CN117224078A - 一种基于血管脉动的微型发电装置及植入式微型器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了介入医疗领域，特别是一种基于血管脉动的微型发电装置及植入式微型器件，包括半导体滑道、超滑导电片及俘能连接件；所述俘能连接件与所述超滑导电片和赋能血管相连接，用于利用所述赋能血管的脉动使所述超滑导电片在所述半导体滑道相对滑动；所述超滑导电片与所述半导体滑道之间超滑接触并输出电信号。本发明基于超滑的肖特基发电，导电的超滑材料和平整的半导体材料相对滑动，即可产生电流的原理，通过所述俘能连接件，将血管的收缩舒张过程中的机械能，高效率的转化为电能，为植入式微型器件供能或者本身作为自供能传感器，在基本不对人体产生伤害的情况下，获得寿命较长的，可持续的人体内植入式微型器件供电手段。
Description
技术领域
本发明涉及介入医疗领域，特别是涉及一种基于血管脉动的微型发电装置及植入式微型器件。
背景技术
随着科技的发展，植入式微型器件在下一代介入医疗领域将变得极其重要，例如对于血糖和血压的测量，目前传统的外部测量方式由于其复杂性和不连续性导致患者的后续治疗的依据不精准，且使用不方便，而可穿戴式的设备虽然能做到连续测量，但由于在体外很难实现很精确的测量，因此，植入式微型器件成为了未来发展道路上的新选择。
而植入式微型器件虽然能够直接准确连续的测量血糖和血压，但是如何解决这类植入式器件的供电问题成为一个挑战，传统的化学电池其电池的容量随着尺度的三次方衰减，且在小尺度下寿命有限，因此需要定期的手术更换，而无线充电的方式一方面尺寸较大，另一方面将产生较大的热量导致损伤人体。
因此，如何找到一种使用寿命长，能持续供电，且对人体负担较小的植入式微型器件供电手段，成了现有技术中亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于血管脉动的微型发电装置及植入式微型器件，以解决现有技术中植入式器件的能源供应使用时间短且对人体负担大的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于血管脉动的微型发电装置，包括半导体滑道、超滑导电片及俘能连接件；
所述俘能连接件与所述超滑导电片和赋能血管相连接，用于利用所述赋能血管的脉动使所述超滑导电片在所述半导体滑道相对滑动；
所述超滑导电片与所述半导体滑道之间超滑接触并输出电信号。
可选地，在所述的基于血管脉动的微型发电装置中，所述超滑导电片包括导电岛盖和超滑片；
所述超滑片的第一表面与所述半导体滑道超滑接触，所述导电岛盖和所述超滑片形成欧姆接触。
可选地，在所述的基于血管脉动的微型发电装置中，还包括导电组装体；
所述微型发电装置包括多个所述超滑导电片；
多个所述超滑导电片通过所述导电组装体并联，并在所述俘能连接件的驱动下在所述半导体滑道相对滑动。
可选地，在所述的基于血管脉动的微型发电装置中，所述超滑导电片为具有单晶二维界面的半导体滑片；
所述单晶二维界面包括石墨界面、石墨烯界面、二硫化钼界面、二硒化钨界面、二硫化钨界面及黑磷界面中的至少一种。
可选地，在所述的基于血管脉动的微型发电装置中，所述俘能连接件包括弹性传递件；
所述弹性传递件接受所述赋能血管的脉动的力的方向与所述超滑导电片在所述半导体滑道上的滑动方向垂直。
可选地，在所述的基于血管脉动的微型发电装置中，所述俘能连接件包括运动组；
单个所述运动组包括两个弹性传递件；所述弹性传递件为弧形结构，同一个所述运动组内的两个弹性传递件的弧顶相对，且两个所述弹性传递件分别对应的超滑导电片的运动方向相反。
可选地，在所述的基于血管脉动的微型发电装置中，所述俘能连接件包括接触底托；
所述接触底托覆盖于所述赋能血管外壁，所述俘能连接件的其他结构通过所述接触底托将所述赋能血管的脉动的力传递至所述超滑导电片上。
可选地，在所述的基于血管脉动的微型发电装置中，所述俘能连接件至少包括两个接触底托。
可选地，在所述的基于血管脉动的微型发电装置中，还包括预压框体；
所述微型发电装置通过所述预压框体固定连接于所述赋能血管上，且所述预压框体通过所述俘能连接件对所述赋能血管施加预压力。
