ITFI980213A1

ITFI980213A1 - ULTRASONIC POWER SUPPLY SYSTEM FOR EQUIPMENT IMPLANTED IN THE HUMAN BODY OR IN ANOTHER ISOLATED ENVIRONMENT AND RELATED METHOD

Info

Publication number: ITFI980213A1
Authority: IT
Inventors: Marco Fortunato; Andrea Pandolfi; Lorenzo Capineri
Original assignee: Univ Firenze
Priority date: 1998-09-22
Filing date: 1998-09-22
Publication date: 2000-03-22
Also published as: IT1304299B1

Description

Università degli Studi di Firenze University of Florence

Sistema di alimentazione ad ultrasuoni per apparecchi impiantati nel corpo umano o in altro ambiente isolato, e relativo metodo Ultrasonic feeding system for devices implanted in the human body or other isolated environment, and related method

Campo tecnico Technical field

La presente invenzione riguarda un dispositivo per trasferire energia ad apparecchi inseriti in un ambiente isolato, ad esempio all'interno del corpo umano, nonché un metodo di alimentazione di detti apparecchi. The present invention relates to a device for transferring energy to appliances inserted in an isolated environment, for example inside the human body, as well as a method of powering said appliances.

Stato della Tecnica State of the art

In molte situazioni patologiche si rende necessario impiantare all’interno del corpo umano apparecchi per supplire a funzioni biologiche non più espletate o non espletate in modo corretto dall'organismo. Esempio tipico è l'impiego di valvole di ritenzione in sostituzione dello sfintere uretrale in caso di asportazione chirurgica di esso od in caso di incontinenza, sia nell'uomo che nella donna. In many pathological situations it is necessary to implant devices inside the human body to make up for biological functions that are no longer carried out or not carried out correctly by the body. A typical example is the use of retention valves to replace the urethral sphincter in case of surgical removal of it or in case of incontinence, both in men and women.

Esistono attualmente diversi tipi di valvole uret li azionate meccanicamente, idraulicamente o magneti mente dall'esterno del corpo umano. In particolare, v vole ad azionamento magnetico tramite un magnete per nente esterno sono descritte in US-A-5,004,454, U 140,999, US-A-5,030,199. Valvole azionate meccanicam te tramite applicazione di una pressione sulla vescica sono descritte in US-A-4,553,533 e US-A-4,679,546. Valvole con sistemi di apertura a pressione sono descritte in US-A-4,909,785, 4,994,020. There are currently several types of urethral valves which are mechanically, hydraulically or magnetically operated from outside the human body. In particular, valves with magnetic drive by means of an external permanent magnet are described in US-A-5,004,454, U 140,999, US-A-5,030,199. Valves mechanically operated by applying pressure to the bladder are disclosed in US-A-4,553,533 and US-A-4,679,546. Valves with pressure opening systems are described in US-A-4,909,785, 4,994,020.

Tutti questi sistemi presentano notevoli inconvenienti. In particolare, le valvole ad azionamento magnetico devono presentare una conformazione vincolata alle esigenze derivanti dalla necessità di comandare lo spostamento di un otturatore tramite un magnete permanente esterno. La forma che l'otturatore e la sua sede devono assumere per poter essere opportunamente comandati non è ottimale da un punto di vista fisiologico. All these systems have considerable drawbacks. In particular, magnetic actuated valves must have a conformation bound to the requirements deriving from the need to control the movement of a shutter by means of an external permanent magnet. The shape that the shutter and its seat must take in order to be properly controlled is not optimal from a physiological point of view.

Inconvenienti ancora maggiori presentano le valvole, di più vecchia concezione, azionate manualmente tramite applicazione di una pressione. Even greater drawbacks present the valves, of an older conception, operated manually by applying a pressure.

Problemi analoghi di azionamento si possono verificare con altri tipi di apparecchi od endo-protesi. Similar operating problems can occur with other types of appliances or endo-prostheses.

Scopi e sommario dell'invenzione Aims and summary of the invention

Scopo della presente invenzione è la realizzazione di un sistema economico, affidabile ed efficiente per l'azionamento di dispositivi impiantati nel corpo umano, come ad esempio una valvola uretrale od un'altra endoprotesi, o più in generale dispositivi posti in un ambiente isolato dall'esterno. The purpose of the present invention is to provide an economical, reliable and efficient system for operating devices implanted in the human body, such as a urethral valve or another endoprosthesis, or more generally devices placed in an environment isolated from the human body. external.

