CN108310649B - 一种具有充电管理技术的自供能无线起搏器 - Google Patents

Abstract

本发明属于医学工程和植入医疗器械领域，具体涉及一种体内具有充电管理技术的自供能无线心脏起搏器，其特征在于：具有脉冲发生器模块、通信模块和处理器模块，还包括能量收集模块，电流转换模块，充电管理模块；其中，折叠梁型、螺旋弹簧型或十字型压电材料组成的能量收集模块可以收集利用心脏搏动和血液流动的动能，经由电流转换模块向蓄电装置充电。充电管理模块，具有充电阈值管理、过充保护和短路保护的功能，将电流转换模块转换的直流电信号安全、有序、高效储存到蓄电装置当中；本发明首创高效的收集心脏的动能，同时还负责对充电过程进行管理，提高电池寿命以及充电过程的安全性，延长了起搏器的使用时间的同时，可以增加由供电限制而减少的起搏器电生理功能等。

Description

一种具有充电管理技术的自供能无线起搏器

技术领域

本发明属于三类有源植入医疗器械，涉及一种具有充电管理功能的自供能无线心脏起搏器，属于医疗器械领域。

背景技术

心脏起搏器广泛用于治疗心律失常所致的心脏功能障碍疾病，据来自卫生部的消息，我国每年约有50多万人死于房颤引起的猝死（心源性猝死），而心脏起搏器作为治疗心源性猝死的有效治疗手段，可以24小时不间断地对病人心率进行监测，一旦发现病人心率异常（过快或过缓），起搏器即会在十几秒钟内通过医生事先设定的治疗方案自动纠正异常心率，使其恢复正常的跳动。成功率可达百分之百。目前全球范围内，已经有400多万病人接受心脏起搏器治疗，而且还在以每年40多万速度增长。

传统起搏器存在诸多如导线疲劳损伤、系统感染率高、更换电池难、囊袋破损等方面的问题。无线起搏器凭借其体积小、无导线、寿命长、感染率低等众多优点，克服传统起搏器的不足，无线心脏起搏器开始受到人们广泛重视。同时由于无线心脏起搏器体积只有传统起搏器的十分之一，制约了内部电池容量和芯片的大小，造成目前无线心脏起搏器功能比较单一，只能实现单腔起搏的现状。无线心脏起搏器功能需要不断拓展，内部电路和芯片部分在目前的工艺下难以实现更加的集成化和微小化，所以缩小电池体积成为主要研究方向。

现有的无线心脏起搏器，由不可充电电池提供能量。有些已经公布的专利利用体内能量充电电池用于起搏器，通过目前压电材料发电的无线起搏器技术中，使用充电管理技术来保证起搏器的安全性和有效性是个需要解决的问题。本专利描述了一种具有充电管理技术的无线起搏器方法。

专利CN105680721A公开了一种基于体内MEMS微振动能源收集的心脏起搏器能源系统，通过MEMS微振动能量收集模块收集心脏的微振动转换为电能给起搏器系统供电，当MEMS微振动能量收集模块收集的能量不足以给起搏器系统供电时，切换为不可充电的锂电池供电，该专利需要能量收集模块具有非常高的能量转换效率，才可以显著延长电池的使用时间；

专利CN104174113A公开了一种用于心脏起搏器的能量采集装置，该发明专利通过插入心脏的电极导线收集心脏动能。

Mathieu A, Aubry B, Chhim E,等发表了《Powering Pacemakers from HeartPressure Variation with Piezoelectric Energy Harvesters》，该文章研发了一种为新一代无线起搏器供电的压电设备，此无线起搏器系统没有电池，直接由压电设备供电，同时提出了一种压电材料实施方案为悬臂梁型压电材料。

Deterre M, Lefeuvre E, Zhu Y等发表《Micro blood pressure energyharvester for intracardiac pacemaker》，提出一种持久的为无线起搏器供能的压电装置，将平面螺旋压电材料封装在无线起搏器尾部，尾部能量收集板通过传导装置将收到的压力传导到无线起搏器。该装置长度较长，只接收到能量收集板正面的压力，对侧面的压力的收集效率较低。

专利US20070276444 A1提出一种自供能无导线心脏起搏器，此起搏器系统主要通过心脏或者大动脉内血压变化以及弹簧的拉伸作用带动波纹管来回运动，使线圈内磁通量发生改变，从而产生能量。该方法需要波纹管来回运动切割磁感线产生电能。

