DE102004043002A1 - Electro-medical implant e.g. cardiac pacemaker, for treatment of human heart, has generator with coil and magnet that are movably arranged such that relative movement between coil and magnet causes induction of voltage and/or current - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Energiequelle für ein elektromedizinisches Implantat. Solche elektromedizinische Implantate sind Herzschrittmacher, Kardioverter, Defibrillatoren oder dergleichen die beispielsweise zur Therapie eines menschlichen Herzens mit Hilfe von elektrischen Stimulationsimpulsen genutzt werden.The The invention relates to an energy source for an electromedical Implant. Such electromedical implants are pacemakers, cardioverter, Defibrillators or the like, for example, for therapy of a human heart with the help of electrical stimulation pulses become.
Bei allen elektromedizinischen Implantaten besteht das Problem darin, dass derartige Implantate eine Energiequelle für die zum Betrieb des Gerätes benötigte Spannung respektive den benötigten Strom erfordern. Derartige Energiequellen sind heutzutage üblicherweise Batterien. Diese Batterien sind so ausgelegt, dass sie das Implantat über mehrere Jahre mit Energie versorgen können. Batterien machen üblicherweise den größten Teil des Volumens der Implantate aus und verleihen dem Implantat eine Lebensdauer zwischen üblicherweise drei und acht Jahren. Zum durch die Erschöpfung der Batterie gegebenen Lebensende des Implantates muss das Implantat im Rahmen einer Operation ausgetauscht werden.at All electromedical implants have the problem of such implants provide an energy source for the voltage needed to operate the device respectively the required electricity require. Such energy sources are common today Batteries. These batteries are designed to hold the implant for several years can supply with energy. Batteries usually do the biggest part the volume of the implants and give the implant a lifetime between usually three and eight years. To given by the exhaustion of the battery End of life of the implant must be the implant during surgery be replaced.
Eine alternative Energieversorgung eines Implantats besteht darin, eine externe Energiequelle vorzusehen und die zum Betrieb des Implantates benötigte Leistung induktiv zum Implantat zu übertragen. Dies setzt voraus, dass die externe Energiequelle immer in ausreichender Nähe zum Implantat getragen wird. Daher ist eine solche Lösung für viele Patienten nicht adäquat.A alternative energy supply of an implant is a Provide external energy source and the operation of the implant needed Inductively transfer power to the implant. This requires, that the external energy source is always in sufficient proximity to the implant will be carried. Therefore, such a solution is inadequate for many patients.
Eine
andere Lösung
ist beispielsweise aus
Aus
der
Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der Erfindung, eine alternative Energiequelle oder einen alternativen Energiewandler anzugeben, die oder der die für den Betrieb des Implantates erforderliche Energie beziehungsweise Leistung in geeigneter Weise möglichst dauerhaft zur Verfügung stellt.In front In this background, it is the object of the invention, an alternative Indicate energy source or an alternative energy converter, the one or the other for the operation of the implant required energy or Performance as appropriate as possible permanently available provides.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Generator für ein elektromedizinisches Implantat und ein elektromedizinisches Implantat mit einem solchen Generator gelöst, bei dem der Generator eine elektrische Spule und einen Permanentmagneten aufweist, die relativ zueinander beweglich derart angeordnet sind, dass eine Relativbewegung zwischen dem Permanentmagneten und der Spule die Induktion einer Spannung beziehungsweise eines Stromes bewirkt, der an der Spule abzugreifen ist und der Energieversorgung des Implantates dienen kann. Außerdem weist der Generator einen Speicher für potentielle, mechanische Energie auf, der entweder mit dem Permanentmagneten oder mit der Spule oder mit beiden wirkverbunden ist.According to the invention this Task by a generator for an electro-medical implant and an electromedical one Implant solved with such a generator, in which the generator a electrical coil and a permanent magnet, the relative are mutually movably arranged such that a relative movement between the permanent magnet and the coil, the induction of a Voltage or a current causes, that at the coil is to tap and can serve the energy supply of the implant. Furthermore the generator has a memory for potential, mechanical Energy on, either with the permanent magnet or with the Coil or is operatively connected to both.
In alternativen Ausführungsvarianten können elektrische Spule und Permanentmagnet entweder relativ zueinander längsbeweglich angeordnet sein oder eine rotatorische Relativbewegung zueinander ausführen. Generatoren, die mechanische Energie zum Zwecke der Energieversorgung eines Gerätes in elektrische Energie wandeln, indem ein Permanentmagnet und eine Spule relativ zueinander bewegt werden, sind grundsätzlich bekannt, nicht jedoch im Zusammenhang mit der Energieversorgung elektromedizinischer Implantate.In alternative embodiments can electrical Coil and permanent magnet either longitudinally movable relative to each other be arranged or perform a rotational relative movement to each other. generators the mechanical energy for the purpose of powering a device into electrical Convert energy by using a permanent magnet and a coil relative are moved to each other, are basically known, but not in connection with the supply of electromedical implants.
Wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Generators ist der Speicher für potentielle, mechanische Energie, der beispielsweise ein mechanisches Federelement in Form einer Helixfeder oder in Form einer elastisch auslenkbaren Membran, wie eine Faltenmembran oder eine Membran aus dehnbarem Material (beispielsweise Gummi), oder der ein magnetisches Federelement in Form zweier, sich abstoßenden Magnete oder der ein durch Druck komprimierbares Medium, wie eine Gasfeder oder ein Schwamm sein kann. Außerdem kann der Speicher für potentielle, mechanische Energie eine elastische dehn- und komprimierbare Hohlkammer besitzen, die im vorgenannten Sinne auch als Faltenmembran ausgeführt sein kann.essential Characteristic of the generator according to the invention is the memory for potential, mechanical energy, for example, a mechanical Spring element in the form of a helical spring or in the form of an elastic deflectable membrane, such as a wrinkled membrane or a membrane stretchable material (for example rubber), or a magnetic material Spring element in the form of two, repelling magnets or one pressure compressible medium, such as a gas spring or a sponge can be. Furthermore can the memory for potential, mechanical energy is an elastic extensible and compressible Have hollow chamber, which may also be designed as a wrinkle membrane in the above sense can.
Mit Hilfe des Speichers für potentielle, mechanische Energie kann die zum Betrieb des Implantats erforderliche Energie aus der mechanischen Herzaktivität selbst gewonnen werden. Die mechanische Herzaktivität kann mit dem erfindungsgemäßen Generator genutzt werden, wenn die mechanischen Bewegungen des Herzens zu einer Bewegung des Generators führen. In diesem Falle können die Bewegungen des Generators zur Auslenkung eines Federmassesystems führen. Die Feder dieses Federmassesystems dient als Speicher für potentielle, mechanische Energie und ist mit dem Permanentmagneten oder der Spule verbunden und bewirkt bei jeder Auslenkung die Relativbewegung zwischen der elektrischen Spule und dem Permanentmagneten. In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist das Federmassesystem auf eine Resonanzfrequenz abgestimmt, die einer typischen Herzrate, beispielsweise zwischen 60 und 90 Schläge pro Minute entspricht.With Help of the memory for Potential mechanical energy can be used to operate the implant required energy from the mechanical heart activity itself be won. The mechanical heart activity can with the generator according to the invention be used when the mechanical movements of the heart too cause a movement of the generator. In this case you can the movements of the generator for the deflection of a spring mass system to lead. The spring of this spring system serves as storage for potential, mechanical energy and is with the permanent magnet or the coil connected and causes at each deflection, the relative movement between the electric coil and the permanent magnet. In a preferred variant is the spring mass system tuned to a resonant frequency, the a typical heart rate, for example between 60 and 90 beats per minute equivalent.
Die mechanische Herzaktivität führt außerdem zu Druckänderungen beispielsweise im Blutstrom. Auch diese können durch den erfindungsgemäßen Generator in elektrische Energie gewandelt werden. In diesem Falle werden die Druckänderungen in Relativbewegungen zwischen Permanentmagneten und elektrischer Spule umgewandelt, indem beispielsweise eine mit Spule oder Permanentmagnet oder beiden gekoppelte Hohlkammer periodisch komprimiert und expandiert wird oder indem eine elastische Membran vorgesehen ist, die sich infolge der Druckänderungen periodisch auslenkt. Untervarianten dieser Ausführungsvariante sehen vor, dass die dehn- oder komprimierbare Hohlkammer eine Faltenmembran oder eine flexible oder elastische Wandung umfasst, die bei Kompression oder Expansion der Hohlkammer ausgelenkt wird. Die dehn- und komprimierbare Hohlkammer kann auch zwei starre, relativ zueinander bewegliche Kammerkapseln aufweisen, die einen gegenüber der Umgebung abgedichteten Hohlraum abschließen, so dass eine Dehnung oder Kompression der Hohlkammer zu einer Relativbewegung von Spule und Permanentmagneten führt.The mechanical heart activity also leads to pressure changes for example, in the bloodstream. These can also be achieved by the generator according to the invention be converted into electrical energy. In this case will be the pressure changes in relative movements between permanent magnets and electrical Coil converted by, for example, one with coil or permanent magnet or both coupled hollow chamber periodically compressed and expanded or by providing an elastic membrane which is as a result of the pressure changes periodically deflects. Subvariants of this embodiment provide that the stretchable or compressible hollow chamber a wrinkle membrane or a flexible or elastic wall that covers when compression or Expansion of the hollow chamber is deflected. The stretchable and compressible Hollow chamber can also be two rigid, relatively movable Have chamber capsules which are sealed from the environment Complete cavity, such that a stretching or compression of the hollow chamber leads to a relative movement leads from coil and permanent magnets.
