脉的截面图；

图6是本发明实施例四的心脏发电系统的调节端为卡齿结构的示意图；

图7是本发明实施例一的电路图。

具体实施方式

以下结合附图说明本发明的具体实施方式：

<实施例一>

图1是本发明的心脏发电系统的结构示意图，图2是本发明的心脏发电系统的截面图，图3是图2中的心脏发电系统A区域的局部放大图。如图1、图2和图3所示，心脏发电系统10包括发电主体11，调节端12和输出电极13。其中，发电主体11为多层薄膜结构，包括位于主体中心层的压电材料层14，以及分别位于压电材料层14两侧的第一电极层15和第二电极层16。封装层17为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13的表面，封装层17向发电主体11的外侧延伸形成两侧各一个调节端12。

位于发电主体中心层的压电材料层14，通过大规模的并联设计，可以将压电材料纳米线单体的电压叠加，从而进一步提高输出电压。第一电极层15和第二电极层16采用金或银等导电率高的薄层材料制成，与压电材料层14相连接。

发电主体11在自然状态下为弯曲的环状结构，且其薄膜结构具有良好的弹性，因此能够柔顺的包绕主动脉。

在体内植入时，可以通过外科手术的方法将心脏发电系统10植入到主动脉43周围并包绕主动脉。再通过调整调节端12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与主动脉壁之间临时放置压力传感器以测定心脏发电系统10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12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12的两侧闭合时，不会对发电主体11造成损害。

图4是本发明的使用状态示意图，图5是本发明的心脏发电系统10包绕主动脉的截面图。

以下结合附图4、5来说明本发明的工作过程。如图4和图5所示，心脏发电系统10环绕于主动脉43。当心脏41收缩时，血流的冲击使主动脉43发生扩张，如图5所示，主动脉壁45会产生一个对发电主体的压力F，使压电材料层14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15和第二电极层16传导至输出电极13，再通过整流电路18后进入电能存储部42。

图7是本发明实施例一的电路图。如图7所示，发电主体11与整流滤波电路18相连接，发电主体11产生的电能经过整流滤波电路18后对电能存储单元42进行充电，电能存储单元42可用于为用电器即各种植入式电子设备进行供电。植入式的电子设备可以是心脏起搏器、心脏复律除颤器、脑起搏器、喉起搏器、膀胱起搏器、电子耳蜗、电子视网膜、胰岛素泵、血糖监测仪中的任意一种或几种。

<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，主体中心层的发电层采用纳米级压电陶瓷材料。

在植入过程中，将一个压力传感器置于发电主体11与主动脉壁之间检测实时压力，以确保发电主体11对主动脉壁的压力小于140mmHg。

另外一个区别之处在于，本实施例中调节端12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，主体中心层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，调节端采用卡齿的结构，如图6所示，调节端23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23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。在植入时，缓慢的将卡齿插入卡槽，同时使用压力传感器检测发电主体对主动脉壁的压力，缓慢收紧卡齿，直至该压力达到120mmHg至140mmHg。

当然本发明的心脏发电系统并不限于以上实施例中所描述的设计，其压电材料层、电极层以及封装层均可以采用各种现有的适宜材料制成。本发明的心脏发电系统除了可用于人体外，也可以用于哺乳动物，为植入哺乳动物体内的电子设备提供电能。

Claims (10)

1.一种可植入生物体内的心脏发电系统，其特征在于，包括：

发电主体、调节端、输出部以及封装层，

其中，所述发电主体用于环绕主动脉，以间接采集心脏搏动所产生的机械能，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；

所述输出部用于将所述电能输送给植入式电子设备；

所述封装层覆盖于所述发电主体、所述调节端以及所述输出部的表面。

2.如权利要求1所述的心脏发电系统，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所述的心脏发电系统，其特征在于：

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

4.如权利要求1所述的心脏发电系统，其特征在于：

其中，所述输出部包括整流滤波电路和输出电极，所述整流滤波电路连接于所述电能存储部和所述输出电极之间。

5.如权利要求1所述的心脏发电系统，其特征在于，还包括：

电能存储部，与所述输出部相连接，用于存储来自所述输出电极的电能。

6.如权利要求1所述的心脏发电系统，其特征在于：

其中，所述调节端的固定方式使用手术缝合、钛夹钳合以及粘合剂粘合中的任意一种。

7.如权利要求1所述的心脏发电系统，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所述的心脏发电系统，其特征在于：

其中，所述植入式电子设备为心脏起搏器、心脏复律除颤器、脑起搏器、喉起搏器、膀胱起搏器、电子耳蜗、电子视网膜、胰岛素泵、血糖监测仪中的任意一种或几种。

10.如权利要求1所述的心脏发电系统，其特征在于：

其中，所述心脏发电系统对主动脉的压力小于140mmHg。