与上述专利和文献报道不同，本发明提供了一种具有充电管理功能的自供能无线心脏起搏器，通过结构简单的折叠梁型、螺旋弹簧型或十字型压电材料组成的能量收集模块高效的收集心脏搏动和血液流动的动能，自适应调节或者体外程控仪对充电阈值进行调控，经由电流转换模块通过充电管理技术安全的向可充电电池充电，具有结构简单、能量收集效率高、能量转换安全有效性好的特点。

发明内容

本发明提出了一种具有充电管理功能的无线心脏起搏器。其特征在于，除了包括传统起搏器的脉冲发生器模块、通信模块处理器模块和刺激电极，还包括能量收集模块，电流转换模块，充电管理模块。

在一些示例中，所述能量收集模块采用压电晶体材料用于采集心脏搏动以及血流冲击的动能，所述压电晶体由于外界动能的冲击发生形变，将动能转换为电能，存储到储电设备中，用于起搏器供能，从而提高能源的利用效率。

所述压电晶体材料可设计为折叠梁型结构、螺旋弹簧型结构、十字型结构等。

在一些示例中，所述折叠梁型结构由多块压电晶体材料薄板和质量块叠加组成，固定于起搏器尾部，每两块压电晶体材料薄板间夹一个质量块，质量块交替固定于薄板的左侧和右侧。

在一些示例中，所述螺旋弹簧型结构包括多个螺旋弹簧型结构压电晶体板和底板，所述螺旋弹簧型压电晶体板相互插接，提高空间利用率；所述底板焊接固定于所述螺旋弹簧型结构的底部，增大能量收集面积，整个螺旋弹簧结构固定于无线起搏器系统尾部。

在一些示例中，所述十字型结构包括四片压电晶体材料薄板，焊接成十字型固定于起搏器系统尾部，可收集各个方向的能量。

所述转换模块包括：AC-DC交流直流电转换电路以及过滤电路；AC-DC转换电路将能量转换模块收集到的交流电转化为直流电，由整流桥电路组成；过滤电路包括一个超级电容，用于暂时存储转换后的直流电为储能设备充电。

所述充电控制模块，包括充电阈值管理，充电阈值可以根据不同的使用情况实现1%-99%设置，当电池电量低于该阈值时，打开充电控制开关，对电池进行充电，减少充电循环次数，从而延长电池寿命；过充保护，当充电完成时，及时关闭充电控制开关；短路保护，当发生短路时，及时关闭充电控制开关。 对蓄电设备进行合理充电，并保护充电过程稳定安全。

电池充电管理芯片检测到电池容量消耗到充电阈值以下时，打开充电控制开关，对蓄电装置进行充电，直至电池电量充满或者达到设置的阈值，关闭充电控制开关。其中包括修改所述电池容量的充电阈值的步骤。此充电阈值可通过和程控仪建立的无线连接实现修改，也可设置自适应模式，智能调节充电阈值。

所述智能充电阈值管理包括对一段时间内电池电量消耗情况的分析，自动调节充电阈值。在一些示例中，耗电速度快，则设置较高的充电阈值，防止低电量，给系统带来的影响。

充电程序也可由程控仪的充电控制命控制，所述充电控制命令为停止充电或恢复充电；当所述充电控制命令为停止充电时，所述控制器修改所述电池充电管理芯片的充电电流阈值为一个大于所述最大充电电流阈值的预设值；当所述充电控制命令为恢复充电时，所述控制器修改所述电池充电管理芯片的充电电流阈值为一个等于所述最低充电电流阈值的预设值。

所述控制器用于获取所述修改指令并根据所述修改指令修改所述电池充电管理芯片的充电电流阈值。

所述过充保护功能是指充电控制开关在充电完成时及时关闭充电控制开关，充电控制模块负责管理蓄电设备电压，防止过充带来的电池容量的永久性下降。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种具有充电管理功能的无线心脏起搏器的原理示意图。

图2是本发明实施例中能量收集模块和电流整合模块的工作原理图。

图3是本发明实施例中压电材料电压和电容器电压图。

图4是本发明实施例中折叠梁结构位于无线起搏器系统的示意图。

图5是本发明实施例中螺旋弹簧型结构位于无线起搏器系统的示意图。

图6是本发明实施例中螺旋弹簧结构的俯视图。

图7是本发明实施例中十字型结构位于无线起搏器系统的示意图。

图8是本发明实施例中充电管理模块工作方式的流程图。

具体实施方式

下面结合发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。

本发明提供一种具有充电管理功能的无线心脏起搏器系统，如图1所示，该系统主要包括脉冲发生器模块、处理器模块、通信模块和刺激电极，还包括能量收集模块，电流整合过滤模块，充电管理模块；其中：

