CN108721720B - 基于无线电能传输的植入式心脏辅助供血装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于无线电能传输的植入式心脏辅助供血装置，包括外置电源、外部无线供电传输模块、内部无线供电传输模块和EAP，外部无线供电传输模块包括高频逆变器和发射线圈，内部无线供电传输模块包括接收线圈、高频整流桥和滤波电路，外置电源与高频逆变器连接，高频逆变器和发射线圈连接，发射线圈和接收线圈感应耦合，接收线圈与高频整流桥连接，高频整流桥和滤波电路连接，滤波电路和EAP连接，EAP贴附在血管壁外侧，EAP为上中下三层结构且上、下两层通电。本发明采用EAP负载无线供电的方式进行辅助供血，减轻了患者的负担，减小了有线连接易造成的皮肤感染和二次手术的风险。

Description

基于无线电能传输的植入式心脏辅助供血装置
技术领域
本发明属于心脏辅助供血技术领域，尤其是涉及一种基于无线电能传输的植入式心脏辅助供血装置。
背景技术
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。
电机泵的体积较大，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，严重威胁病人的生命健康，增添了病人的痛苦。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种基于无线电能传输的植入式心脏辅助供血装置，解决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健康的问题，省去二次手术的麻烦和风险，降低病人负担。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于无线电能传输的植入式心脏辅助供血装置，包括外置电源、外部无线供电传输模块、内部无线供电传输模块和电活性聚合物EAP，所述的外部无线供电传输模块位于人体外部，所述的外部无线供电传输模块包括高频逆变器和发射线圈，所述的内部无线供电传输模块位于人体内部，所述的内部无线供电传输模块包括接收线圈、高频整流桥和滤波电路，所述的外置电源与高频逆变器连接，所述的高频逆变器和发射线圈连接，所述的发射线圈和接收线圈之间感应耦合，所述的接收线圈与高频整流桥连接，所述的高频整流桥和滤波电路连接，所述的滤波电路和电活性聚合物EAP连接，所述的电活性聚合物EAP贴附在血管壁外侧，所述的电活性聚合物EAP为上中下三层结构，其中，上、下两层为铁电高分子聚合物层，中间层为有机硅膜或者VHB材料层，所述的电活性聚合物EAP的上、下两层通电。
进一步的，所述外置电源和高频逆变器之间并联有母线电容。
进一步的，所述整流桥和电活性聚合物EAP之间并联有维持电容。
进一步的，所述电活性聚合物EAP的供电电压为100-500V，功率为5-10W。
进一步的，所述电活性聚合物EAP的上下两层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。
进一步的，所述发射线圈和接收线圈线圈间距为2-5cm。
进一步的，所述发射线圈尺寸为10cm-15cm，接收线圈尺寸为8-12cm。
进一步的，所述外接电源为锂电池或镍氢电池。
相对于现有技术，本发明所述的基于无线电能传输的植入式心脏辅助供血装置具有以下优势：
本发明所述的基于无线电能传输的植入式心脏辅助供血装置，采用EAP负载无线供电的方式进行辅助供血具有控制灵活、重量轻、体积小的优势，减轻了患者的负担，减小了有线连接易造成的皮肤感染和二次手术的风险。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的基于无线电能传输的植入式心脏辅助供血装置的工作原理图；
图2为本发明实施例所述的基于无线电能传输的植入式心脏辅助供血装置中的电活性聚合物EAP结构示意图；
图3为本发明实施例所述的基于无线电能传输的植入式心脏辅助供血装置应用在人体的示意图；
图4为本发明实施例所述的基于无线电能传输的植入式心脏辅助供血装置中的电活性聚合物EAP非工作模式和工作模式对比图；
图5为人体使用本装置辅助供血时EAP工作形态及其相应电平状态图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1-图3所示，基于无线电能传输的植入式心脏辅助供血装置，包括外置电源、外部无线供电传输模块、内部无线供电传输模块和电活性聚合物EAP，所述的外部无线供电传输模块位于人体外部，所述的外部无线供电传输模块包括高频逆变器和发射线圈，所述的内部无线供电传输模块位于人体内部，所述的内部无线供电传输模块包括接收线圈、高频整流桥和滤波电路，所述的外置电源与高频逆变器连接，所述的高频逆变器和发射线圈连接，所述的发射线圈和接收线圈之间感应耦合，所述的接收线圈与高频整流桥连接，所述的高频整流桥和滤波电路连接，所述的滤波电路和电活性聚合物EAP连接，所述的电活性聚合物EAP贴附在血管壁外侧，所述的电活性聚合物EAP为上中下三层结构，其中，上、下两层为铁电高分子聚合物层，中间层为有机硅膜或者VHB材料层，所述的电活性聚合物EAP的上、下两层通电。