可选地，在所述的基于血管脉动的微型发电装置中，所述预压框体内设有预压气囊，所述预压气囊对所述赋能血管施加预压力。
可选地，在所述的基于血管脉动的微型发电装置中，所述微型发电装置包括两个所述半导体滑道，且两个所述半导体滑道分别对应各自的所述超滑导电片及所述俘能连接件；
两个所述半导体滑道相对设置。
可选地，在所述的基于血管脉动的微型发电装置中，当所述微型发电装置包括所述预压框体时，所述预压框体为弹性连接带；
所述弹性连接带两端分别连接于两个所述半导体滑道上，且所述弹性连接带为预延展的连接带。
一种植入式微型器件，所述植入式微型器件包括如上述任一种所述的基于血管脉动的微型发电装置。
本发明所提供的基于血管脉动的微型发电装置，包括半导体滑道、超滑导电片及俘能连接件；所述俘能连接件与所述超滑导电片和赋能血管相连接，用于利用所述赋能血管的脉动使所述超滑导电片在所述半导体滑道相对滑动；所述超滑导电片与所述半导体滑道之间超滑接触并输出电信号。
本发明基于导电的超滑材料和平整的半导体材料相对滑动，即可产生电流的原理(如肖特基发电)，通过所述俘能连接件，将血管的收缩舒张过程中的机械能，高效率的转化为电能，为植入式微型器件供能或者本身作为自供能传感器，在基本不对人体产生伤害的情况下，获得寿命较长的，可持续的人体内植入式微型器件供电手段。本发明同时还提供了一种具有上述有益效果的植入式微型器件。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的基于血管脉动的微型发电装置的一种具体实施方式的结构示意图；
图2为本发明提供的基于血管脉动的微型发电装置的另一种具体实施方式的结构示意图；
图3为本发明提供的基于血管脉动的微型发电装置的又一种具体实施方式的结构示意图；
图4为本发明提供的基于血管脉动的微型发电装置的一种具体实施方式与外部电路连接的结构示意图；
图5为本发明提供的基于血管脉动的微型发电装置的一种具体实施方式的超滑导电片的结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的核心是提供一种基于血管脉动的微型发电装置，其一种具体实施方式的结构示意图如图1所示，包括半导体滑道03、超滑导电片021及俘能连接件；
所述俘能连接件与所述超滑导电片021和赋能血管相连接，用于利用所述赋能血管的脉动使所述超滑导电片021在所述半导体滑道03相对滑动；
所述超滑导电片021与所述半导体滑道03之间超滑接触并输出电信号。
目前没有一个能够直接收集血管壁振动的能量的收集装置，本发明可以实现的原因是因为通过超滑肖特基发电的高输出密度，能够实现小型化，同时摩擦力极低能够在血管微弱的扰动下产生一定的位移来发电；同时无磨损特性能够实现不用更换。并且由于血管遍布人体的全身，因此可以安装在任何的部位，为应用在人体各处的植入式器件供电。
所述超滑导电片021包括导电岛盖212和超滑片211；
所述超滑片211的第一表面与所述半导体滑道03超滑接触，所述导电岛盖212和所述超滑片211形成欧姆接触，如图5所示。
其中，所述第一表面为与所述半导体滑道03接触的表面，所述超滑导电片021包括导电岛盖212和超滑片211的情况为所述超滑导电片021与所述半导体滑道03之间为肖特基发电的情况，当然，所述超滑导电片021与所述半导体滑道03之间也可以通过其他方式实现滑动发电，本发明在此不作限定。
作为一种优选实施方式，所述微型发电装置还包括导电组装体022；
所述微型发电装置包括多个所述超滑导电片021；
多个所述超滑导电片021通过所述导电组装体022并联，并在所述俘能连接件的驱动下在所述半导体滑道03相对滑动。当然，被同一所述导电组装体022连接的超滑导电片021可以在同一半导体滑道03上相对滑动，也可在不同半导体滑道03上相对滑动。
换言之，使用所述俘能连接件一次性推动多个并联的超滑导电片021，可成倍提升电流大小，满足更大的功率需求。
具体地，所述超滑导电片021为具有单晶二维界面的导体或者半导体滑片；
所述单晶二维界面包括石墨界面、石墨烯界面、二硫化钼界面、二硒化钨界面、二硫化钨界面及黑磷界面中的至少一种。当然，所述单晶二维界面即为所述超滑导电片021与所述半导体滑道03的接触面。