所述脉冲发生器模块负责产生一定的刺激脉冲刺激心房或心室

所述处理器模块负责处理从心脏和外界接受到的数据进行相应处理，做出相应反应。

所述通信模块负责和外界程控仪建立通信连接，接收外界的数据可以调整起搏模式等；更为重要的是，该系统可以通过通信模块调整充电阈值。

所述刺激电极负责接受从心室或心接收到的心电信号，并发出脉冲发生器的刺激脉冲。

所述能量收集模块负责将机械振动、血压等机械能收集并转换为电能。

所述电流转换模块负责将收集到的交变的电信号转换为直流电信号，用于对蓄电装置进行充电。

所述充电管理模块负责将电流转换模块转换的直流电信号安全、有序、高效储存到蓄电装置当中。

为了便于理解，下面结合图1对本发明的原理做详细介绍。

图1所述为具有充电管理功能的无线心脏起搏器的原理示意图，该图中示出了该系统所包含的所有模块及模块的基本组成结构，具体来说：

所述脉冲发生器通过传感器感测到被监测心脏电活动，对获取的信号进行相应处理，发给处理器模块，从而对脉冲发生器进行调节，调整输出的脉冲，该脉冲通过电极向心脏递送电刺激。

所述处理器模块是整个系统的核心，所有数据存储，输出，各模块之间的调度都由处理器模块来完成。

所述通信模块可通过蓝牙、线圈等通信方式建立与外界的无线连接，从而实现数据的交换。在一些示例中，通信模块可接收到外界程控仪传来的更改充电阈值的命令，通信模块将该命令发送给处理器模块，从而对充电管理模块进行相应调整。

所述刺激电极包括电极和传感器，主要功能是向心脏发出刺激脉冲，完成心脏起搏和心率调节的目的同时收集心脏电信号，发送给处理器模块，对起搏阈值、脉冲宽度、脉冲频率等参数进行相应调整。

所述能量转换模块，在一种示例中，具有弹性的硅胶梁与纳米氧化锌压电晶体薄膜，陶瓷压电晶体薄膜贴附于硅胶弹性材料的所有表面，用于将压电晶体材料产生的形变转化为电能；硅胶材料制成十字形设计保证在植入过程中以及使用过程中各种情况下以及各种角度下，均能最大程度收集动能产生最大程度的形变。

在一些示例中，所述能量转换模块可以是折叠梁型结构、螺旋弹簧型结构、和十字形结构。

所述折叠梁型结构示意图如图4所示，由多块压电晶体材料薄板和质量块叠加组成，固定于起搏器尾部，所述压电材料薄板由两片压电材料附加到每个板上形成一个压电晶体薄板，每两块压电晶体材料薄板末端一个质量块，质量块交替固定于薄板的左侧和右侧将压电晶体薄板连接起来。

图5示出了螺旋弹簧型结构位于起搏器系统的示意图。在一些示例中，所述螺旋弹簧型结构包括多个螺旋弹簧型结构压电晶体板和底板，所述螺旋弹簧型压电晶体板相互插接，提高空间利用率；所述底板焊接固定于所述螺旋弹簧型结构的底部，增大能量收集面积，整个螺旋弹簧结构固定于无线起搏器系统尾部。

图6示出了所述螺旋弹簧型结构的俯视图，在该示例中，三个相同的螺旋弹簧型结构以圆心为轴，旋转120度和240度，叠加在一起，形成所述螺旋弹簧型结构。

图7示出了十字型结构压电能量收集装置示意图，所述十字型结构包括四片压电晶体材料薄板，所述压电材料薄板由两片压电材料附加到每个板上形成一个压电晶体薄板，四片压电晶体薄板底部焊接固定于起搏器系统尾部，成十字型，可收集各个方向的能量。提高能量收集效率。

所述电流整合过滤模块，包括整流电路与过滤电路，整流电路为标准交流直流电转换电路，主要由四个标准PN结二极管组成；过滤电路主要由一个超级电容组成，用于稳定直流电信，保障为锂电池充电的稳定性；用于过滤并转换收集到的交流电流转化为直流电能，并存储于该模块中对锂离子电池进行充电。

