CN108671298B - 一种无线电能传输人体辅助供血装置 - Google Patents

一种无线电能传输人体辅助供血装置 Download PDF

Info

Publication number
CN108671298B
CN108671298B CN201810541170.9A CN201810541170A CN108671298B CN 108671298 B CN108671298 B CN 108671298B CN 201810541170 A CN201810541170 A CN 201810541170A CN 108671298 B CN108671298 B CN 108671298B
Authority
CN
China
Prior art keywords
film
energy
coil
electroactive polymer
power supply
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201810541170.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108671298A (zh
Inventor
朱春波
刘滢
张剑韬
崔超
崔淑梅
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Harbin Institute of Technology
Original Assignee
Harbin Institute of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Harbin Institute of Technology filed Critical Harbin Institute of Technology
Priority to CN201810541170.9A priority Critical patent/CN108671298B/zh
Publication of CN108671298A publication Critical patent/CN108671298A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108671298B publication Critical patent/CN108671298B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61M—DEVICES FOR INTRODUCING MEDIA INTO, OR ONTO, THE BODY; DEVICES FOR TRANSDUCING BODY MEDIA OR FOR TAKING MEDIA FROM THE BODY; DEVICES FOR PRODUCING OR ENDING SLEEP OR STUPOR
    • A61M60/00—Blood pumps; Devices for mechanical circulatory actuation; Balloon pumps for circulatory assistance
    • A61M60/10—Location thereof with respect to the patient's body
    • A61M60/122—Implantable pumps or pumping devices, i.e. the blood being pumped inside the patient's body
    • A61M60/126—Implantable pumps or pumping devices, i.e. the blood being pumped inside the patient's body implantable via, into, inside, in line, branching on, or around a blood vessel
    • A61M60/148—Implantable pumps or pumping devices, i.e. the blood being pumped inside the patient's body implantable via, into, inside, in line, branching on, or around a blood vessel in line with a blood vessel using resection or like techniques, e.g. permanent endovascular heart assist devices
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61M—DEVICES FOR INTRODUCING MEDIA INTO, OR ONTO, THE BODY; DEVICES FOR TRANSDUCING BODY MEDIA OR FOR TAKING MEDIA FROM THE BODY; DEVICES FOR PRODUCING OR ENDING SLEEP OR STUPOR
    • A61M60/00—Blood pumps; Devices for mechanical circulatory actuation; Balloon pumps for circulatory assistance
    • A61M60/80—Constructional details other than related to driving
    • A61M60/855—Constructional details other than related to driving of implantable pumps or pumping devices
    • A61M60/871—Energy supply devices; Converters therefor
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/10—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Cardiology (AREA)
  • Anesthesiology (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Vascular Medicine (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Hematology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • External Artificial Organs (AREA)
  • Prostheses (AREA)

Abstract

本发明提出一种无线电能传输人体辅助供血装置，该供血装置的外置电源、母线电容、逆变器与能量发射线圈依次连接，主控器与逆变器连接，中继线圈与能量发射线圈在同一平面内，中继线圈嵌套在能量发射线圈的外部；接收线圈、高压整流桥、维持电容和电活性聚合物薄膜依次相连接，接收线圈接收到无线电能发射装置发出的核共振传递的能量，能量通过高压整流桥变换为电波，并经过维持电容滤波后控制电活性聚合物薄膜收缩。解决了传统人体辅助供血装置体积大、电源外置易导致细菌感染从而威胁病人身体健康的问题。本发明的EAP薄膜紧密嵌套在心室外的血管壁，体积小，且驱动EAP薄膜的无线电能接受装置内置于人体，避免了电源外置导致细菌感染的问题。

