JP2643327B2 - In-vitro / out-vitro energy transmission device - Google Patents

In-vitro / out-vitro energy transmission device

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JP2643327B2
JP2643327B2 JP63170422A JP17042288A JP2643327B2 JP 2643327 B2 JP2643327 B2 JP 2643327B2 JP 63170422 A JP63170422 A JP 63170422A JP 17042288 A JP17042288 A JP 17042288A JP 2643327 B2 JP2643327 B2 JP 2643327B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は生体内に留置した人工臓器等に生体外から
エネルギを供給する生体内外エネルギ伝送装置に関す
る。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to an in-vitro / ex-vivo energy transmission device that supplies energy to an artificial organ or the like placed in a living body from outside the living body.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

従来、生体内に留置した人工臓器、例えば人工心臓に
組込んだ蓄電器に電力を供給する装置として、体表面に
人工心臓の蓄電器に接続される給電コネクタを設け、こ
の給電コネクタに対して外部電源を接続して充電するよ
うにしたものがある。
Conventionally, as a device for supplying power to an artificial organ placed in a living body, for example, a capacitor incorporated in an artificial heart, a power supply connector connected to a capacitor of the artificial heart is provided on the body surface, and an external power supply is provided for the power supply connector. Some devices are connected and charged.

また、給電コネクタを設けずに高周波電波を利用して
無線内に充電する方式もある(USP3,919,722号)。ここ
では、体内に設けたコイルと、体外に設置するコイルと
を接近させて、電磁誘導によってエネルギを伝送する。
There is also a system in which a high-frequency radio wave is used to charge the battery wirelessly without providing a power supply connector (US Pat. No. 3,919,722). Here, a coil provided inside the body and a coil provided outside the body are brought close to each other, and energy is transmitted by electromagnetic induction.

しかしながら、給電コネクタを利用する方式は、患者
の体表面部に給電コネクタ等の給電部を設置するため
に、固定場所の制約があり、患者に肉体的な負担がかか
るとともに、衛生的な管理を行う上でも大きな負担がか
かる欠点がある。
However, in the method using the power supply connector, since the power supply section such as the power supply connector is installed on the body surface of the patient, there is a limitation on a fixing place, and a physical burden is imposed on the patient, and hygienic management is performed. There is a drawback that a large burden is imposed on the operation.

また、高周波電波を利用して無線的に充電する方式で
は、高周波による人体への影響、例えば感電の危険があ
る等の問題がある。また、これを考慮すると、体内深部
へのエネルギ伝送効率が悪くなる欠点がある。
In addition, the wireless charging method using high-frequency radio waves has a problem that the high-frequency waves may affect a human body, for example, may cause an electric shock. In addition, when this is taken into consideration, there is a disadvantage that the efficiency of energy transmission to deep inside the body is deteriorated.

これらの問題点を解決するために、超音波エネルギを
受ける素子を人工臓器に組込むとともに、体外に超音波
を発振する超音波発振素子を設置し、超音波を利用して
無線的に人体内に留置される人工臓器にエネルギを供給
する人工臓器用エネルギ供給装置を本願出願人は先に出
願した(特願昭62−44227号)。
To solve these problems, an element that receives ultrasonic energy is incorporated into an artificial organ, and an ultrasonic oscillation element that oscillates ultrasonic waves is installed outside the body. The present applicant has previously filed an application for an artificial organ energy supply device for supplying energy to an artificial organ to be placed (Japanese Patent Application No. 62-44227).

〔発明が解決しようとする課題〕[Problems to be solved by the invention]

このような超音波を利用した経皮的なエネルギの無線
伝送においては、体外から放射される超音波の発振周波
数が体内に設置された超音波素子の共振周波数に一致し
ている必要がある。一致していない場合は、体内の超音
波素子が受けた振動を電気に変換する効率が低下するた
めに、体外から体内に十分なエネルギを送ることが困難
になる。また、体外と体内に設置した超音波素子の共振
周波数は周囲の温度、生体の誘電率、経時変化等によ
り、変化するし、個々の振動子によっても異なるため、
一定の周波数に予め固定しても、伝送効率の低下を招
く。
In such wireless transmission of transcutaneous energy using ultrasonic waves, the oscillation frequency of the ultrasonic waves radiated from outside the body needs to match the resonance frequency of the ultrasonic element installed inside the body. If they do not match, the efficiency of converting the vibration received by the ultrasonic element in the body into electricity decreases, and it becomes difficult to transmit sufficient energy from outside the body to the body. In addition, the resonance frequency of the ultrasonic elements installed outside and inside the body changes depending on the surrounding temperature, the dielectric constant of the living body, changes over time, etc., and also varies depending on individual transducers.
Even if the frequency is fixed in advance, the transmission efficiency is reduced.

