CN204563315U - 一种基于1-3型压电复合材料的充电式医疗植入装置及系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于1-3型压电复合材料的充电式医疗植入装置及系统，所述充电式医疗植入装置至少包括医疗植入装置和设置于其内以提供电源的电源模块、以及换能片和整流电路，所述换能片、整流电路及电源模块依次连接，换能片将输入的声波信号转换为电信号并将其输出至整流电路，整流电路将所述电信号转换为适于为所述电源模块进行充电的直流电信号，所述电源模块接收所述直流电信号进行充电；另外，所述充电式医疗植入系统在上述装置的基础上还配设有以声波输出装置，用于向换能片发射超声波信号，以作为充电能量源。本实用新型避免了电池电能消耗后通过再次手术更换电池的缺陷，减轻了患者承受手术的痛苦和风险。

Description

一种基于1-3型压电复合材料的充电式医疗植入装置及系统

技术领域

本实用新型涉及医疗器械领域，主要是指利用超声波来实现对于植入人体内的有源医疗设备进行充电，更加具体地来说，特别是涉及一种基于1-3型压电复合材料的充电式医疗植入装置及系统。

背景技术

随着对1-3型压电复合材料的研究的不断深入，现有的1-3型压电复合材料技术较为成熟，而且也逐渐地被应用到各种电子设备中。1-3型压电复合材料作为传感器敏感元件的原理是其具有的压电效应，1-3型压电复合材料是由一维的压电陶瓷柱平行地排列于三维连通的聚合物43中，且复合材料的极化方向垂直于电极面而构成的两相压电复合材料。在利用横向压电效应的1-3型压电复合材料中，每个压电陶瓷单元的极化方向与所施加的电场方向平行，即沿着1-3型压电复合材料的厚度方向；而如果是利用纵向压电效应的情况恰好相反。在高精度领域，不同形状和大小的1-3型压电复合材料，其性能也将有巨大的差异，不同应用环境其所对1-3型压电复合材料性能的需求也不相同，需要根据具体情况进行研究。

另外，在有源植入式医疗设备中，例如医疗植入装置、耳蜗植入装置等。现有的医疗技术中，是通过外科或者内科手段将有源植入式医疗设备安置在人体内，并使其在体内工作。不过随着使用时间的推移，为设备提供电源的电池将耗尽，此时需要对电池进行更换。现有的作法主要是通过手术的方式进行电池更换，不过这给患者带来了巨大的痛苦和潜在的风险。即使采用了最新的锂电池，其寿命一般也只能维持5-8年，电池储能一旦耗尽，需要再次手术更换电池，甚至更换整个系统，从而增加了病人的痛苦，同时也增加了病人的经济压力。

总之，基于现有技术中有源植入式医疗设备普遍存在着电池供电时间有限的问题，而如何改进有源植入式医疗设备在体内电池具有可续航能力就成了本领域技术人员亟待解决的问题。

实用新型内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种基于1-3型压电复合材料的充电式医疗植入装置及系统，用于解决现有技术中，通过手术的方式对植入人体内的有源医疗设备进行充电所带的皮肤损伤、手术感染以及身体疼痛的问题，以提供一种更安全、有效、更长久、无污染的供电技术。

为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供以下技术方案：

方案一

一种基于1-3型压电复合材料的充电式医疗植入装置，至少包括医疗植入装置和为所述医疗植入装置提供电源的电源模块、以及由1-3型压电复合材料制成的换能片和整流电路，为1-3型压电复合材料的换能片、整流电路及电源模块依次连接，由1-3型压电复合材料制成的所述换能片将输入的声波信号转换为电信号并将其输出至所述整流电路中，所述整流电路将所述电信号转换为适于为所述电源模块进行充电的直流电信号，所述电源模块接收所述直流电信号进行充电。