Description

一种无线电能传输人体辅助供血装置
技术领域
本发明涉及一种人体辅助供血装置，具体涉及一种无线电能传输人体辅助供血装置，属于辅助供血装置领域。
背景技术
在心脏的四个心房(室)之间存在着瓣膜，其作用至关重要，通过打开或关闭瓣膜来保证血液向一个方向循环流动，阻止血液回流进刚刚离开的心室。对于脏器严重衰竭的患者，心脏各结构已无法正常运转，需要植入人造辅助装置。在针对心脏衰竭的病症治疗过程中，传统方法采用人体辅助供血泵，即在心脏主血管安装电机装置，辅助并替代心脏泵血功能，供给人体器官血液。但这种传统人体辅助供血泵的体积较大，不利于外科医生安装，同时重量较重，对病人也是一种负担，最主要问题是需要通过皮下手术，外接电源线，将电机泵所需电源外置，这样长期的创口裸露，会造成细菌或病毒感染，从而严重威胁病人的生命健康。
发明内容
本发明解决了传统人体辅助供血装置体积较大、电源外置易导致细菌感染从而威胁病人身体健康的问题。
本发明所述的一种无线电能传输人体辅助供血装置包括无线电能发射装置和无线电能接收装置和电活性聚合物薄膜；所述无线电能发射装置包括外置电源控制系统、中继线圈和能量发射线圈，所述外置电源控制系统包括外置电源、母线电容、逆变器和主控器，所述外置电源、母线电容、逆变器与能量发射线圈依次连接，所述主控器与逆变器连接；所述中继线圈与能量发射线圈在同一平面内，中继线圈嵌套在能量发射线圈的外部；
所述无线电能接收装置包括接收线圈、高压整流桥和维持电容，所述接收线圈、高压整流桥、维持电容和电活性聚合物薄膜依次相连接，接收线圈接收到无线电能发射装置发出的核共振传递的能量，所述能量通过高压整流桥变换为电波，并经过维持电容滤波后控制电活性聚合物薄膜收缩。
优选地，所述电活性聚合物薄膜包括薄膜一、薄膜二、薄膜三、薄膜四和薄膜五，所述薄膜一、薄膜二、薄膜三、薄膜四和薄膜五同心环状叠层设置，所述薄膜一、薄膜三和薄膜五的材质为铁电性的晶体极性聚合物，所述薄膜二和薄膜四的材质为PVC聚合物。
优选地，所述电活性聚合物薄膜的薄膜一与薄膜五均设有用于与导线连接的铝制金属箔片，且金属箔片四周加绝缘薄膜。
优选地，所述能量发射线圈的尺寸为8cm-10cm。
优选地，所述中继能量线圈的尺寸为10cm-12cm。
本发明的工作原理是：所述无线电能传输人体辅助供血装置，可辅助或代替人体瓣膜结构工作，通过对电活性聚合物(EAP)薄膜施加电压激励，EAP薄膜受到径向力刺激，使其在径向发生形变完成收缩过程，从而控制了血管的张开和闭合。工作时，将EAP薄膜紧密嵌套在心室外的血管壁，使血管与EAP薄膜垂直放置，EAP薄膜的上下两层采用铝制金属箔片代替传统导线，外加绝缘薄膜，起到安全保护的作用。
本发明所述的无线电能传输人体辅助供血装置有益效果为：
1)所述EAP薄膜的应用完全不需要任何液体，属于干驱动系统，具有结构简单、控制方便，体积小，重量轻，系统效率高等优点。
2)采用能量发射线圈、中继线圈和能量接收线圈三线圈式无线供电模型，即多级跳跃式无线升压模型，即结构为多级磁耦合弹跳升压结构，可以满足EAP薄膜的特殊供电需求。三线圈供电线圈的最大的优点在于可以为接收线圈提供高达5kV的供电输出等级要求，从而为EAP薄膜负载的材料及形状选取提供更多的选择空间，而不带中继线圈的无线供电系统无法达到如此高的电压输出等级；同时，利用中继线圈增加了系统的传输距离，增大了可控辅助供血装置的选择范围，降低患者手术风险，增大患者自由活动的空间。
3)工作时，EAP薄膜紧密嵌套在心室外的血管壁，体积小，且驱动EAP薄膜的无线电能接受装置内置于人体，避免了因电源外置而导致的细菌感染问题。
附图说明
图1为本发明所述的电活性聚合物薄膜的侧视图；
图2为本发明所述的电活性聚合物薄膜的俯视图；
图3为本发明所述的电活性聚合物薄膜垂直套在血管上的示意图；
图4为本发明所述的无线电能传输人体辅助供血装置的整体结构示意图；
图5为本发明所述的逆变器驱动信号和能量发射线圈的电压变化对应的电活性聚合物薄膜的形态变化示意图；
图6为本发明所述的线电能传输人体辅助供血装置工作电路图；
其中标注：1-电活性聚合物薄膜；101-薄膜一；102-薄膜二；103-薄膜三；104-薄膜四；105-薄膜五；2-外置电源控制系统；3-中继线圈；4-能量发射线圈；5-接收线圈。
具体实施方式