Sostanzialmente, la presente invenzione prevede un sistema per l'alimentazione elettrica di un dispositivo utilizzatore contenuto in un ambiente isolato, caratterizzato dal fatto di comprendere: un trasduttore trasmittente ultrasonico associato a mezzi di alimentazione, esterno a detto ambiente isolato, per trasformare energia elettrica fornita da detti mezzi di alimentazione, in energia meccanica convogliabile per via acustica sotto forma di onde ultrasoniche; un trasduttore ricevente ultrasonico interno a detto ambiente isolato, atto a trasformare energia meccanica trasmessa sotto forma di onde ultrasoniche in energia elettrica; un accumulatore di energia in cui viene accumulata sotto forma elettrica l'energia acustica captata e trasformata dal trasduttore ricevente; ed un sistema di innesco del dispositivo utilizzatore, detto sistema di innesco ponendo in collegamento l'accumulatore di energia con il dispositivo utilizzatore. Basically, the present invention provides a system for the power supply of a user device contained in an isolated environment, characterized in that it comprises: an ultrasonic transmitting transducer associated with power supply means, external to said isolated environment, to transform the electrical energy supplied from said feeding means, in mechanical energy conveyed acoustically in the form of ultrasonic waves; an ultrasonic receiving transducer inside said isolated environment, suitable for transforming mechanical energy transmitted in the form of ultrasonic waves into electrical energy; an energy accumulator in which the acoustic energy captured and transformed by the receiving transducer is stored in electrical form; and a trigger system for the user device, said trigger system connecting the energy accumulator to the user device.

Il sistema può essere utilizzato ogni qual volta si renda necessario trasferire energia dall'esterno verso un ambiente isolato. Una specifica e particolarmente rilevante applicazione del concetto inventivo generale si ha nel settore biomedicale. In questo caso il dispositivo utilizzatore può essere una endo-protesi ad azionamento elettrico, destinata ad essere impiantata nel corpo umano. In particolare, si può trattare di una protesi comprendente un'elettrovalvola, ad esempio una elettrovalvola miniaturizzata atta a sostituire lo sfintere uretrale. In tal caso si tratterà preferibilmente di una elettrovalvola bistabile. The system can be used whenever it is necessary to transfer energy from the outside to an isolated environment. A specific and particularly relevant application of the general inventive concept occurs in the biomedical sector. In this case the user device can be an electrically operated endo-prosthesis, intended to be implanted in the human body. In particular, it may be a prosthesis comprising an electrovalve, for example a miniaturized solenoid valve adapted to replace the urethral sphincter. In this case it will preferably be a bistable solenoid valve.

Si deve tuttavia intendere che l'applicazione del concetto inventivo è del tutto generale e può essere vantaggiosa ogni qual volta si renda necessario trasferire energia verso un dispositivo contenuto in un ambiente isolato. However, it must be understood that the application of the inventive concept is wholly general and can be advantageous whenever it is necessary to transfer energy to a device contained in an isolated environment.

Secondo una pratica forma di attuazione dell'invenzione, per raggiungere la tensione necessaria al funzionamento del dispositivo l’accumulatore di energia può essere associato ad un trasformatore dei fattori di potenza del segnale di tensione generato dal trasduttore ultrasonico ricevente. A tale scopo, una forma di attuazione particolarmente vantaggiosa, in specie nelle applicazioni biomedicali, prevede l'impiego di un moltiplicatore di tensione comprendente una pluralità di elementi capacitivi, i quali fungono anche da accumulatori di energia. According to a practical embodiment of the invention, to reach the voltage necessary for the operation of the device, the energy accumulator can be associated with a power factor transformer of the voltage signal generated by the receiving ultrasonic transducer. For this purpose, a particularly advantageous embodiment, especially in biomedical applications, provides for the use of a voltage multiplier comprising a plurality of capacitive elements, which also act as energy accumulators.

L'invenzione riguarda anche un metodo per l'alimentazione elettrica di un dispositivo utilizzatore contenuto in un ambiente isolato, caratterizzato dalle fasi di: - convertire energia elettrica in energia meccanica; The invention also relates to a method for powering a user device contained in an isolated environment, characterized by the steps of: - converting electrical energy into mechanical energy;

- trasmettere detta energia meccanica per via acustica all'interno di detto ambiente isolato; - transmitting said mechanical energy via acoustics inside said isolated environment;

- in detto ambiente isolato captare l'energia acustica e convertirla in energia elettrica; - in this isolated environment, capture the acoustic energy and convert it into electrical energy;

- accumulare detta energia elettrica in un accumulatore; - alimentare detto dispositivo utilizzatore con detta energia elettrica. - accumulating said electrical energy in an accumulator; - supplying said user device with said electrical energy.