所述充电控制模块其工作流程如图4所示，包括充电阈值管理，充电阈值可以根据不同的使用情况实现1%-99%设置，当电池电量低于该阈值时，打开充电控制开关，对电池进行充电，从而延长电池寿命；过充保护，当充电完成时，及时关闭充电控制开关；短路保护，当发生短路时，及时关闭充电控制开关。对锂离子电池进行合理充电，并保护充电过程稳定安全。

电池充电管理芯片检测到电池容量消耗到充电阈值以下时，打开充电控制开关，对二次电池进行充电，直至电池电量充满或者到设置的阈值，关闭充电控制开关。其中包括修改所述电池容量的充电阈值的步骤。此充电阈值可通过和程控仪建立的无线连接实现修改，也可设置自适应模式，智能调节充电阈值。

所述智能充电阈值管理包括对一段时间内电池电量消耗情况的分析，自动调节充电阈值。在一些示例中，耗电速度快，则设置较高的充电阈值，防止低电量，给系统带来的影响。

充电程序也可由程控仪的充电控制命控制，所述充电控制命令为停止充电或恢复充电；当所述充电控制命令为停止充电时，所述控制器修改所述电池充电管理芯片的充电电流阈值为一个大于所述最大充电电流阈值的预设值；当所述充电控制命令为恢复充电时，所述控制器修改所述电池充电管理芯片的充电电流阈值为一个等于所述最低充电电流阈值的预设值。

所述控制器用于获取所述修改指令并根据所述修改指令修改所述电池充电管理芯片的充电电流阈值。

所述过充保护功能是指充电控制开关在充电完成时及时关闭充电控制开关。

当然，本发明主要讲述了该具有充电管理功能的自供能无线心脏起搏器的各个模块的组成方式和工作原理，该系统实施方式并不限于以上所述方式。

Claims (6)

1.一种具有充电管理技术的自供能无线心脏起搏器，其特征在于，具有脉冲发生器模块、通信模块、处理器模块和刺激电极，还包括能量收集模块，电流转换模块，充电管理模块；其中：

所述处理器模块负责处理从起搏器的内部和外界接受到的数据进行存储、分析和输出相应的处理指令；

所述刺激电极是无导线电极，负责感知从心室或心房接收到的心电信号，并发出脉冲发生器的刺激脉冲；

所述能量收集模块由纳米氧化锌压电晶体陶瓷和弹性硅胶材料设计成十字型结构件，所述十字型结构包括四片压电晶体薄板，所述压电晶体薄板由两片压电材料附加到每个弹性硅胶材料的所有表面上形成一个压电晶体薄板，四片压电晶体薄板底部焊接于起搏器尾部，成十字型，可收集各个方向的能量，将体内心脏的机械振动、血压的机械能收集并转换为电能，存储到储电设备中，用于起搏器供能；

所述电流转换模块包括转换电路和过滤电路两部分，分别负责将收集到的交流电信号转换为直流电信号和暂时存储直流电；

所述充电管理模块有自适应模式和人为调节模式管理充电阈值，负责将电流转换模块转换的直流电信号安全、有序、高效储存到蓄电装置当中。

2.根据权利要求1中所述的自供能无线心脏起搏器，其特征在于，所述的处理器模块接受刺激电极感知的心脏的心电信号数据、通信模块接收的外界程控仪的信号数据，分析电池在一段时间内电量消耗情况，输出对脉冲发生器调整起搏阈值、脉冲宽度、脉冲频率起搏参数的指令，和输出对充电管理模块调节充电阈值的指令。

3.根据权利要求1中所述的自供能无线心脏起搏器，其特征在于，所述的刺激电极包括电极和传感器，主要功能是向心脏发出刺激脉冲，完成心脏起搏和心率调节的目的同时收集心脏电信号，发送给处理器模块。

4.根据权利要求1中所述的自供能无线心脏起搏器，其特征在于，所述的能量收集模块由纳米氧化锌压电晶体陶瓷和弹性硅胶材料设计成十字型的结构件，所述结构件还包括螺旋弹簧型和折叠梁型。

5.根据权利要求1中所述的自供能无线心脏起搏器，其特征在于，所述的电流转换模块包括AC-DC交流直流电转换电路和过滤电路，所述AC-DC交流直流电转换电路用于将能量收集模块得到的交流电转换为直流电，所述过滤电路包括一个超级电容，用于暂时存储直流电。

6.根据权利要求1中所述的自供能无线心脏起搏器，其特征在于，所述的充电管理模块有自适应模式和人为调节模式对充电阈值的管理，延长电池寿命。

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