以下结合附图1-图6对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：
具体实施方式一：参见图1-图6说明本实施方式。本实施方式所述的一种无线电能传输人体辅助供血装置包括无线电能发射装置和无线电能接收装置和电活性聚合物薄膜；所述无线电能发射装置包括外置电源控制系统2、中继线圈3和能量发射线圈4，所述外置电源控制系统2包括外置电源、母线电容、逆变器和主控器，所述外置电源、母线电容、逆变器与能量发射线圈4依次连接，所述主控器与逆变器连接；所述中继线圈3与能量发射线圈4在同一平面内，中继线圈3嵌套在能量发射线圈4的外部；
所述无线电能接收装置包括接收线圈5、高压整流桥和维持电容，所述接收线圈5、高压整流桥、维持电容和电活性聚合物薄膜1依次相连接，接收线圈5接收到无线电能发射装置发出的核共振传递的能量，所述能量通过高压整流桥变换为电波，并经过维持电容滤波后控制电活性聚合物薄膜1收缩。
所述外置电源为电池，根据电池种类选择范围的不同，可选择锂电池或镍氢电池等，其电压为24V-36V，利用外置电源可以很好的解决能量续航问题；所述逆变器与高压整流器用于直流电交流电变换，从而达到能量的变换；所述维持电容起滤波作用，保证系统升压过程为稳定的梯形波。
所述外置电源作为系统的主能源供给直流电到逆变器，逆变器将直流电转化为高频交流电，通过LC串联电压型谐振电路，控制系统工作频率，将电能转化为高频电磁能，激励中继线圈3，使中继线圈3发生谐振。所述中继线圈3的能量为无功能量，其电流值为谐振电流的3-15倍，从而提高系统磁场强度，增大系统传输距离及效率。而所述接收线圈5为多匝电感线圈，其感值为1mH-80mH之间，通过感应耦合，将磁能转化为电能，在固定的接收截面积情况下，系统的磁通是一定的，但系统磁链与匝数有关，即输出的感应电动势为匝数n的倍数。通过中继线圈3增大磁场强度，利用接收线圈5感应耦合结构，将磁能转化为电能，其中接收侧属于多匝大电感小尺寸线圈，即与传统的变压器相同，
Figure BDA0001678845780000031
其中U1为中继线3电压，而U2为接收线圈5电压，n1为中继线圈3的匝数，而n2为接收线圈5的匝数。
所述电活性聚合物薄膜1包括薄膜一101、薄膜二102、薄膜三103、薄膜四104和薄膜五105，所述薄膜一101、薄膜二102、薄膜三103、薄膜四104和薄膜五105同心环状叠层设置，所述薄膜一101、薄膜三103和薄膜五105为铁电性的晶体极性聚合物，所述薄膜二102和薄膜四104为PVC聚合物。
所述电活性聚合物薄膜的薄膜一与薄膜五均设有用于与导线连接的铝制金属箔片，且金属箔片四周加绝缘薄膜。
所述电活性聚合物薄膜1共分五层，所述薄膜一101、薄膜三103和薄膜五105为铁电性的晶体极性聚合物，所述铁电性的晶体极性聚合物具有电子偶极距，当施加适当的电场后，这个偶极矩会反向；所述薄膜二102和薄膜四104为PVC聚合物，由于电子偶极矩变化，通过提供上下层直流电压，导致接入正极电源的薄膜侧发生收缩，而负极维持原形变，从而导致EAP薄膜1整体形态发生变化，通过阶跃脉冲直流电信号，可实现薄膜规律形变。所述EAP薄膜1最主要优势在于完全不需要任何液体，属于干驱动系统，且结构简单、控制方便，体积小，重量轻，系统效率高等特点。所述EAP薄膜1的上下两层采用铝制金属箔片代替传统导线，外加绝缘薄膜，起到安全保护的作用。
所述能量发射线圈4的尺寸为8cm-10cm。
所述中继能量线圈3的尺寸为10cm-12cm。
所述EAP薄膜1的供电要求为高压直流电源，利用高压作用在EAP薄膜1表面，高压击穿EAP薄膜产生形变，挤压血管，从而产生供血要求，其供电电压为500V-5000V脉冲直流，其功率为3W-8W，根据不同的供血要求，可设计不同电压等级的辅助装置。给EAP薄膜1供电的无线电能接收装置需要内置于人体内部，由于EAP薄膜1特殊的供电要求，采用能量发射线圈4、中继线圈3和能量接收线圈5三线圈式无线供电模型，即多级跳跃式无线升压模型，其中能量接收线圈5侧采用感应式能量传输方式，即没有谐振补偿电容，而能量发射线圈4和中继线圈3采用谐振式能量传输方式，配有谐振补偿电容。