Im folgenden werden Aspekte verschiedener Ausgestaltungen eines Generators der Umwandlung von vom Herzen bewirkter Bewegungen oder Druckänderungen genannt, die jeweils Gegenstände alternativer oder bevorzugter Ausführungsvarianten der Erfindung sind.in the The following will be aspects of various embodiments of a generator the transformation of heart-driven movements or pressure changes called, the objects of alternative or preferred embodiments of the Invention are.
Zur Umwandlung von Bewegungsenergie in elektrische Energie kann der Generator beispielsweise eine hohle Spule besitzen, in der ein Permanentmagnet beweglich untergebracht ist. Ein derartiger Generator kann am oder im Herzen befestigt werden und wird „geschüttelt", wenn das Herz schlägt. Durch die Trägheit seiner Masse bewegt sich der Permanentmagnet relativ zur Spule, wenn diese vom Herzen bewegt wird. Durch die Relativbewegung von Permanentmagnet und elektrischer Spule wird in der Spule ein Strom induziert, der abgegriffen und gleichgerichtet wird.to Conversion of kinetic energy into electrical energy can be the Generator, for example, have a hollow coil in which a permanent magnet movably housed. Such a generator can be on or to be fastened in the heart and "shaken" when the heart beats, due to the inertia of his Mass moves the permanent magnet relative to the coil, if this moved by the heart. Due to the relative movement of permanent magnet and electrical coil, a current is induced in the coil, the tapped and rectified.
Permanentmagnet und elektrische Spule können dabei jeweils zylinderförmig ausgebildet sein, so dass sich der Permanentmagnet im Wesentlichen nur in einer durch die Längsrichtung der Anordnung gegebenen Raumrichtung in der Spule bewegen kann. Es sind aber auch kugelförmige Magneten und/oder kugel- oder ellipsoidförmige Spulen denkbar, bei denen der Magnet in der Spule „umherrollt".permanent magnet and electric coil can each cylindrical be formed, so that the permanent magnet substantially only in a longitudinal direction the arrangement given spatial direction in the coil can move. But they are also spherical Magnets and / or ball or ellipsoidal Coils conceivable in which the magnet in the coil "umolles".
Vorteilhafterweise ist der Permanentmagnet federnd aufgehängt und somit direkt mit dem Speicher für potentielle, mechanische Energie in Form eines Federelementes verbunden. Dies verhindert ein Anschlagen des Magneten in seinen Bewegungsendlagen, so dass hierdurch möglichst keine Energie verloren geht (resp. in Wärme oder Verformung umgewandelt wird). Außerdem bildet der Permanentmagnet zusammen mit dem Federelement das zuvor beschriebene Feder-Masse-System. Die Aufhängung kann z.B. durch mechanische Federn oder wiederum durch von einander abstoßenden Magneten gebildete Magnetfedern realisiert sein. Die Bewegungsenergie wird dabei während der Bewegung der Anordnung teilweise in potentielle Energie umgewandelt, die in der Feder bzw. im Magnetfeld zwischengespeichert wird. Kommt die Anordnung zur Ruhe, wird die potentielle Energie wieder in Bewegungsenergie zurückverwandelt, die dann wiederum durch Induktion in elektrische Energie gewandelt wird.advantageously, the permanent magnet is suspended resiliently and thus directly with the Memory for potential, mechanical energy connected in the form of a spring element. This prevents a striking of the magnet in its movement end positions, so that as possible no energy is lost (respectively transformed into heat or deformation becomes). Furthermore forms the permanent magnet together with the spring element before described spring-mass system. The suspension may e.g. by mechanical Springs or in turn formed by magnetic magnets repulsed by repulsive magnets be realized. The kinetic energy is thereby during the Movement of the arrangement partially transformed into potential energy, the is cached in the spring or in the magnetic field. comes the arrangement to rest, the potential energy becomes kinetic again reconverted which then in turn converted by induction into electrical energy becomes.