In pratica questo metodo può essere utilizzato per attuare una endo-protesi ad azionamento elettrico impiantata nel corpo umano, ad esempio una elettro-valvola ed in specie una elettrovalvola sostitutiva dello sfintere uretrale. Come già accennato, l’invenzione non è peraltro limitata a questo utilizzo specifico, benché di particolare rilevanza. In practice, this method can be used to implement an electrically operated endo-prosthesis implanted in the human body, for example an electro-valve and in particular an electrovalve replacing the urethral sphincter. As already mentioned, the invention is not limited to this specific use, although of particular relevance.

Ulteriori vantaggiose forme di attuazione dell'invenzione sono indicate nelle allegate rivendicazioni e verranno descritte in maggiore dettaglio con riferimento ai disegni allegati. Further advantageous embodiments of the invention are indicated in the attached claims and will be described in greater detail with reference to the attached drawings.

Breve descrizione dei disegni Brief description of the drawings

Il trovato verrà meglio compreso seguendo la descrizione e gli uniti disegni, i quali mostrano una pratica esemplificazione non limitativa dell'invenzione. Nei disegni, la The invention will be better understood by following the description and the accompanying drawings, which show a practical non-limiting example of the invention. In the drawings, the

Fig.l mostra schematicamente la modalità di impiego del dispositivo secondo l’invenzione, nel caso di utilizzo per l'azionamento di una valvola uretrale; la Fig. 1 schematically shows the method of use of the device according to the invention, in the case of use for the actuation of a urethral valve; there

Fig.2 mostra schematicamente la zona di applicazione del trasmettitore; la Fig.2 schematically shows the application area of the transmitter; there

Fig.3 mostra uno schema a blocchi del sistema trasmittente e del sistema ricevente? la Fig. 3 shows a block diagram of the transmitting system and the receiving system? there

Fig.4 mostra uno schema del sistema ricevente; e la Fig.5 mostra un diagramma dei livelli di sicurezza nell'impiego di ultrasuoni in apparecchi medicali. Fig.4 shows a diagram of the receiving system; and Fig. 5 shows a diagram of the safety levels in the use of ultrasound in medical devices.

Descrizione dettagliata della forma di attuazione preferita dell'invenzione Detailed description of the preferred embodiment of the invention

Nel seguito l’invenzione verrà descritta nell'impiego come mezzo di azionamento di una protesi impiantata e più specificamente di una protesi che sostituisce lo sfintere uretrale. Si deve tuttavia intendere che gli stessi principi inventivi si possono applicare in situazioni diverse, non solo in campo biomedicale, ma più in generale in qualunque settore tecnico ove sia necessario trasferire ed accumulare energia elettrica in un dispositivo isolato e non raggiungibile tramite conduzione elettrica od accoppiamento elettromagnetico. In the following, the invention will be described in its use as a means of driving an implanted prosthesis and more specifically of a prosthesis that replaces the urethral sphincter. However, it must be understood that the same inventive principles can be applied in different situations, not only in the biomedical field, but more generally in any technical sector where it is necessary to transfer and accumulate electrical energy in an isolated device that cannot be reached by electrical conduction or coupling. electromagnetic.

Nelle Figg. 1 e 2 è genericamente e schematicamente rappresentato l'impiego del dispositivo secondo l'invenzione. Il dispositivo è formato da un sistema trasmittente ad ultrasuoni 1, posto al di fuori del corpo umano (che rappresenta l'ambiente isolato) manovrabile dall'utilizzatore, e da un sistema ricevente 3 impiantato nel corpo umano. Il sistema trasmittente emette un fascio ultrasonico che attraversa la parete addominale P dell'utilizzatore e raggiunge un trasduttore posto nel sistema ricevente 3, che trasforma l'energia acustica in energia elettrica per l'azionamento, nel caso specifico, di una elettrovalvola bistabile miniaturizzata che sostituisce lo sfintere uretrale. In Figs. 1 and 2 the use of the device according to the invention is generically and schematically represented. The device is formed by an ultrasound transmitting system 1, placed outside the human body (which represents the isolated environment) which can be operated by the user, and by a receiving system 3 implanted in the human body. The transmitting system emits an ultrasonic beam that crosses the abdominal wall P of the user and reaches a transducer placed in the receiving system 3, which transforms the acoustic energy into electrical energy for the activation, in the specific case, of a miniature bistable solenoid valve which replaces the urethral sphincter.