この発明は上述した事情に対処すべくなされたもの
で、生体内外に設けられた超音波振動子間で超音波を送
受信することにより、生体内外でエネルギを伝送する装
置において、常に効率良くエネルギを伝送することをそ
の目的とする。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and in an apparatus for transmitting energy inside and outside a living body by transmitting and receiving ultrasonic waves between ultrasonic vibrators provided inside and outside the living body, energy is always efficiently transmitted. Its purpose is to transmit.

〔課題を解決するための手段〕[Means for solving the problem]

この発明による生体内外エネルギ伝送装置は体外、ま
たは体腔内に設けられ、超音波を送信する第1の超音波
振動子と、体内に設けられ、送信された超音波を電気信
号に変換する第2の超音波振動子と、この変換された電
気信号の周波数が第2の超音波振動子の共振周波数に一
致するように第1の超音波振動子の送信周波数を制御す
る手段を具備する。
An in-vitro / out-vivo energy transmission device according to the present invention is provided outside a body or in a body cavity, and a first ultrasonic vibrator for transmitting ultrasonic waves, and a second ultrasonic transducer provided inside a body for converting transmitted ultrasonic waves into an electric signal. And a means for controlling the transmission frequency of the first ultrasonic vibrator so that the frequency of the converted electric signal matches the resonance frequency of the second ultrasonic vibrator.

〔作用〕[Action]

この発明の生体内外エネルギ伝送装置は、変換後の電
気信号に基づいて送信された超音波の周波数を検出し、
それに応じて送信側の超音波振動子の発振周波数を制御
しているので、受信側の超音波振動子の共振周波数に等
しい周波数の超音波を送信でき、効率良くエネルギを伝
送できる。
The in-vitro / ex-vivo energy transmission device of the present invention detects the frequency of the transmitted ultrasonic wave based on the converted electric signal,
Since the oscillation frequency of the transmitting-side ultrasonic vibrator is controlled accordingly, ultrasonic waves having a frequency equal to the resonance frequency of the receiving-side ultrasonic vibrator can be transmitted, and energy can be transmitted efficiently.

〔実施例〕〔Example〕

以下図面を参照してこの発明による生体内外エネルギ
伝送装置の実施例を説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, an embodiment of an in-vitro / out-vivo energy transmission device according to the present invention will be described with reference to the drawings.

第1図は第1実施例のブロック図である。生体外部ユ
ニット10は超音波振動子12、駆動回路14、超音波振動子
16、分周器(÷n)18からなる。生体内部ユニット20は
超音波振動子22、交流−直流(AC−DC)コンバータ24、
人工臓器等の負荷26、周波数制御回路28、電圧制御発振
器(VCO)30、駆動回路32、超音波振動子34からなる。
生体外部ユニット10は水等の超音波伝達媒体を介して生
体の外部表面に接触される。あるいは、生体外部ユニッ
ト10は内視鏡の鉗子チャネルを介して体腔内に設けても
よい。
FIG. 1 is a block diagram of the first embodiment. The living body external unit 10 includes an ultrasonic oscillator 12, a drive circuit 14, an ultrasonic oscillator.
16 and a frequency divider (÷ n) 18. The living body internal unit 20 includes an ultrasonic transducer 22, an AC-DC (AC-DC) converter 24,
It comprises a load 26 such as an artificial organ, a frequency control circuit 28, a voltage controlled oscillator (VCO) 30, a drive circuit 32, and an ultrasonic transducer 34.
The living body external unit 10 is brought into contact with the external surface of the living body via an ultrasonic transmission medium such as water. Alternatively, the extracorporeal unit 10 may be provided in a body cavity via a forceps channel of an endoscope.

周波数制御回路28の一例を第2図に示す。AC−DCコン
バータ24から出力され負荷26に印加される直流電圧vが
アナログスイッチ42の入力端に供給されるとともに、イ
ンバータ42を介してアナログスイッチ44の入力端に供給
される。アナログスイッチ42,44の出力端がVCO6の入力
端に接続される。一方、直流電圧vは比較器46の+側入
力端にも供給される。比較器46の−側入力端には直流電
圧vがC,Rの遅延回路47を介して供給される。比較器46
の出力がアナログスイッチ40のゲートに供給されるとと
もに、インバータ48を介してアナログスイッチ44のゲー
トに供給される。
An example of the frequency control circuit 28 is shown in FIG. The DC voltage v output from the AC-DC converter 24 and applied to the load 26 is supplied to the input terminal of the analog switch 42 and is also supplied to the input terminal of the analog switch 44 via the inverter 42. The output terminals of the analog switches 42 and 44 are connected to the input terminal of VCO6. On the other hand, the DC voltage v is also supplied to the + input terminal of the comparator 46. The DC voltage v is supplied to the negative input terminal of the comparator 46 via a C and R delay circuit 47. Comparator 46
Is supplied to the gate of the analog switch 40 and also to the gate of the analog switch 44 via the inverter 48.

