JPH0219147A

JPH0219147A - 生体内外エネルギ伝送装置

Info

Publication number: JPH0219147A
Application number: JP63170422A
Authority: JP
Inventors: Shoichi Gotanda; 正一五反田
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1988-07-08
Filing date: 1988-07-08
Publication date: 1990-01-23
Anticipated expiration: 2012-08-20
Also published as: JP2643327B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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。

〔従来の技術〕

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。

また、給電コネクタを設けずに高周波電波を利用して無
線的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。

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。

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。

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）。

（発明が解決しようとする課題〕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。

この発明は上述した事情に対処すべ（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。

〔課題を解決するための手段〕

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。

〔作用〕

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。

〔実施例〕

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。

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１１１１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。

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４
２．４４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の一例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。

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、５００ＫＨｚ）と
する。

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２
４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。

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。

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の距離が多少層れていても、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。

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２
２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。

以下、周波数制御回路２８の動作を説明する。

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−個入力端
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ルベルの出力を発生
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４
４がオンされ、電圧Ｖの反転電圧がＶＣＯ３０に印加さ
れる。

ＶＣＯ３０の入力電圧Ｖ′に対する発振出力の周波数ｆ
ｒ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、ＶＣＯ３０の入力端子Ｖ゛は減少し、
その発振周波数ｆ「が増加される。

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−５Ｍ１１ｚ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。

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１／１
０）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。

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
。

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ＰＲ′ｔＩ波
振動子５４の間にはダイオード５６が接続される。

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ｆ「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ｆ
ｒ＜ｆｐと設定しておけば、ｆｒの検出は容易である。

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６０、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６
４、整流回路６６、負荷２６．２次電池６８からなる。

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５
４の共振周波数に等しい周波数の超音波を送信する。

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
。

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。

〔発明の効果〕

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。

【図面の簡単な説明】

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■ＣＯ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、１４．３
２・・・駆動回路、１８・・・分周器、２４・・・ＡＣ
−ＤＣコンバータ、２６・・・負荷、２８・・・周波数
制御回路、３０・・・ＶＣＯｏ

Claims

【特許請求の範囲】

　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
。