Il sistema trasmettitore ha schematicamente la struttura illustrata nello schema a blocchi di Fig.3. Esso comprende: un alimentatore elettrico 7 per il circuito di eccitazione di un trasduttore ad ultrasuoni trasmittente 6; un circuito elettronico di eccitazione 9; un sistema di controllo 11 dell'eccitazione del trasduttore trasmittente 6. The transmitter system has schematically the structure illustrated in the block diagram of Fig.3. It comprises: an electric power supply 7 for the excitation circuit of a transmitting ultrasound transducer 6; an electronic excitation circuit 9; a control system 11 of the excitation of the transmitting transducer 6.

L'alimentazione elettrica può essere derivata da un alimentatore in corrente continua, collegato alla rete di alimentazione, oppure - in una realizzazione portatile -può essere derivata da un sistema di batterie. L'efficienza η del sistema di trasmissione costituito dai due trasduttori ricevente e trasmittente in acqua ad una frequenza di lavoro di circa 700 kHz con una superficie del trasduttore trasmittente di 46 cm2 risulta: The power supply can be derived from a direct current power supply, connected to the mains, or - in a portable embodiment - it can be derived from a battery system. The efficiency η of the transmission system consisting of the two receiving and transmitting transducers in water at a working frequency of about 700 kHz with a surface area of the transmitting transducer of 46 cm2 is:

dove : where is it :

Puscita è la potenza fornita dal circuito di alimentazione Psonda tx è la potenza in uscita dal trasduttore Poutput is the power supplied by the power supply circuit Psonda tx is the transducer output power

Rcarico è l'impedenza del trasduttore Rload is the impedance of the transducer

Quindi per ottenere una potenza efficace in uscita pari a 250 mW è necessario fornire al trasduttore trasmittente una potenza di circa 12,5 W. Tali valori di potenza possono essere ottenuti da un sistema portatile con batteria ricaricabile in bassa tensione (6-12 V) dotato eventualmente anche di un convertitore DC-DC ad alta efficienza. Therefore, to obtain an effective output power equal to 250 mW it is necessary to supply the transmitting transducer with a power of approximately 12.5 W. These power values can be obtained from a portable system with a low voltage rechargeable battery (6-12 V). possibly also equipped with a high efficiency DC-DC converter.

II circuito elettronico di eccitazione serve a fornire potenza elettrica al trasduttore trasmittente. Per ottimizzare il rendimento nel caso di alimentazione a batteria, il circuito può essere realizzato con un oscillatore sinusoidale al quarzo alla frequenza di lavoro del trasduttore trasmittente, seguito da un amplificatore lineare di potenza adattato all'impedenza del trasduttore trasmittente. The electronic excitation circuit serves to supply electrical power to the transmitting transducer. To optimize the efficiency in the case of battery power supply, the circuit can be made with a quartz sinusoidal oscillator at the working frequency of the transmitting transducer, followed by a linear power amplifier adapted to the impedance of the transmitting transducer.

Il sistema di controllo 11 serve a definire la modalità di eccitazione ovvero il tempo in cui il sistema trasmettitore è attivo, i livelli di ampiezza ed eventualmente l'intervallo minimo di tempo tra una carica e la successiva. Questo sistema permette di ottimizzare l'impiego dell'energia disponibile e di lavorare entro i limiti di sicurezza per l'uso terapeutico degli ultrasuoni. The control system 11 serves to define the excitation mode or the time in which the transmitter system is active, the amplitude levels and possibly the minimum time interval between one charge and the next. This system allows to optimize the use of available energy and to work within the safety limits for the therapeutic use of ultrasounds.

Il trasduttore trasmittente 6 ha il compito di convertire la potenza elettrica assorbita in energia meccanica che si propaga nel mezzo di trasmissione (schematicamente indicato con 8) con cui è accoppiato. Nella progettazione del trasduttore si deve tenere conto della frequenza di lavoro che deve essere scelta tra 50 kHz e 1 MHz per ottenere un buon compromesso tra dimensioni, potenza trasferita alla cute e attenuazione degli ultrasuoni da parte dei tessuti umani. The transmitting transducer 6 has the task of converting the absorbed electrical power into mechanical energy which propagates in the transmission medium (schematically indicated with 8) with which it is coupled. When designing the transducer, the working frequency must be taken into account, which must be chosen between 50 kHz and 1 MHz to obtain a good compromise between dimensions, power transferred to the skin and attenuation of ultrasounds by human tissues.