次に、第1実施例の動作を説明する。超音波振動子12
は駆動回路14から電力が印加されると、超音波振動子22
に向かって超音波を送信する。超音波の送信周波数をfp
(例えば、500K Hz)とする。
Next, the operation of the first embodiment will be described. Ultrasonic transducer 12
When power is applied from the drive circuit 14, the ultrasonic vibrator 22
Transmit ultrasonic waves toward. Fp ultrasonic transmission frequency
(For example, 500 KHz).

送信された超音波は超音波振動子22で受信され、電気
信号に変換され、超音波振動子22の端子間に高周波電力
が発生される。高周波電力はAC−DCコンバータ24で直流
電力に変換され、負荷26で消費される。負荷26に印加さ
れる直流電圧をvとする。
The transmitted ultrasonic waves are received by the ultrasonic transducer 22 and converted into electric signals, and high-frequency power is generated between terminals of the ultrasonic transducer 22. The high-frequency power is converted into DC power by the AC-DC converter 24 and consumed by the load 26. The DC voltage applied to the load 26 is represented by v.

これにより、駆動回路14の出力電力が超音波に変換さ
れて生体内部ユニット20まで伝送され、再度電力に変換
され、負荷26で消費される。
Thereby, the output power of the drive circuit 14 is converted into an ultrasonic wave, transmitted to the living body internal unit 20, converted into power again, and consumed by the load 26.

このような超音波によるエネルギ伝送は人工臓器等に
対する経皮的な電力伝送に適している。その理由は超音
波振動子12と22の距離が多少離れていても、生体の音響
的特性が水に近いため、エネルギの損失が少ないという
ことである。ただし、この方式にも欠点がある。それ
は、超音波振動子12の発振周波数fpを適切な値に設定し
ないと、伝送効率が落ちてしまうことである。
Such energy transmission by ultrasonic waves is suitable for transcutaneous power transmission to artificial organs and the like. The reason for this is that even if the distance between the ultrasonic transducers 12 and 22 is somewhat large, the acoustic characteristic of the living body is close to that of water, so that energy loss is small. However, this approach also has disadvantages. That is, unless the oscillation frequency fp of the ultrasonic vibrator 12 is set to an appropriate value, the transmission efficiency decreases.

第3図に超音波振動子12の送信周波数fpに対する負荷
26への印加電圧vの特性を示す。印加電圧vの最大値を
示す送信周波数fpの最適値fqは超音波振動子22の共振周
波数に等しい。このため、送信周波数fpを共振周波数fq
と一致させるための周波数制御回路28が生体内部ユニッ
ト20内に設けられている。
FIG. 3 shows the load on the transmission frequency fp of the ultrasonic transducer 12.
The characteristics of the voltage v applied to 26 are shown. The optimum value fq of the transmission frequency fp indicating the maximum value of the applied voltage v is equal to the resonance frequency of the ultrasonic transducer 22. For this reason, the transmission frequency fp is changed to the resonance frequency fq
A frequency control circuit 28 for matching is provided in the living body internal unit 20.

以下、周波数制御回路28の動作を説明する。 Hereinafter, the operation of the frequency control circuit 28 will be described.

負荷26への印加電圧vが周波数制御回路28を介して電
圧v′としてVCO30に入力される。周波数制御回路28に
おいて、比較器46の+側入力端は電圧vにリアルタイム
で応答するが、その−側入力端は遅延回路47による多少
の遅延時間後に電圧vに応答する。そのため、比較器46
は電圧vが減少した場合は“0"レベル、増加した場合は
“1"レベルの出力を発生する。これにより、電圧vが減
少した場合はアナログスイッチ40がオンされ、電圧vが
VCO30に印加される。一方、電圧vが増加した場合はア
ナログスイッチ44がオンされ、電圧vの反転電圧がVCO3
0に印加される。
The voltage v applied to the load 26 is input to the VCO 30 as a voltage v 'via a frequency control circuit 28. In the frequency control circuit 28, the positive input of the comparator 46 responds to the voltage v in real time, while the negative input responds to the voltage v after some delay by the delay circuit 47. Therefore, the comparator 46
Generates a "0" level output when the voltage v decreases, and a "1" level output when the voltage v increases. Thus, when the voltage v decreases, the analog switch 40 is turned on, and the voltage v
Applied to VCO30. On the other hand, when the voltage v increases, the analog switch 44 is turned on, and the inverted voltage of the voltage v becomes VCO3
Applied to 0.