更近一步地，所述俘能连接件包括弹性传递件011；
所述弹性传递件011接受所述赋能血管的脉动的力的方向与所述超滑导电片021在所述半导体滑道03上的滑动方向垂直。
请参考图1，图1中的劣弧在受到血管脉动时垂直向下的力后，通过弧形的弹性材料传导到所述超滑导电片021上，使所述超换导电片在图中水平方向上滑动。优选地，所述弹性传递件011为弹性聚合物，当然，也可根据实际情况选用其他材料。
弧状结构的弹性传递件011结构简单，力传递性能好，制作方便成本低，当然，也可选用其他形状的结构进行血管的脉动的力的传递。
再进一步地，所述俘能连接件包括接触底托012；
所述接触底托012覆盖于所述赋能血管外壁，所述俘能连接件的其他结构通过所述接触底托012将所述赋能血管的脉动的力传递至所述超滑导电片021上。
更进一步地，所述俘能连接件至少包括两个接触底托012，两个接触底托012从相反的方向包裹所述赋能血管，保障血管脉动的能量被充分吸收转化。
所述接触底托012为所述俘能连接件与所述赋能血管直接接触的结构，所述接触底托012可以贴合所述赋能血管，增加受力面积，使所述赋能血管的脉动更好地传导到所述超滑导电片021上，另外，所述接触底托012还能起到保护套的作用，避免所述微型发电装置其他部分的尖锐结构刺伤血管(如图1中的弹性传递件011的端点)，图1中没有直接标识所述俘能连接件，而是分别标识所述俘能连接件的组成部分，即所述接触底托012及所述弹性传递件011。
另外，所述超滑导电片021为石墨片。石墨在人体内环境下较为稳定，不会与身体内其他成分发生化学反应，对人体较为安全，且导电性优良，减少微型发电装置内损耗。
作为一种具体实施方式，还包括预压框体04；
所述微型发电装置通过所述预压框体04固定连接于所述赋能血管上，且所述预压框体04通过所述俘能连接件对所述赋能血管施加预压力。
对所述赋能血管进行轻微施压，使所述俘能连接件与所述赋能血管贴合更紧密，所述赋能血管的脉动更大一部分被所述俘能连接件接收并传导到所述超滑导电片021上。
更进一步地，所述预压框体04内设有预压气囊，所述预压气囊对所述赋能血管施加预压力。通过所述预压气囊，能使所述预压框体04与所述赋能血管之间的贴合更紧密，使所述赋能血管的脉动能量更好地被转化，同时，所述预压气囊可进一步充当传感器，用于血压测量。
需要注意的是，所述预压框体04的形态多变，如图1中所示，图1中的所述预压框体04为预压缩状态下的垫片，不与所述俘能连接件接触的一面直接与人体其他组织贴合，通过自身的预压缩状态，依靠人体其他组织的支撑，对所述赋能血管提供预压力。当然，所述预压框体04的具体形貌与安装手段可根据实际情况做相应改动。
我们对身体各部分血管能够提供的能量进行估算，以肱动脉为例，其外径为0.42-0.49cm，压强约为100mmHg＝13332Pa，心率为70，只需1mm长度，血管变化10％.即有1mW功率，对于其他血管，从毛细血管到主动脉皆可安装，功率范围为50nW-6mW；而结构超滑技术的摩擦力几乎为0，可以认为几乎具有100％的转换效率，因此这个功率也可以认为是输出的电功率，这个功率足够驱动很多微型传感器器件，例如新一代脑机接口芯片。
本发明所提供的基于血管脉动的微型发电装置，包括半导体滑道03、超滑导电片021及俘能连接件；所述俘能连接件与所述超滑导电片021和赋能血管相连接，用于利用所述赋能血管的脉动使所述超滑导电片021在所述半导体滑道03相对滑动；所述超滑导电片021与所述半导体滑道03之间超滑接触并输出电信号。本发明基于导电的超滑材料和平整的半导体材料相对滑动，即可产生电流的原理(如肖特基发电)，通过所述俘能连接件，将血管的收缩舒张过程中的机械能，高效率的转化为电能，为植入式微型器件供能或者本身作为自供能传感器，在基本不对人体产生伤害的情况下，获得寿命较长的，可持续的人体内植入式微型器件供电手段。
在具体实施方式一的基础上，进一步对所述俘能连接件做改进，得到具体实施方式二，其结构示意图如图2所示，包括半导体滑道03、超滑导电片021及俘能连接件；