作为上述基于1-3型压电复合材料的充电式医疗植入装置的优选方案，所述换能片的形状为圆柱形，且换能片的直径为2-5个所接收声波信号的波长。

作为上述基于1-3型压电复合材料的充电式医疗植入装置的优选方案，所述整流电路为整流电路或AC/DC电路芯片。

作为上述基于1-3型压电复合材料的充电式医疗植入装置的优选方案，所述电源模块为适于充电的锂电池。

方案二

另外，本实用新型还提供了一种基于1-3型压电复合材料的充电式医疗植入系统，至少包括医疗植入装置和为所述医疗植入装置提供电源的电源模块、以及声波输出装置、换能片、整流电路，所述换能片、整流电路以及电源模块依次连接，所述声波输出装置向换能片发射超声波信号，所述换能片接收所述超声波信号并将其转换成电信号予以输出，所述整流电路接收所述电信号并将其转换成适于为所述电源模块进行充电的直流电信号，所述电源模块接收所述直流电信号进行充电。

作为上述基于1-3型压电复合材料的充电式医疗植入系统的优选方案，还包括一B超探头和供连接所述B超探头的B超装置，且所述B超探头设置于所述声波输出装置上。

作为上述基于1-3型压电复合材料的充电式医疗植入系统的优选方案，所述声波输出装置输出的超声波信号为脉冲式聚焦超声波。

作为上述基于1-3型压电复合材料的充电式医疗植入系统的优选方案，所述脉冲式聚焦超声波的占空比小于等于10％。

作为上述基于1-3型压电复合材料的充电式医疗植入系统的优选方案，所述声波输出装置为聚焦换能器。

如上所述，本实用新型具有以下有益效果：(1)本实用新型创新地采用1-3型压电复合材料作为能量转换介质，并配合整流电路一起设置在医疗植入装置中，从而提供一种可充电式的心脏起搏装置，有效地避免了现有技术中，需要通过手术的方式来实现对医疗植入装置中电池的更换的问题，进而降低了患者的手术带来的意外风险和疼痛；另外，本实用新型中的基于1-3型压电复合材料的充电式医疗植入系统可以通过声波输出装置来向为1-3型压电复合材料的换能片发射输出超声波信号，从而可以实现高效的能量传递和转换，进而实现对于医疗植入装置中电源模块的快速充电。

附图说明

图1显示为本实用新型一种基于1-3型压电复合材料的充电式医疗植入装置的原理示意图。

图2显示为基于1-3型压电复合材料的充电式医疗植入系统的原理示意图。

图3显示为上图2中所述基于1-3型压电复合材料的充电式医疗植入系统与B超装置配合实施的原理示意图。

图4显示为一种圆形结构的1-3型压电复合材料来实现的换能片示意图。

图5显示为谐振频率为0.8MHz的1-3型压电复合材料换能片和PZT-5压电材料换能片的阻抗对比曲线图。

附图标号说明

10  医疗植入装置

20  电源模块

30  整流电路

40  换能片

41a 上电极

41b 下电极

42  压电陶瓷方柱

43  聚合物

50  声波输出装置

60  B超探头

70  B超装置

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，遂图式中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例一

请参考图1，示出了一种快速可充电式心脏起搏装置的原理示意图，如图所示，所述基于1-3型压电复合材料的充电式医疗植入装置10至少包括医疗植入装置10和为所述医疗植入装置10提供电源的电源模块20、以及由1-3型压电复合材料制成的换能片40和整流电路30，有1-3型压电复合材料构成的换能片40、整流电路30及电源模块20依次连接，由1-3型压电复合材料制成的所述换能片40将输入的声波信号转换为电信号并将其输出至所述整流电路30中，所述整流电路30将所述电信号转换为适于为所述电源模块20进行充电的直流电信号，所述电源模块20接收所述直流电信号进行充电。

通过上述基于1-3型压电复合材料的充电式医疗植入装置10，将其植入到人体内后并在其电源将要耗尽时，可在体外向其换能片40发射超声波信号，并利用由1-3型压电复合材料制成的换能片40将该超声波信号转换成电信号，进而在经由整流电路30对该电信号进行整流后为医疗植入装置10中的电源模块20提供直流电信号以进行快速充电，从而避免了现有做法中通过手术的手段来进行医疗植入装置10中电池更换的问题。