VCO30の入力電圧v′に対する発振出力の周波数frの
特性を第4図に示す。このため、送信周波数fpが増加し
共振周波数fqを越えた場合は、負荷電圧vが減少するの
で、VCO30の入力電圧v′が増加し、その発振周波数fr
が減少される。逆に、送信周波数fpが減少し共振周波数
fq以下になった場合は、負荷電圧vが増加するので、VC
O30の入力電圧v′は減少し、その発振周波数frが増加
される。
FIG. 4 shows the characteristic of the frequency fr of the oscillation output with respect to the input voltage v 'of the VCO 30. Therefore, when the transmission frequency fp increases and exceeds the resonance frequency fq, the load voltage v decreases, so that the input voltage v ′ of the VCO 30 increases, and the oscillation frequency fr
Is reduced. Conversely, the transmission frequency fp decreases and the resonance frequency
If fq or less, since the load voltage v increases, VC
The input voltage v 'of O30 decreases and its oscillation frequency fr increases.

VCO30の出力は駆動回路32で増幅されて、超音波振動
子34を発振させる。このため、超音波振動子34は周波数
frで発振する。ここで、fp=fqの場合、fr=5M Hzとな
るように、VCO30の特性が設定されている。超音波振動
子34からの超音波は超音波伝達媒質を介して超音波振動
子16に送信される。
The output of the VCO 30 is amplified by the drive circuit 32 and causes the ultrasonic transducer 34 to oscillate. For this reason, the ultrasonic vibrator 34
Oscillates at fr. Here, when fp = fq, the characteristics of the VCO 30 are set so that fr = 5 MHz. The ultrasonic waves from the ultrasonic oscillator 34 are transmitted to the ultrasonic oscillator 16 via the ultrasonic transmission medium.

この超音波は超音波振動子16で受信され、その端子間
に周波数frの高周波電圧が発生される。この高周波電圧
は分周器18で1/n(ここでは1/10)に分周されて駆動回
路14に入力され、超音波振動子12を発振させる。
This ultrasonic wave is received by the ultrasonic transducer 16, and a high-frequency voltage having a frequency fr is generated between its terminals. This high-frequency voltage is frequency-divided by a frequency divider 18 into 1 / n (here, 1/10) and input to the drive circuit 14 to cause the ultrasonic transducer 12 to oscillate.

このように、第1実施例によれば、超音波振動子12か
ら駆動回路14までが1つの負帰還回路となっており、超
音波振動子12の送信周波数frが超音波振動子22の共振周
波数fqからずれた場合は、自動的に送信周波数を制御
し、伝送効率の最適な値、すなわち受信側の超音波振動
子の共振周波数fqに一致させることができる。
As described above, according to the first embodiment, the components from the ultrasonic transducer 12 to the drive circuit 14 constitute one negative feedback circuit, and the transmission frequency fr of the ultrasonic transducer 12 is reduced by the resonance of the ultrasonic transducer 22. When the frequency fq deviates, the transmission frequency is automatically controlled to match the optimum value of the transmission efficiency, that is, the resonance frequency fq of the ultrasonic transducer on the receiving side.

第5図に第2実施例のブロック図を示す。これは、第
1実施例の超音波振動子12,16;22,34をそれぞれ1個の
超音波振動子50,54で構成したものである。ここでは、
駆動回路32と超音波振動子54の間にはダイオード56が接
続される。
FIG. 5 shows a block diagram of the second embodiment. This is one in which the ultrasonic transducers 12, 16; 22, 34 of the first embodiment are each composed of one ultrasonic transducer 50, 54. here,
A diode 56 is connected between the drive circuit 32 and the ultrasonic transducer 54.

基本的な動作は第1実施例と同様である。VCO30の発
振周波数frは超音波振動子12の送信周波数fpに重畳され
ているが、fr>fp、またはfr<fpと設定しておけば、fr
の検出は容易である。
The basic operation is the same as in the first embodiment. The oscillation frequency fr of the VCO 30 is superimposed on the transmission frequency fp of the ultrasonic transducer 12, but if fr> fp or fr <fp is set, fr
Is easy to detect.