所述俘能连接件与所述超滑导电片021和赋能血管相连接，用于利用所述赋能血管的脉动使所述超滑导电片021在所述半导体滑道03相对滑动；
所述超滑导电片021与所述半导体滑道03之间超滑接触并输出电信号；
所述俘能连接件包括运动组；
单个所述运动组包括两个弹性传递件011；所述弹性传递件011为弧形结构，同一个所述运动组内的两个弹性传递件011的弧顶相对，且两个所述弹性传递件011分别对应的超滑导电片021的运动方向相反。
本具体实施方式与上述具体实施方式的不同之处在于，本具体实施方式中设置了多组弧顶相对的弹性传递件011，其余结构均与上述具体实施方式相同，在此不再展开赘述。
本具体实施方式中，所述俘能连接件包括由两个弧顶相对的弹性传递件011组成的运动组，每个弹性传递件011各自对应一个或一组所述超滑导电片021(如图2中即为每个弹性传递件011对应一组所述导电组装体022并联的超滑导电片021)，当所述赋能血管脉动时，两个弹性传递件011分别向相反的方向传递力，形成了一个互相支撑的“人”字形结构，提升了力学稳定性，同时，增加了赋能血管脉动的利用效率，提升了发电功率。当然，所述俘能连接件可包括单个运动组，也可包括多个运动组。
在具体实施方式二的基础上，进一步对所述微型发电装置做改进，得到具体实施方式二，其结构示意图如图3所示，包括半导体滑道03、超滑导电片021及俘能连接件；
所述俘能连接件与所述超滑导电片021和赋能血管相连接，用于利用所述赋能血管的脉动使所述超滑导电片021在所述半导体滑道03相对滑动；
所述超滑导电片021与所述半导体滑道03之间超滑接触并输出电信号；
所述俘能连接件包括运动组；
单个所述运动组包括两个弹性传递件011；所述弹性传递件011为弧形结构，同一个所述运动组内的两个弹性传递件011的弧顶相对，且两个所述弹性传递件011分别对应的超滑导电片021的运动方向相反；
所述微型发电装置包括两个所述半导体滑道03，且两个所述半导体滑道03分别对应各自的所述超滑导电片021及所述俘能连接件；
两个所述半导体滑道03相对设置。
本具体实施方式与上述具体实施方式的不同之处在于，本具体实施方式中设置了两个半导体滑道03，其余结构均与上述具体实施方式相同，在此不再展开赘述。
请参考图3，图3即为两个相对设置的半导体滑道03与配套的俘能连接件与超滑导电片021，在所述赋能血管的两侧均设置所述半导体滑道03，避免了单侧设置时，所述赋能血管长期受到侧面单方向的压力(来自单侧的所述俘能连接件)，长期受单侧压力的血管更脆弱，更容易破裂，而使用本具体实施方式中的双侧半导体滑道03的结构，使所述赋能血管的左右侧向压力平衡，对血管负担更小，同时也能更好地俘获所述赋能血管脉动的动能，提升发电效率。
当所述微型发电装置包括所述预压框体04时，所述预压框体04为弹性连接带；
所述弹性连接带两端分别连接于两个所述半导体滑道03上，且所述弹性连接带为预延展的连接带。
所述弹性连接带占用空间小，在提供充足的预压力的同时，还可平衡两个所述半导体滑道03的相对位置，有利于器件的小型化。当然，也可采用其他形式的预压框体04，本发明在此不做限定。
下面举一例实际发电的情况，设血管的直径D范围为(60nm(毛细血管)，4cm(升主动脉))；血压平均为100mmHg＝13332Pa，正常人心率平均为70；超微发电机有效长度为1mm。设血管舒张时直径为D1，收缩时直径为D2，平均血压为P，心率为f
则长度为L的血管收缩-舒张对外做功功率为：
W血管对外＝P*L*(D1-D2)*f
假设血管径变化量为10％,则有：
W血管对外＝P*L*10％*D1*f
带入理论背景中的数值可得血管对外功率W血管对外范围约为50nW-6mW。
实际情况中由于血管脉动提供的能量是脉冲型，假设为正弦信号，峰值为平均值的根号二倍。对外功率的峰值为70nW-8.4mW，例如应用在肱动脉(外径约为0.5cm)即可得到1mW的功率。
另外，图4提供了一种所述微型发电装置与用电器(即所述植入式微型器件，图中为R)的连接电路示意图，所述半导体滑道03与所述超滑导电片021分别为电源两极，可在所述超滑导电片021及所述半导体滑道03上设置电极方便电路连接。