实施例二

为了配合实施例一中的基于1-3型压电复合材料的充电式医疗植入装置10工作，本实用新型还提供了一种基于1-3型压电复合材料的充电式医疗植入系统，用于更好地实现对医疗植入装置10进行快速地充电。具体地，请结合图2，图2示出了一种基于1-3型压电复合材料的充电式医疗植入系统的原理示意图，如图所示，所述基于1-3型压电复合材料的充电式医疗植入系统至少包括医疗植入装置10和为所述医疗植入装置10提供电源的电源模块20、以及声波输出装置50、换能片40、整流电路30，所述换能片40、整流电路30以及电源模块20依次连接，所述声波输出装置50向换能片40发射超声波信号，所述换能片40接收所述超声波信号并将其转换成电信号予以输出，所述整流电路30接收所述电信号并将其转换成适于为所述电源模块20进行充电的直流电信号，所述电源模块20接收所述直流电信号进行充电。

与实施例一所不同的是，本实施例二中设置了与所述换能片40向配合工作的声波输出装置50，所述声波输出装置50用于输出超声波信号作为能量，从而为心脏起搏其充电提供能量源。

进一步地，结合图3，示出了上述基于1-3型压电复合材料的充电式医疗植入系统的进一步实施方式，即还可以在上述实施例二中设置B超探头60以及供连接所述B超探头60的B超装置70，所述B超探头60可供扫描患者的皮肤表面以快速获取位于患者体内换能片40的位置，而该B超装置70为现有医院中所使用的B超设备。只需要将B超探头60连接至现有的B超装置70中即可通过B超探头60的扫面来获取人体组织内的图像并在B超装置70中显示，从而可以帮助快速找到声波接受装置在体内的位置。具体地，所述B超探头60可以设置在所述声波输出装置50上，以实现先通过B超探头60来获取体内图像并快速找到换能片40的位置，进而再打开声波输出装置50来向声波接受装置输出超声波信号。

进一步地，为了避免在输出超声波充电的过程中，由于长时间的超声波辐射从而导致体内积热，进而损伤皮肤组织，本实用新型中的所述声波输出装置50做脉冲式地输出聚焦超声波，而且聚焦是通过发射端(即声波输出装置50)实现的，而所述声波输出装置50可以采用聚焦换能器来予以实现。其中，聚焦的焦点大小和焦距由聚焦换能器来进行设定。这里采用聚焦超声波可以使所发射的聚焦超声波的焦点落在换能片40上，从而达到俱佳的转换率，若所述换能片40不是落在聚焦超声波的焦点上，那么其声压将会非常低，产生电流也非常小，无法达到充电的要求。

具体地，所述声波输出装置50所输出的超声波信号为脉冲式地低强度聚焦超声波，而且占空比为10％以下，这是因为，当占空比为10％以下时，超声波信号进入体内时，仍然是机械效应占优，从而所引起的热效应低，保证了超声波以机械能的方式在体内高效的传输并将振动能量高效的输送到接收端的换能片40上。保证了超声波在体内传输过程中热损耗小，超声波在传输过程中不产生热损伤，不会对人体的皮肤造成难以恢复的损伤，确保了充电时的安全性。