第6図は第3実施例のブロック図である。生体外部ユ
ニット10は超音波振動子50、駆動回路14、波形メモリ6
0、セレクタ62からなる。生体内部ユニット20は超音波
振動子54、スイッチ64、整流回路66、負荷26、2次電池
68からなる。
FIG. 6 is a block diagram of the third embodiment. The living body external unit 10 includes an ultrasonic transducer 50, a drive circuit 14, and a waveform memory 6.
0, consisting of a selector 62. The living body internal unit 20 includes an ultrasonic transducer 54, a switch 64, a rectifier circuit 66, a load 26, and a secondary battery.
Consists of 68.

スイッチ64を瞬間的にオン・オフすることにより、振
動子54にインパルス電圧を印加する。超音波振動子54に
インパルスを加えると、共振周波数に等しい超音波が振
動子54から発生する。その波形を超音波振動子50で受信
し、波形メモリ60に記憶して同じ波形を連続して駆動回
路14に送込む。以上の動作により、超音波振動子50は超
音波振動子54の共振周波数に等しい周波数の超音波を送
信する。
By instantly turning on / off the switch 64, an impulse voltage is applied to the vibrator 54. When an impulse is applied to the ultrasonic transducer 54, an ultrasonic wave equal to the resonance frequency is generated from the transducer 54. The waveform is received by the ultrasonic transducer 50, stored in the waveform memory 60, and the same waveform is continuously sent to the drive circuit 14. By the above operation, the ultrasonic transducer 50 transmits an ultrasonic wave having a frequency equal to the resonance frequency of the ultrasonic transducer 54.

スイッチ6により必要に応じて定期的にインパルスを
発生させ、波形メモリ1のデータをリフレッシュするこ
とにより、常に効率よくエネルギを伝送することができ
る。
By generating an impulse periodically as needed by the switch 6 and refreshing the data in the waveform memory 1, energy can always be efficiently transmitted.

なお、この発明は上述した実施例に限定されずに、種
々変更可能である。
The present invention is not limited to the above-described embodiment, but can be variously modified.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上説明したように、この発明の体内外エネルギ伝送
装置によれば、変換後の電気信号に基づいて送信された
超音波の周波数を検出し、それに応じて送信側の超音波
振動子の発振周波数を制御しているので、受信側の超音
波振動子の共振周波数に等しい周波数の超音波を送信で
き、効率良くエネルギを伝送できる。
As described above, according to the internal / external energy transmission device of the present invention, the frequency of the transmitted ultrasonic wave is detected based on the converted electric signal, and the oscillation frequency of the ultrasonic transducer on the transmission side is detected accordingly. Is controlled, ultrasonic waves having a frequency equal to the resonance frequency of the ultrasonic transducer on the receiving side can be transmitted, and energy can be transmitted efficiently.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図はこの発明による生体内外エネルギ伝送装置の第
1実施例のブロック図、第2図は第1実施例の周波数制
御回路の回路図、第3図は送信周波数と負荷電圧との関
係を示す図、第4図はVCOの特性を示す図、第5図はこ
の発明の第2実施例のブロック図、第6図はこの発明の
第3実施例のブロック図、第7図は第3実施例の動作を
示す信号波形図である。 12,16,22,34……超音波振動子、14、32……駆動回路、1
8……分周器、24……AC−DCコンバータ、26……負荷、2
8……周波数制御回路、30……VCO。
FIG. 1 is a block diagram of a first embodiment of an in vivo / external energy transmission apparatus according to the present invention, FIG. 2 is a circuit diagram of a frequency control circuit of the first embodiment, and FIG. 3 shows a relationship between a transmission frequency and a load voltage. FIG. 4, FIG. 4 is a diagram showing characteristics of the VCO, FIG. 5 is a block diagram of a second embodiment of the present invention, FIG. 6 is a block diagram of a third embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 4 is a signal waveform diagram illustrating an operation of the example. 12,16,22,34 …… Ultrasonic vibrator, 14, 32 …… Drive circuit, 1
8: Divider, 24: AC-DC converter, 26: Load, 2
8 ... frequency control circuit, 30 ... VCO.

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】体外、あるいは体腔内に設けられ、超音波
を送信する送信手段と、体内に設けられ、前記超音波を
電気信号に変換する受信手段と、前記受信手段で発生さ
れた電気信号に応じて前記送信周波数を前記受信手段の
共振周波数に一致させる手段を具備する生体内外エネル
ギ伝送装置。
A transmitting means provided outside the body or in a body cavity for transmitting ultrasonic waves; a receiving means provided inside the body for converting the ultrasonic waves into an electric signal; and an electric signal generated by the receiving means. And a means for matching the transmission frequency to the resonance frequency of the receiving means in accordance with the following.
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