本发明采用2线圈式无线供电模型，主要包括发射线圈和接收线圈，采用感应式能量传输方式，使系统结构简单易操作。其中发射线圈和接收线圈均为多匝平面螺旋电感线圈，发射线圈尺寸为10cm-15cm，接收线圈尺寸为8-12cm，线圈间距为2-5cm。外置电源为电池，根据电池种类选择范围的不同，本发明涉及电池包括锂电池，镍氢电池等，电压范围为24V-36V，利用外置可更换电源，可以很好的解决能量续航问题。外置电源端的高频逆变器将直流电源转化为高频交流电源，并传递给发射线圈，将电能转化为高频电磁能，通过感应耦合方式，接收线圈将接收到的电磁能转化为电能。高频整流桥及滤波电路将接收线圈的交流电转化为稳定的直流电并传递给EAP负载进行供电。外置电源和高频逆变器之间并联有母线电容，用于使供电电源的输出电压保持恒定，继而使逆变器的前级电压为稳定的直流电压，整流桥和电活性EAP之间加一维持电容，以保证系统升压过程为稳定的梯形波。
如图4所示，电活性聚合物(EAP)薄膜为一种新型特殊材料，共分3层，上下两层为铁电聚合物，铁电性的晶体极性聚合物，该类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；中间为PVC聚合物，通过提供上下层直流电压，由于电子偶极矩变化，导致接入电源正极的薄膜侧发生收缩，而接入电源负极的薄膜侧维持原形变，从而薄膜整体形态发生变化，通过阶跃脉冲直流电信号，可实现薄膜规律形变，从而协同挤压血管壁，为心脏提供血液。该薄膜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。
如图5所示，成年人的心跳次数，每分钟在60-100次以内是属于正常的，但是一般人都是取中间值，在70-90的范围之内的为多数，如果按每分钟80次心跳计算，其频率约为1.3Hz，即直流通电需要维持0.76s，利用其产生的形变从而挤压血管，达到供血的效果。而由于EAP属于特殊负载，其通电过程与断电过程，其系统的阻值及容值发生变化，本发明中的EAP的容值由10pF变为30pF，而阻抗由1Mohm变化至2.5Mohm。
通过设计EAP辅助供血结构，紧密安装于血管壁外侧，电活性聚合物EAP的上下两层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，通过铝制金属箔片代替传统导线，外加绝缘薄膜，起到安全保护作用。本发明中该电子型EAP的供电电压为100-500V，功率为5-10W，根据不同的供血要求，可设计不同电压等级的辅助装置。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于无线电能传输的植入式心脏辅助供血装置，其特征在于：包括外置电源、外部无线供电传输模块、内部无线供电传输模块和电活性聚合物EAP，所述的外部无线供电传输模块位于人体外部，所述的外部无线供电传输模块包括高频逆变器和发射线圈，所述的内部无线供电传输模块位于人体内部，所述的内部无线供电传输模块包括接收线圈、高频整流桥和滤波电路，所述的外置电源与高频逆变器连接，所述的高频逆变器和发射线圈连接，所述的发射线圈和接收线圈感应耦合，所述的接收线圈与高频整流桥连接，所述的高频整流桥和滤波电路连接，所述的滤波电路和电活性聚合物EAP连接，所述的电活性聚合物EAP贴附在血管壁外侧，所述的电活性聚合物EAP为上中下三层结构，其中，上、下两层为铁电高分子聚合物层，中间层为有机硅膜或者VHB材料层，所述的电活性聚合物EAP的上、下两层通电；
通过提供上下层直流电压，由于电子偶极矩变化，导致接入电源正极的薄膜侧发生收缩，而接入电源负极的薄膜侧维持原形变，从而薄膜整体形态发生变化，通过阶跃脉冲直流电信号，可实现薄膜规律形变，从而协同挤压血管壁，为心脏提供血液。
2.根据权利要求1所述的基于无线电能传输的植入式心脏辅助供血装置，其特征在于：所述外置电源和高频逆变器之间并联有母线电容。
3.根据权利要求2所述的基于无线电能传输的植入式心脏辅助供血装置，其特征在于：所述整流桥和电活性聚合物EAP之间并联有维持电容。
4.根据权利要求3所述的基于无线电能传输的植入式心脏辅助供血装置，其特征在于：所述电活性聚合物EAP的供电电压为100-500V，功率为5-10W。
5.根据权利要求4所述的基于无线电能传输的植入式心脏辅助供血装置，其特征在于：所述电活性聚合物EAP的上下两层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。
6.根据权利要求1-4任一项所述的基于无线电能传输的植入式心脏辅助供血装置，其特征在于：所述发射线圈和接收线圈线圈间距为2-5cm。
7.根据权利要求6所述的基于无线电能传输的植入式心脏辅助供血装置，其特征在于：所述发射线圈尺寸为10cm-15cm，接收线圈尺寸为8-12cm。
8.根据权利要求7所述的基于无线电能传输的植入式心脏辅助供血装置，其特征在于：外接电源为锂电池或镍氢电池。
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