更进一步地，所述换能片40选用的是由1-3型压电复合材料制成的圆柱形换能片40，且该圆柱形换能片40的直径为2-5个所述声波输出装置50所输出的超声波的波长。

具体地，见图4，示出了一种圆形结构的由1-3型压电复合材料来实现的换能片40示意图，如图所示，1-3型压电复合材料换能片40由压电陶瓷方柱42、聚合物43及上下电极(21a、21b)组成，其中，压电陶瓷方柱42排列在聚合物43中，压电陶瓷方柱42的高度和方形边长之比大于3，且压电陶瓷方柱42(即陶瓷组分)占总整个换能片40体积的40％-80％之间，之所以这样设置的原因在于，如果采用高度和方形边长之比大于3的结构，可使压电陶瓷方柱42构成的换能片40激发单纯的厚度振动，抑制了横向振动，能够高效的吸收超声纵波，将超声波的机械能转换为电能；如果是方柱尺寸高度和方形边长之比小于3，此换能片40在接收超声纵波的时，除了激发厚度振动外，还会激发较强横向振动，损失了一部分能量，大大降低了超声波转换成电能的效率。应当说明的是，1-3型压电复合材料是指具有上述结构的一类压电材料，其中，压电陶瓷方柱42可以选用各种具体的压电材料，例如PZT-5压电材料。

更加详细地来说，优选地将压电陶瓷方柱42(陶瓷组分)设置为占总体积的40％-80％之间，这是基于以下考虑，若陶瓷组分占总体积的80％以上，方柱之间的间隔会很小，在制作的时候不易加工；若陶瓷组分占总体积的40％以下，由于1-3型压电复合材料换能片40中的压电陶瓷方柱42是将超声波转换成电能的功能部分，压电陶瓷方柱42占的体积过小，会降低换能片40对超声波的吸收和转化。

另外，在对于1-3型压电复合材料换能片40的压电陶瓷材料(即压电陶瓷方柱42)选择上，经过实验分析，1-3型压电复合材料换能片40上的输出功率可以用以下公式(1)来进行计算。

$\mathrm{Power}=\frac{1}{2}{\left(\frac{{\mathrm{Pe}}_{33}}{{\mathrm{\ϵ}}_{33}{\stackrel{\‾}{c}}_{33}\mathrm{\ξ}\cot \mathrm{\ξh}}\right)}^2\frac{Z_L}{{(Z_C+Z_L)}^2}......\left(1\right)$

其中，P为换能片40上的超声波的驱动声压，e³³为换能片40的有效压电常数，为换能片40的有效弹性常数，ε₃₃为换能片40的有效介电常数，h为俘能片的厚度，ξ为波数，Z_L为负载电阻抗，Z_C为换能片40的电阻抗，从公式可以看出，输出功率与换能片40的有效压电常数及驱动声压的二次方成正比，与有效弹性常数及有效介电常数的二次方成反比，因此，压电性越好，输出功率越大；材料越软(弹性常数小)，输出功率越大。综合考虑，可以采用PZT-5或PMN-PT(铌镁酸铅晶体)制成的1-3型压电复合材料中的压电陶瓷方柱42，从而使得1-3型压电复合材料输出的功率较大，以提高充电效率。

更具体地，一般将所述植入体内的为1-3压电复合材料的换能片40工作频率设置为0.3M-3MHz，采用这个频率段工作的原因在于：第一，这个波段超声波在体内传输效率高，热效应少。另外，将所述换能片40设置的形状设置为圆形结构，这是因为聚焦超声波的焦域焦平面是圆形；另外，圆形结构具有形状圆滑、无尖锐角等特点，在将换能片40植入体内会相对安全。而将所述圆形结构的换能片40直径设置在2-5个波长内，是因为聚焦超声波的焦平面为圆形，主峰尺寸大约为2个波长左右，要使换能片40能够更好地接收所述聚焦超声波，那么其最小尺寸应要覆盖聚焦超声的焦平面，因此最小值取2个波长才较为合宜；另外，之所以直径最大值取5个波长，是因为考虑到植入换能器的体积微型化问题，体积过大，不利于植入。

具体地，下面以1-3型压电复合材料和现有的一般压电材料进行对比(这里以PZT-5压电材料为例)，具体见图5，示出了谐振频率为0.8MHz的1-3型压电复合材料换能片40和PZT-5压电材料换能片40的阻抗对比曲线，从图3中可以看出，1-3型压电复合材料厚度振动响应曲线单一，无杂波，响应曲线明显优于PZT-5压电材料的曲线，而PZT-5压电材料换能片40显示出来的曲线则杂波较多。

进一步地，所述换能片40输出的电信号为交流电信号，而交流电信号是不能直接用来对电池进行充电的，需要利用整流电路30先进行转换，使其变成适于电池充电的直流电信号。具体地，可以采用本技术领域通用的整流电路30模块，或者是采用具有整流功能的AC/DC电路芯片来予以实现。由于整流电路30为本领域技术通用电路，这里就不再赘述。另外，与该整流电路30相连的电池可以选用可充电的锂电池。

应当理解，上述实施例一和实施例二中的各种构成部分是可以相互适用的，即对实施例中所涉及的各种改进，对应在实施例一中的相同部分也是可以做相同改进的，为了避免重复，这里不再赘述。

综上所述，本实用新型的至少具有以下优点：

(1)本实用新型采用超声波作为能量的载体，能够以无创的方式穿透人体，对体内的植入式医疗器械进行充电，避免了电池电能消耗后通过再次手术更换电池或系统的过程，减轻了患者的再次手术的风险和痛苦，而且减轻了患者的经济负担。

(2)本实用新型采用脉冲式低强度聚焦超声传输能量，保证了超声波在传输过程中的安全性、有效性和递送位置准确性。

(3)本实用新型采用1-3压电复合材料作为接收超声波的换能片40，保证了对输送到体内的超声波进行高效的吸收。

(4)本实用新型还对超声波在进行传输和转换过程的效率进行了进一步地优化，使得充电的时间更短、更高效，而且对于人体的副作用更低。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种基于1-3型压电复合材料的充电式医疗植入装置，至少包括医疗植入装置和为所述医疗植入装置提供电源的电源模块，其特征在于：所述充电式医疗植入装置还包括由1-3型压电复合材料制成的换能片和整流电路，为1-3型压电复合材料的换能片、整流电路及电源模块依次连接，由1-3型压电复合材料制成的所述换能片将输入的声波信号转换为电信号并将其输出至所述整流电路中，所述整流电路将所述电信号转换为适于为所述电源模块进行充电的直流电信号，所述电源模块接收所述直流电信号进行充电。

2.根据权利要求1所述的基于1-3型压电复合材料的充电式医疗植入装置，其特征在于，所述换能片的形状为圆柱形，且换能片的直径为2-5个所接收声波信号的波长。

3.根据权利要求1所述的基于1-3型压电复合材料的充电式医疗植入装置，其特征在于，所述整流电路为整流电路或AC/DC电路芯片。

4.根据权利要求1所述的基于1-3型压电复合材料的充电式医疗植入装置，其特征在于，所述电源模块为适于充电的锂电池。

5.一种基于1-3型压电复合材料的充电式医疗植入系统，至少包括医疗植入装置和为所述医疗植入装置提供电源的电源模块、以及声波输出装置、由1-3型压电复合材料构成的换能片、整流电路，由1-3型压电复合材料构成的所述换能片、整流电路以及电源模块依次连接，所述声波输出装置向由1-3型压电复合材料构成的换能片发射超声波信号，由1-3型压电复合材料构成的所述换能片接收所述超声波信号并将其转换成电信号予以输出，所述整流电路接收所述电信号并将其转换成适于为所述电源模块进行充电的直流电信号，所述电源模块接收所述直流电信号进行充电。

6.根据权利要求1所述的基于1-3型压电复合材料的充电式医疗植入系统，其特征在于，还包括一B超探头和供连接所述B超探头的B超装置，且所述B超探头设置于所述声波输出装置上。

7.根据权利要求1所述的基于1-3型压电复合材料的充电式医疗植入系统，其特征在于，所述声波输出装置输出的超声波信号为脉冲式聚焦超声波。

8.根据权利要求1所述的基于1-3型压电复合材料的充电式医疗植入系统，其特征在于，所述脉冲式聚焦超声波的占空比小于等于10％。

9.根据权利要求1所述的基于1-3型压电复合材料的充电式医疗植入系统，其特征在于，所述声波输出装置为聚焦换能器。