Vorteilhafterweise ist bei einer solchen Generator, der zunächst diskontinuierlich elektrischen Strom generiert, ein Ladungsspeicher (z.B. ein Kondensator oder ein sogenannter „Goldcap") vorgesehen, der die diskontinuierliche Energielieferung ausgleicht und so eine kontinuierliche Versorgung des Implantats gewährleistet.advantageously, is in such a generator, which initially discontinuous electrical power a charge storage device (e.g., a capacitor or a so-called "gold cap") is provided the discontinuous energy supply compensates and so a continuous Ensuring the supply of the implant.
In einer anderen Ausgestaltungsform kann der Permanentmagnet an einer federnden Membran befestigt sein, die an einem Gehäuse befestigt ist, in dem die Spule untergebracht ist. Wenn sich die Anordnung bewegt, schwingt die Membran so, dass der daran befestigte Permanentmagnet mehr oder weniger tief in die Spule – genauer: einen von der elektrischen Spule umschlossenen Hohlraum – eintaucht und auf diese Weise einen Strom in dieser Spule induziert. Natürlich kann die Anordnung auch umgekehrt gestaltet sein, d.h. die Spule ist an der Membran befestigt und der Permanentmagnet ist starr am Gehäuse angebracht.In In another embodiment, the permanent magnet on a attached resilient diaphragm which is attached to a housing is, in which the coil is housed. If the arrangement moves, the membrane vibrates so that the attached permanent magnet more or less deep in the coil - more precisely: one of the electrical Coil enclosed cavity - immersed and in this way induces a current in this coil. Of course you can the arrangement also be reversed, i. the coil is attached to the diaphragm and the permanent magnet is rigidly attached to the housing.
Eine solche Membran kann z.B. aus im Wesentlichen glattem, elastischem (gummiartigem) Material gefertigt sein. In anderen Ausführungsformen kann die Membran faltenbalgartig gestaltete Teile enthalten, welche (ähnlich wie bei einem Lautsprecher) für die Verformbarkeit sorgen.Such a membrane may for example be made of substantially smooth, elastic (rubbery) material. In other embodiments The diaphragm may contain bellows-shaped parts which (similar to a loudspeaker) provide for deformability.
Ein Generator, der Druck in elektrische Energie wandeln kann, kann so gestaltet sein, dass ein Permanentmagnet und eine elektrische Spule in oder an einer hermetisch abgeschlossenen Hohlkammer angebracht sind, die mit einem komprimierbaren oder expansiblen Fluid gefüllt ist, wobei zumindest eines der beiden Elemente (Magnet oder Spule) mit einem beweglichen Element verbunden ist, welches in Bewegung versetzt wird, wenn sich der Umgebungsdruck ändert. Das komprimierbare Fluid kann beispielsweise ein Edelgas (z.B. Helium, Argon) oder auch ein anderes Gas (z.B. Kohlendioxid) sein. Vorzugsweise ist das Fluid ein Gas, welches körperverträglich ist, für den Fall, dass die Hohlkammer undicht wird. Das bewegliche Element kann beispielsweise eine Membran in den bereits weiter oben beschriebenen Gestaltungsformen oder ein abgedichteter Schieber (eine Kammerkapsel im oben beschriebenen Sinne) oder eine über ein flexibles Element (z.B. einen Faltenbalg) aufgehängte Platte oder eine flexible oder elastische Wandung sein. In Ruhestellung der Anordnung herrschen sowohl innerhalb als auch außerhalb der Hohlkammer die gleichen Druckverhältnisse. Wenn sich der Umgebungsdruck erhöht, wird das bewegliche Element nach innen gedrückt, da der Innendruck dann kleiner als der Umgebungsdruck ist. Wenn sich der Umgebungsdruck verringert, wird das bewegliche Element nach außen gezogen. Auf diese Weise werden die Druckveränderungen in eine Bewegung umgesetzt. Da derartige Ausführungsvarianten so gestaltet sind, dass eine Relativbewegung von Permanentmagnet und elektrischer Spule entsteht, wird bei jeder Druckänderung in der Spule ein Strom induziert, welcher auf gleiche Weise wie oben beschrieben zur Versorgung des elektromedizinischen Implantats genutzt werden kann.One Generator that can convert pressure into electrical energy can do so be designed that a permanent magnet and an electric coil mounted in or on a hermetically sealed hollow chamber which is filled with a compressible or expansible fluid, wherein at least one of the two elements (magnet or coil) with a movable element is connected, which sets in motion becomes when the ambient pressure changes. The compressible fluid For example, a noble gas (e.g., helium, argon) may also be used other gas (e.g., carbon dioxide). Preferably, the fluid a gas that is biocompatible, for the Case that the hollow chamber is leaking. The movable element can For example, a membrane in the already described above Design forms or a sealed slide (a chamber capsule in the sense described above) or via a flexible element (e.g. Bellows) suspended Be plate or a flexible or elastic wall. At rest of the Arrangement prevail both inside and outside of the hollow chamber the same pressure conditions. As the ambient pressure increases, pressed the movable element inward, as the internal pressure then is less than the ambient pressure. When the ambient pressure decreases, the movable element is pulled outwards. In this way become the pressure changes translated into a movement. Since such variants designed this way are that a relative movement of permanent magnet and electric coil arises, is at every pressure change induces a current in the coil, which in the same way as described above for the supply of the electromedical implant can be used.
Zur Steigerung der Effektivität können Mittel zur Umwandlung von Bewegungsenergie und zur Umwandlung von Druckveränderungen in elektrische Energie auch in einem Generator vereinigt werden.to Increase in effectiveness can Means for the transformation of kinetic energy and the conversion of pressure changes be combined into electrical energy also in a generator.
In speziellen Ausführungen der oben beschriebenen Ausgestaltungsformen wird die Bewegung durch ein Getriebe oder Gestänge übersetzt und/oder in eine Drehbewegung umgewandelt, so dass eine schnellere Relativbewegung von Permanentmagnet und elektrischer Spule zu erzeugen ist, als es bei den oben beschriebenen einfachen Ausgestaltungsformen möglich wäre. Dadurch kann mehr Bewegungsenergie in elektrische Energie umgewandelt werden.In special designs Of the embodiments described above, the movement is through translates a gear or linkage and / or converted into a rotary motion, allowing a faster relative movement of permanent magnet and electric coil is to generate, as it would be possible with the simple embodiments described above. Thereby More kinetic energy can be converted into electrical energy.
Die Umwandlung von Druckveränderungen in elektrische Energie kann auch mittels einer Turbine erfolgen, die in einer Strömung angeordnet ist, welche von den Druckveränderungen hervorgerufen wird. Diese Strömung kann direkt die Blutströmung sein, welche vom Herzen erzeugt wird oder es kann die Strömung eines Fluids sein, welches sich in einer Energieumwandlungsvorrichtung befindet.The Conversion of pressure changes in Electrical energy can also be done by means of a turbine, the in a current is arranged, which is caused by the pressure changes. This flow can be directly the bloodstream, which is generated by the heart or it can be the flow of one Fluids, which are in an energy conversion device located.
Eine bevorzugte Ausgestaltung eines elektromedizinischen Implantats, beispielsweise eines Diagnose- oder Therapiegerätes mit einem Generator zur Energiegewinnung der beschriebenen Art ist so ausgestaltet, dass der Generator innerhalb eines Gehäuses des Implantats angeordnet ist, so dass die Einheit aus Generator und Implantat komplett am oder im Herzen unterzubringen ist.A preferred embodiment of an electromedical implant, For example, a diagnostic or therapeutic device with a generator for Energy production of the type described is designed so that the generator is disposed within a housing of the implant is so that the unit of generator and implant completely on or in the heart is to accommodate.
Eine andere Ausgestaltung kann so aussehen, dass der Generator und das Implantat über eine Zuleitung miteinander verbunden sind und dass nur der Generator zur Unterbringung im oder am Herzen ausgebildet ist. Dabei kann die Zuleitung, über welche der Generator die Energie zum Implantat überträgt, mit der oft bei solchen Diagnose- und Therapiegeräten vorhandenen Wahrnehmungs- oder Therapierungselektrode identisch sein.A another embodiment may be such that the generator and the Implant over a supply line are connected to each other and that only the generator designed for placement in or at the heart. It can the supply line, over which the generator transfers the energy to the implant, often with such Diagnostic and therapy devices existing sensing or treatment electrode identical be.
Verschiedene konkrete Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Generators werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Figuren näher erläutert. Von den Figuren zeigen insgesamt zehn verschiedene Ausführungsvarianten jeweils eines erfindungsgemäßen Generators in Schnittdarstellungen.Various concrete embodiments of inventive generator will be described below with reference to exemplary embodiments with reference closer to the figures explained. Of the figures show a total of ten different variants in each case of a generator according to the invention in sectional views.
Ein
elastisches Federelement
Das
Federelement
Selbst
wenn die Hohlkammer im letztgenannten Fall nicht besonders dicht
ist, wirken das Federelement
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