三线圈供电线圈主要与传统的两线圈供电的优势在于，EAP薄膜1负载采用的是高压供电系统，而传统的两线圈结构多采用电机式或电池式负载，其供电电压并未达到所需要求，无法提供高压供电，如果需要提供高达5kV的供电输出等级要求，即要求前级变压比需达到100倍以上，而这要求源级系统供电电流需要为负极系统的100倍，而这样的要求往往是无法实现的，同时系统效率由于电流增加会大幅下降。
由于所述EAP薄膜1紧密安装于多个血管壁外侧，给EAP薄膜1供电的无线电能接收端内置于人体内部，所以需要保证内置于人体内部的导线要具有安全性，将铝制金属箔片代替传统导线外加绝缘薄膜，很好的防止了漏电，起到安全保护作用。
如具体实施方式一所述的无线电能传输人体辅助供血装置的具体操作过程为：
外置电源作为系统的主能源供给直流电给母线电容然后传输给到逆变器，主控器控制电路的系统谐振工作频率，将电能转化为高频磁能，能量发射线圈4耦合中继线圈3，在中继线圈3中产生无功电流，增强传输磁场，将电能传递到接收线圈5，电磁信号通过高压整流桥转化为直流电，并经过维持电容滤波为EAP薄膜负载供电，完成EAP薄膜的驱动收缩。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，还可以是上述各个实施方式记载的特征的合理组合，凡在本发明精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种无线电能传输人体辅助供血装置，其特征在于，包括无线电能发射装置、无线电能接收装置和电活性聚合物薄膜(1)；所述无线电能发射装置包括外置电源控制系统(2)、中继线圈(3)和能量发射线圈(4)，所述外置电源控制系统(2)包括外置电源、母线电容、逆变器和主控器，所述外置电源、母线电容、逆变器与能量发射线圈(4)依次连接，所述主控器与逆变器连接；所述中继线圈(3)与能量发射线圈(4)在同一平面内，中继线圈(3)嵌套在能量发射线圈(4)的外部；
所述无线电能接收装置包括接收线圈(5)、高压整流桥和维持电容，所述接收线圈(5)、高压整流桥、维持电容和电活性聚合物薄膜(1)依次相连接，接收线圈(5)接收到无线电能发射装置发出的核共振传递的能量，所述能量通过高压整流桥变换为电波，并经过维持电容滤波后控制电活性聚合物薄膜(1)收缩；电活性聚合物薄膜(1)紧密嵌套在主动脉血管外壁，血管与电活性聚合物薄膜(1)垂直放置，工作时，电活性聚合物薄膜(1)受到径向力刺激，使其在径向发生形变完成收缩过程，从而控制血管的张开和闭合；
所述电活性聚合物薄膜(1)包括薄膜一(101)、薄膜二(102)、薄膜三(103)、薄膜四(104)和薄膜五(105)，所述薄膜一(101)、薄膜二(102)、薄膜三(103)、薄膜四(104)和薄膜五(105)同心环状叠层设置，所述薄膜一(101)、薄膜三(103)和薄膜五(105)材质为铁电性的晶体极性聚合物，所述薄膜二(102)和薄膜四(104)材质为PVC聚合物；
所述电活性聚合物薄膜(1)的薄膜一(101)与薄膜五(105)均设有用于与导线连接的铝制金属箔片，且金属箔片四周加绝缘薄膜。
2.根据权利要求1所述的无线电能传输人体辅助供血装置，其特征在于，所述能量发射线圈(4)的尺寸为8cm-10cm。
3.根据权利要求1所述的无线电能传输人体辅助供血装置，其特征在于，所述中继线圈(3)的尺寸为10cm-12cm。
CN201810541170.9A 2018-05-30 2018-05-30 一种无线电能传输人体辅助供血装置 Active CN108671298B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810541170.9A CN108671298B (zh) 2018-05-30 2018-05-30 一种无线电能传输人体辅助供血装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810541170.9A CN108671298B (zh) 2018-05-30 2018-05-30 一种无线电能传输人体辅助供血装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108671298A CN108671298A (zh) 2018-10-19
CN108671298B true CN108671298B (zh) 2020-12-11