本发明同时还提供了一种植入式微型器件，所述植入式微型器件包括如上述任一种所述的基于血管脉动的微型发电装置。本发明所提供的基于血管脉动的微型发电装置，包括半导体滑道03、超滑导电片021及俘能连接件；所述俘能连接件与所述超滑导电片021和赋能血管相连接，用于利用所述赋能血管的脉动使所述超滑导电片021在所述半导体滑道03相对滑动；所述超滑导电片021与所述半导体滑道03之间超滑接触并输出电信号。本发明基于导电的超滑材料和平整的半导体材料相对滑动，即可产生电流的原理(如肖特基发电)，通过所述俘能连接件，将血管的收缩舒张过程中的机械能，高效率的转化为电能，为植入式微型器件供能或者本身作为自供能传感器，在基本不对人体产生伤害的情况下，获得寿命较长的，可持续的人体内植入式微型器件供电手段。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上对本发明所提供的基于血管脉动的微型发电装置及植入式微型器件进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (13)
1.一种基于血管脉动的微型发电装置，其特征在于，包括半导体滑道、超滑导电片及俘能连接件；
所述俘能连接件与所述超滑导电片和赋能血管相连接，用于利用所述赋能血管的脉动使所述超滑导电片在所述半导体滑道相对滑动；
所述超滑导电片与所述半导体滑道之间超滑接触并输出电信号。
2.如权利要求1所述的基于血管脉动的微型发电装置，其特征在于，所述超滑导电片包括导电岛盖和超滑片；
所述超滑片的第一表面与所述半导体滑道超滑接触，所述导电岛盖和所述超滑片形成欧姆接触。
3.如权利要求1所述的基于血管脉动的微型发电装置，其特征在于，还包括导电组装体；
所述微型发电装置包括多个所述超滑导电片；
多个所述超滑导电片通过所述导电组装体并联，并在所述俘能连接件的驱动下在所述半导体滑道相对滑动。
4.如权利要求1所述的基于血管脉动的微型发电装置，其特征在于，所述超滑导电片为具有单晶二维界面的半导体滑片；
所述单晶二维界面包括石墨界面、石墨烯界面、二硫化钼界面、二硒化钨界面、二硫化钨界面及黑磷界面中的至少一种。
5.如权利要求1所述的基于血管脉动的微型发电装置，其特征在于，所述俘能连接件包括弹性传递件；
所述弹性传递件接受所述赋能血管的脉动的力的方向与所述超滑导电片在所述半导体滑道上的滑动方向垂直。
6.如权利要求5所述的基于血管脉动的微型发电装置，其特征在于，所述俘能连接件包括运动组；
单个所述运动组包括两个弹性传递件；所述弹性传递件为弧形结构，同一个所述运动组内的两个弹性传递件的弧顶相对，且两个所述弹性传递件分别对应的超滑导电片的运动方向相反。
7.如权利要求1所述的基于血管脉动的微型发电装置，其特征在于，所述俘能连接件包括接触底托；
所述接触底托覆盖于所述赋能血管外壁，所述俘能连接件的其他结构通过所述接触底托将所述赋能血管的脉动的力传递至所述超滑导电片上。
8.如权利要求7所述的基于血管脉动的微型发电装置，其特征在于，所述俘能连接件至少包括两个接触底托。
9.如权利要求1所述的基于血管脉动的微型发电装置，其特征在于，还包括预压框体；
所述微型发电装置通过所述预压框体固定连接于所述赋能血管上，且所述预压框体通过所述俘能连接件对所述赋能血管施加预压力。
10.如权利要求1所述的基于血管脉动的微型发电装置，其特征在于，所述预压框体内设有预压气囊，所述预压气囊对所述赋能血管施加预压力。
11.如权利要求1至10任一项所述的基于血管脉动的微型发电装置，其特征在于，所述微型发电装置包括两个所述半导体滑道，且两个所述半导体滑道分别对应各自的所述超滑导电片及所述俘能连接件；
两个所述半导体滑道相对设置。
12.如权利要求11所述的基于血管脉动的微型发电装置，其特征在于，当所述微型发电装置包括所述预压框体时，所述预压框体为弹性连接带；
所述弹性连接带两端分别连接于两个所述半导体滑道上，且所述弹性连接带为预延展的连接带。
13.一种植入式微型器件，其特征在于，所述植入式微型器件包括如权利要求1至12任一项所述的基于血管脉动的微型发电装置。
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