Infatti, i mezzi di propagazione hanno perdite che in generale aumentano con la frequenza di lavoro e con la lunghezza del percorso, mentre la direttività del trasduttore si riduce al diminuire della frequenza. L'intervallo di frequenze più adatto per la propagazione ad una distanza massima di 10 cm attraverso i tessuti, plausibile per l'applicazione biomedicale in discussione, è compreso appunto nel suddetto intervallo tra 50 kHz e 1 MHz. In fact, the propagation means have losses which generally increase with the working frequency and with the length of the path, while the directivity of the transducer decreases as the frequency decreases. The most suitable frequency range for propagation at a maximum distance of 10 cm through the tissues, plausible for the biomedical application under discussion, is included in the aforementioned range between 50 kHz and 1 MHz.

In una pratica forma di attuazione si può utilizzare un trasduttore con diametro di 7,7 cm, non focalizzato, con frequenza di lavoro di 740 kHz e impedenza pari a 47 Ω . In a practical embodiment it is possible to use a transducer with a diameter of 7.7 cm, unfocused, with a working frequency of 740 kHz and an impedance equal to 47 Ω.

In Fig.3 è schematicamente rappresentato anche il sistema ricevente, che comprende: un trasduttore a ultrasuoni ricevente 13; un circuito trasformatore 15 per la trasformazione dei fattori della potenza elettrica (tensione e corrente); un accumulatore di energia 17; un sistema di innesco ed un dispositivo utilizzatore dell’energia, globalmente indicati con 19 in Fig.3. In Fig.3 the receiving system is also schematically represented, which comprises: a receiving ultrasound transducer 13; a transformer circuit 15 for transforming the electric power factors (voltage and current); an energy accumulator 17; a trigger system and an energy user device, globally indicated with 19 in Fig.3.

Il trasduttore ad ultrasuoni ricevente 13 è identico al trasduttore trasmittente 6 eccetto che per le dimensioni che in questo caso sono ridotte per minimizzare i problemi di impiantabilità. In particolare il trasduttore ricevente 13 può avere un diametro di 1,5 cm come buon compromesso tra dimensioni ed efficienza del dispositivo. La superficie attiva del trasduttore ricevente 13 è rivestita di un materiale biocompatibile. The receiving ultrasound transducer 13 is identical to the transmitting transducer 6 except for the dimensions which in this case are reduced to minimize implantation problems. In particular, the receiving transducer 13 can have a diameter of 1.5 cm as a good compromise between dimensions and efficiency of the device. The active surface of the receiving transducer 13 is coated with a biocompatible material.

Il circuito trasformatore 15 deve essere in generale capace di trasformare il segnale in tensione generato dal trasduttore ricevente 13 ad un livello più elevato, compatibile con il funzionamento del dispositivo utilizzatore abbinato al trasduttore ricevente. Per ottenere questo sono possibili diverse soluzioni: convertitori di tipo step-up con integrati dedicati, trasformatori seguiti da raddrizzatori, o moltiplicatori di tensione. The transformer circuit 15 must in general be capable of transforming the voltage signal generated by the receiving transducer 13 to a higher level, compatible with the operation of the user device coupled to the receiving transducer. To achieve this, various solutions are possible: step-up type converters with dedicated integrated, transformers followed by rectifiers, or voltage multipliers.

La forma di attuazione attualmente preferita è quella di un moltiplicatore di tensione per un fattore 4. Questo circuito avendo un numero limitato di componenti risulta ottimale da un punto di vista dall'ingombro, del costo, dell'affidabilità e dell'efficienza. Il moltiplicatore di tensione è schematicamente rappresentato in Fig.4, dove sono ancora schematicamente indicati il trasduttore ricevente 13, che converte l'energia acustica del fascio ultrasonico incidente F in energia elettrica, ed il dispositivo utilizzatore, indicato con 19A. La componentistica è racchiusa in un contenitore ermetico e di materiale biocompatibile, schematicamente indicato con 2. Il moltiplicatore di tensione presenta quattro diodi Schottky indicati con D1, D2, D3 e D4, a bassa caduta di tensione e quattro condensatori elettrolitici a basse perdite in formato miniaturizzato per il montaggio superficiale, in modo da poter realizzare un circuito compatto montato direttamente sul retro del trasduttore ricevente 13. I condensatori sono indicati con C1, C2, C3, C4 e sono del tipo ad elettrolita organico semiconduttivo (tipo OS-CON), che hanno attualmente il migliore rapporto tra valore della capacità e le perdite, nonché dimensioni ridotte e buona affidabilità. The currently preferred embodiment is that of a voltage multiplier by a factor of 4. This circuit, having a limited number of components, is optimal from the point of view of size, cost, reliability and efficiency. The voltage multiplier is schematically represented in Fig. 4, where the receiving transducer 13, which converts the acoustic energy of the incident ultrasonic beam F into electrical energy, and the user device, indicated by 19A, are again schematically indicated. The components are enclosed in a hermetic container made of biocompatible material, schematically indicated with 2. The voltage multiplier has four Schottky diodes indicated with D1, D2, D3 and D4, with low voltage drop and four low-loss electrolytic capacitors in format miniaturized for surface mounting, so as to be able to create a compact circuit mounted directly on the back of the receiving transducer 13. The capacitors are indicated with C1, C2, C3, C4 and are of the semiconductive organic electrolyte type (OS-CON type), which currently have the best ratio of capacitance value to losses, as well as small size and good reliability.

La realizzazione del circuito trasformatore in forma di moltiplicatore di tensione contiene anche l'accumulatore di energia, in quanto i condensatori elettrolitici sono scelti di valore tale (64 μF) da immagazzinare energia sufficiente per alimentare il dispositivo utilizzatore 19A per il tempo necessario. Ad esempio, assumendo una tensione VOUT-DC di 5V come valore massimo di tensione alla quale si carica il condensatore di uscita C3, l'energia E immagazzinata da questo condensatore risulta essere: The realization of the transformer circuit in the form of a voltage multiplier also contains the energy accumulator, since the electrolytic capacitors are chosen of such a value (64 μF) as to store enough energy to power the user device 19A for the necessary time. For example, assuming a VOUT-DC voltage of 5V as the maximum voltage value at which the output capacitor C3 is charged, the energy E stored by this capacitor is:

dove con C3 è stata indicata la capacità del condensatore omologo. Anche i rimanenti condensatori C1, C2 e C4 contribuiscono ad immagazzinare energia che risulta globalmente maggiore di E. where C3 indicates the capacity of the homologous capacitor. The remaining capacitors C1, C2 and C4 also contribute to storing energy which is globally greater than E.

In alternativa al sistema di condensatori, l'accumulatore di energia 17 può essere realizzato con altri dispositivi idonei ad accumulare e mantenere energia elettrica in modo efficiente, come batterie ricaricabili o simili. As an alternative to the capacitor system, the energy accumulator 17 can be made with other devices suitable for efficiently accumulating and maintaining electrical energy, such as rechargeable batteries or the like.

Il sistema di innesco, incorporato nel blocco 19 nello schema di Fig. 3, svolge la funzione di collegare il dispositivo da alimentare (19A in Fig.4) all'accumulatore di energia soltanto quando si è raggiunta la tensione di carica idonea al funzionamento del dispositivo. Fino a quell'istante il carico deve rimanere disconnesso. Per non peggiorare l'efficienza e per minimizzare i tempi di carica, il sistema di innesco deve richiedere una potenza trascurabile. The trigger system, incorporated in block 19 in the diagram of Fig. 3, performs the function of connecting the device to be powered (19A in Fig. 4) to the energy accumulator only when the charging voltage suitable for the operation of the device. Until that moment the load must remain disconnected. In order not to worsen efficiency and to minimize charging times, the ignition system must require negligible power.

Per questo motivo, secondo la forma di realizzazione attualmente preferita, viene adottato un interruttore allo stato solido, costituito da un tiristore indicato con SCR1 nello schema elettrico di Fig.4, il cui gate è collegato all'armatura positiva del condensatore di uscita C3 attraverso una resistenza R. Il tiristore SCR1 ha una bassa caduta di tensione in fase di innesco ed una bassa corrente di innesco sul gate. For this reason, according to the currently preferred embodiment, a solid state switch is adopted, consisting of a thyristor indicated with SCR1 in the electrical diagram of Fig. 4, whose gate is connected to the positive armature of the output capacitor C3 through a resistor R. The thyristor SCR1 has a low voltage drop in the trigger phase and a low trigger current on the gate.

Ipotizzando un assorbimento di corrente di 50 mA a 5 V (corrispondente ad un assorbimento di potenza di 250 mW) si può stimare il tempo per cui rimane attivo il dispositivo: Assuming a current absorption of 50 mA at 5 V (corresponding to a power absorption of 250 mW), it is possible to estimate the time for which the device remains active:

I THE

dove E è l'energia immagazzinata e P la potenza erogata assorbita. where E is the stored energy and P the absorbed power output.

E' stata verificata con buona approssimazione la validità di questa formula che assume una scarica a tensione costante. In effetti la corrente è sostenuta grazie anche alla riserva di energia accumulata dai tre condensatori C1, C2, C4, oltre che da quella accumulata nel condensatore di uscita C3. The validity of this formula which assumes a constant voltage discharge has been verified with good approximation. In fact, the current is sustained also thanks to the energy reserve accumulated by the three capacitors C1, C2, C4, as well as that accumulated in the output capacitor C3.

Il dispositivo utilizzatore 19A può essere di vario tipo, ma preferibilmente con tensione di funzionamento limitata a circa 10 V. Per dispositivi utilizzatori come una elettrovalvola miniaturizzata, l'assorbimento di potenza può essere elevato solo per un tempo limitato. Una volta azionato il dispositivo elettrico è necessaria la ricarica del sistema di accumulo. Il tempo di ricarica dipende dalla distanza tra i due trasduttori (ricevente e trasmittente) oltre che dalla potenza acustica erogata dal trasduttore trasmittente al mezzo di propagazione. I valori tipici del tempo di ricarica riscontrati sono di circa 100 ms. Queste condizioni di funzionamento sono compatibili con l’impiego del sistema per azionare l'apertura e la chiusura di una elettrovalvola bistabile miniaturizzata, costituente ad esempio una protesi sostitutiva dello sfintere uretrale. The user device 19A can be of various types, but preferably with an operating voltage limited to about 10 V. For user devices such as a miniaturized solenoid valve, the power consumption can be high only for a limited time. Once the electric device has been activated, it is necessary to recharge the storage system. The charging time depends on the distance between the two transducers (receiver and transmitter) as well as on the acoustic power delivered by the transmitting transducer to the propagation medium. The typical values of the recharging time found are about 100 ms. These operating conditions are compatible with the use of the system to operate the opening and closing of a miniature bistable solenoid valve, for example a replacement prosthesis for the urethral sphincter.

In Fig.4 il dispositivo utilizzatore è costituito proprio da una tale valvola, di cui sono indicati l'ingresso e l'uscita del fluido. Quando 1'utilizzatore deve aprire la· valvola uretrale per evacuare l'urina accumulata nella vescica, egli porterà il sistema trasmittente esterno 1 a contatto con la cute in prossimità della zona in cui si trova il sistema ricevente interno 3 ed attiverà il sistema trasmittente in modo da iniziare la carica dell'accumulatore 17, cioè dei condensatori C1-C4. Quando ai capi del condensatore di uscita C3 viene raggiunta la tensione di innesco del tiristore SCR1, questo pone l'accumulatore in collegamento elettrico con l'elettrovalvola 19A e ne provoca l'apertura. Il tiristore SCR1 rimarrà innescato fino a che la tensione ai suoi capi e la corrente che lo attraversa non scenderanno al di sotto dei valori di mantenimento. La successiva chiusura viene ottenuta con una nuova operazione di carica dell'accumulatore 17 come sopra descritto, trattandosi di una valvola bistabile. In Fig. 4 the user device is constituted precisely by such a valve, of which the fluid inlet and outlet are indicated. When the user has to open the urethral valve to evacuate the urine accumulated in the bladder, he will bring the external transmitting system 1 into contact with the skin in the vicinity of the area where the internal receiving system 3 is located and will activate the transmitting system in so as to start charging the accumulator 17, that is, the capacitors C1-C4. When the ignition voltage of the thyristor SCR1 is reached at the ends of the output capacitor C3, this places the accumulator in electrical connection with the solenoid valve 19A and causes it to open. The thyristor SCR1 will remain triggered until the voltage across it and the current flowing through it drop below the holding values. The subsequent closure is obtained with a new charging operation of the accumulator 17 as described above, being a bistable valve.

Per l'impiego del dispositivo sopra descritto è necessaria la verifica dei livelli di densità di potenza e di energia alla cute esercitata in corrispondenza del punto di applicazione del trasduttore trasmittente 6. Questa verifica è stata effettuata ponendosi in un caso peggiorativo: si assume che non vi sia sfasamento tra tensione e corrente in ingresso al trasduttore trasmittente e che la massima tensione di alimentazione per il circuito di eccitazione 9 sia pari a 56 V. Con un diametro del trasduttore trasmittente pari a 7,7 cm, la superficie del trasduttore risulta pari a 46 cm<2>. Il tempo di carica per ottenere l'innesco del dispositivo utilizzatore simulato con un relais a 5 V, 50 mA e ad una distanza del trasduttore ricevente pari a quella massima ipotizzabile (7 cm), è stato misurato un tempo di carica di 0,1 s. La potenza elettrica attiva assorbita dal trasduttore trasmittente è For the use of the device described above, it is necessary to check the levels of power density and energy to the skin exerted at the point of application of the transmitting transducer 6. This check was carried out in a worse case: it is assumed that it is not there is a phase shift between the voltage and current input to the transmitting transducer and that the maximum supply voltage for the excitation circuit 9 is equal to 56 V. With a diameter of the transmitting transducer equal to 7.7 cm, the surface of the transducer is equal to 46 cm <2>. The charging time to obtain the triggering of the simulated user device with a relay at 5 V, 50 mA and at a distance from the receiving transducer equal to the maximum conceivable (7 cm), a charging time of 0.1 was measured. s. The active electrical power absorbed by the transmitting transducer is

dove Veff e Ieff indicano la tensione e la corrente efficace rispettivamente, ed il coefficiente di conversione elettromeccanico Icp = 0,14. Quindi la densità di potenza DP e di energia DE risultano pari a: where Veff and Ieff indicate the effective voltage and current respectively, and the electromechanical conversion coefficient Icp = 0.14. Therefore the power density DP and energy DE are equal to:

I valori stimati risultano entro i limiti di sicurezza riportati in letteratura, come si può rilevare dal diagramma di Fig.5. Qui in ascisse è riportato il tempo in secondi ed in ordinate la densità di potenza in Watt/cm<2>. I parametri di funzionamento del dispositivo descritto si trovano nettamente contenuti nella porzione di diagramma corrispondente alla zona di sicurezza. The estimated values are within the safety limits reported in the literature, as can be seen from the diagram in Fig. 5. Here the time in seconds is shown on the abscissa and the power density in Watt / cm <2> on the ordinate. The operating parameters of the described device are clearly contained in the portion of the diagram corresponding to the safety zone.

E' inteso che il disegno non mostra che una esemplificazione data solo quale dimostrazione pratica del trovato, potendo esso trovato variare nelle forme e disposizioni senza peraltro uscire dall'ambito del concetto che informa il trovato stesso. L’eventuale presenza di numeri di riferimento nelle accluse rivendicazioni ha il solo scopo di facilitarne la lettura alla luce del testo e dei disegni, ma non limita in alcun modo l'ambito di tutela delle rivendicazioni stesse. It is understood that the drawing shows only an exemplification given only as a practical demonstration of the invention, since it can be found to vary in forms and arrangements without however departing from the scope of the concept that informs the invention itself. The possible presence of reference numbers in the attached claims has the sole purpose of facilitating their reading in the light of the text and drawings, but does not in any way limit the scope of protection of the claims themselves.

Claims

1. System for the power supply of a user device contained in an isolated environment, characterized in that it comprises: an ultrasonic transmitting transducer (6) associated with power supply means (7, 9), external to said isolated environment; an ultrasonic receiving transducer (13) inside said isolated environment; an energy accumulator (17) in which the acoustic energy collected and transformed by the receiving transducer (13) is stored in electrical form, and a trigger system of the user device (19), said trigger system connecting the accumulator of energy (17) with the user device (19A).

2. System according to claim 1, wherein said user device is an electrically operated endo-prosthesis.

3. System according to claim 2, wherein said user device comprises a solenoid valve.

4. System according to claim 3, wherein said solenoid valve is a miniature urethral bistable solenoid valve for replacing the urethral sphincter.

5. System according to one or more of the preceding claims, in which a transformer (15) of the power factors of the voltage signal generated by said receiving ultrasonic transducer (13) is attached to said energy accumulator.

6. System as per claim 5, in which said transformer (15) and said accumulator (17) consist of a voltage multiplier (C1-C4; D1-D4) with a plurality of capacitive elements (C1C4), one at least of said capacitive elements constituting an accumulator of electric energy.

7. System according to one or more of the preceding claims, wherein said trigger system comprises a solid state switch.

8. System according to claim 7, wherein said solid state switch is constituted by a thyristor (SCR1).

9. Method for the power supply of a user device contained in an isolated environment, characterized by the phases of: - convert electrical energy into mechanical energy; - transmitting said mechanical energy via acoustics inside said isolated environment; - in this isolated environment, capture the acoustic energy and convert it into electrical energy; - accumulating said electrical energy in an accumulator; - supplying said user device with said electrical energy.

10. Method according to claim 9, in which said electrical energy is used to power an endo-prosthesis implanted in a living being.

11. Method according to claim 10, wherein said endo-prosthesis is a solenoid valve.

Method according to claim 11, wherein said solenoid valve is a bistable miniature solenoid valve replacing a urethral sphincter.

13. Method according to one or more of claims 9 to 12, wherein said electrical energy is accumulated in capacitive elements of a voltage multiplier.

14. Method according to one or more of claims 9 to 13, wherein said user device is connected to said accumulator when a sufficient quantity of stored electrical energy is reached in said accumulator.