Family

ID=63808945

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810541170.9A Active CN108671298B (zh) 2018-05-30 2018-05-30 一种无线电能传输人体辅助供血装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108671298B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109589463A (zh) * 2019-01-04 2019-04-09 李树文 一种堆叠型介电弹性体驱动的人工心脏

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1389749A (zh) * 2002-07-31 2003-01-08 清华大学 集成铁电微镜式光开关
CN105307601A (zh) * 2013-03-14 2016-02-03 火山公司 辅助小血管系统导引线
CN205123425U (zh) * 2015-08-21 2016-03-30 南阳市信利佳电子有限责任公司 一种小功率无线供电系统
US20160263301A1 (en) * 2015-03-09 2016-09-15 Sunshine Heart Company Pty, Ltd. Pulmonary Arterial Hypertension Treatment Devices and Related Systems and Methods
CN106253498A (zh) * 2016-08-23 2016-12-21 桐城信邦电子有限公司 一种植入式自适应无线电能传输系统
CN107771361A (zh) * 2015-06-03 2018-03-06 皇家飞利浦有限公司 基于电活性聚合物的致动器设备

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1389749A (zh) * 2002-07-31 2003-01-08 清华大学 集成铁电微镜式光开关
CN105307601A (zh) * 2013-03-14 2016-02-03 火山公司 辅助小血管系统导引线
US20160263301A1 (en) * 2015-03-09 2016-09-15 Sunshine Heart Company Pty, Ltd. Pulmonary Arterial Hypertension Treatment Devices and Related Systems and Methods
CN107771361A (zh) * 2015-06-03 2018-03-06 皇家飞利浦有限公司 基于电活性聚合物的致动器设备
CN205123425U (zh) * 2015-08-21 2016-03-30 南阳市信利佳电子有限责任公司 一种小功率无线供电系统
CN106253498A (zh) * 2016-08-23 2016-12-21 桐城信邦电子有限公司 一种植入式自适应无线电能传输系统

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
应用于无尾家电的非接触式无线能量传输技术;张剑韬等;《电工技术学报》;20140930;第29卷(第9期);第33-37页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN108671298A (zh) 2018-10-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108653842B (zh) 一种带中继线圈的多接收端无线电能传输辅助供血装置
Knecht et al. Performance evaluation of series-compensated IPT systems for transcutaneous energy transfer
JP6104981B2 (ja) 埋め込み医療デバイスのためのｔｅｔシステム
CN1874048A (zh) 用于植入式医疗仪器的经皮无线充电装置
NZ565234A (en) Selectable resonant frequency transcutaneous energy transfer system
CN103595144A (zh) 一种无线电能传输的可植入式左心室辅助系统
Matsuki et al. Transcutaneous DC-DC converter for totally implantable artificial heart using synchronous rectifier
CN108671298B (zh) 一种无线电能传输人体辅助供血装置
US20210283391A1 (en) Systems and methods for wireless energy transfer for ventricular assist devices
Varghese et al. Design and analysis of a robust system for wirelessly powering implantable devices
CN102179003A (zh) 一种植入式医疗器械装置
CN108904906B (zh) 一种无线供电式心脏辅助供血装置
CN108686274B (zh) 一种多接收端植入式无线电能传输人体辅助供血装置
Nishimura et al. Characteristics of a novel energy transmission for a rechargeable cardiac pacemaker by using a resonant DC-DC converter
CN203617791U (zh) 一种无线电能传输的可植入式左心室辅助系统
CN108686275B (zh) 一种无线供电的环形辅助供血装置
CN108721720B (zh) 基于无线电能传输的植入式心脏辅助供血装置
Aditya et al. Design and development of wireless power transfer system for implantable cardioverter defibrillator
CN110624146A (zh) 一种无线供电的s形辅助供血装置
Zhao et al. A new structure transcutaneous transformer for artificial heart system
CN106451626B (zh) 一种植入式电子刺激器的无线充装置
CN110139456B (zh) 一种用于x射线机的多级升压系统
Peng et al. Study on the wireless energy supply system in the implantable cardiac pacemaker
MIURA et al. Transcutaneous energy transmission system for ventricular assist device with transmission distance of 2 cm: Stabilization of output voltage by compensation circuit
CN117582605B (zh) 一种电场耦合式神经刺激系统

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant