JPH0246841A - エネルギ伝送装置 - Google Patents

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、あるいは体腔内に留置した超音波振
動子と、体外に設置した超音波振動子との間で、超音波
を用いてエネルギ、あるいは信号を伝送するエネルギ伝
送装置に関する。

〔従来の技術〕

生体内に留置した人工臓器、例えば人工心臓に組込んだ
蓄電器に超音波を利用して電力を給電する方式は、すで
に本願出願人が特願昭６２−４４２２７号で開示してい
る。これは、人工臓器に組込まれた超音波振動子に向け
て超音波を送信する超音波振動子を体外に設置し、人体
内に留置された人工臓器に超音波を利用して無線的にエ
ネルギを供給するものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

ここで、生体外に設置される超音波振動子と、生体内に
留置される超音波振動子の特性によっては、超音波を発
振させるために大電力を加えなければならず、また、受
けた超音波を電力に変換する際に電力発生量が少ないの
で、効率良くエネルギを伝送できないとともに、安全性
の点で問題があった。

従って、この発明の目的は、２つの超音波振動子の間で
効率良＜、シかも安全にエネルギ、あるいは信号を伝送
できるエネルギ伝送装置を提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

この発明のエネルギ伝送装置では、生体外に設置される
超音波振動子のｄ定数を生体内、あるいは体腔内に留置
される超音波振動子のｄ定数より大きいか、あるいは等
しくする一方、生体内、あるいは体腔内に留置される超
音波振動子のｇ定数を生体外に設置される超音波振動子
のｇ定数より大きいか、あるいは等しくしている。

〔作用〕

この発明によれば、生体外に設置される超音波振動子は
小電力の印加で発振でき、生体内、あるいは体腔内に留
置される超音波振動子は大電力を発生できる。

〔実施例〕

以下、図面を参照してこの発明によるエネルギ伝送装置
の実施例を説明する。

第１実施例を応用した人工臓器用エネルギ伝送装置の全
体構成を第１図に示す。患者の人体１内には、人工臓器
としての人工心臓２が埋設されている。人工心臓２には
供給されたエネルギの蓄電、送信された人工心臓２の制
御信号の処理や、体内の情報信号の発振を行う駆動電源
回路部３が付設されている。駆動電源回路部３は蓄電器
４、整流回路５、超音波を送受信する圧電素子（超音波
振動子）６からなり、圧電素子６で受信した超音波を電
気エネルギに変換し、これを整流回路５により整流して
蓄電器４に充電するようになっている。

駆動電源回路部３には信号の送受信回路も組込まれてい
る。駆動電源回路部３の詳細を第２図に示す。圧電素子
６には第１の切換えスイッチ８の接点Ａを介して、ロー
パスフィルタ（ＬＰＦ）９とバイパスフィルタ（ＨＰＦ
）１０が並列に接続される。ＬＰＦ９の出力は上述した
整流回路５、蓄電器４に接続される。ＨＰＦ　１０の出
力は信号検出部１１に接続される。また、圧電素子６に
は第１の切換えスイッチ８の接点Ｂを介して送信パルス
発生器１２が接続される。

第１図に戻って、人体１の外部には体内に留置した人工
心臓２へのエネルギの供給、＃Ｊ御信号の送信、及び体
内からの情報信号の受信を行う人工臓器用エネルギ供給
装置１３が設置される。人工心臓２に組込まれ超音波エ
ネルギを受ける圧電素子６に向けて超音波を発振する超
音波発振素子１４が設けられ、超音波発振素子１４は球
面状のプローブホルダ１５に設けられた複数の圧電素子
１６から構成される。これらの圧電素子１６から発振さ
れた超音波を前方の一点に集束させるようになっている
。

超音波発振素子１４の前面側はパウチ１７により覆われ
、パウチ１７内には液状の超音波伝達媒体１８が充填さ
れ、パウチ１７の部分は生体と同じ音響インピーダンス
を有する。パウチ１７を人体の表面に密着させて設置す
る。

人工臓器用エネルギ供給装置１３の詳細は第２図に示さ
れる。圧電素子１６には第２の切換えスイッチ１９の接
点Ａを介して第１の増幅器２２の出力端が接続される。

増幅器２２には混合器２３を介して駆動信号発生器２４
と、送信信号発生器２５の出力が供給される。圧電素子
１６には第２の切換えスイッチ１つの接点Ｂを介して第
２の増幅器２６の入力端が接続され、第２の増幅器２６
の出力は受信信号処理回路２７に供給される。

第１実施例は人体内に設置される駆動電源回路部３の圧
電素子６と人体外に設置されるエネルギ供給部１３の圧
電素子１６の特性に特徴を有する。

すなわち、圧電素子１６は圧電素子６に比べてｄ定数を
大きいか、あるいは等しくしである。一方、圧電素子６
は圧電素子１６に比べてｇ定数が大きいか、等しくしで
ある。

ここで、ｄ定数、ｇ定数は次のように定義される。

ｄ−８／Ｅ　　　　　　　　　　　　　・・・　（１）
ｇ−Ｅ／Ｔ　　　　　　　　　　　　・・・　（２）Ｅ
は圧電素子に加えられる電界の強さ、Ｓは生じる圧電素
子の歪み、Ｔは加える応力を示す。

ｄ定数からは印加電圧に対する変位量が計算できる。超
音波は圧電素子の変位によって発生するため、圧電素子
の変位量が大きいほど、超音波は発生しやすくなる。（
７たがって、ｄ定数からは印加電圧に対する超音波発生
量が計算でき、ｄ定数が大きいほど、超音波を発生させ
るための印加電圧は小さくなる。ｄ定数の値は５８Ｘ　
１０〜″（ｍ　／　Ｖ　）以上が望ましい。

また、ｇ定数は加えた力に対する出力電圧が計算できる
。ｇ定数の値は１１Ｘ１０″３（■・ｍ　／　Ｎ　）以
上が望ましい。

体内に設置される圧電素子６は生体と同じ音響インピー
ダンスを有し、かつ生体不活性材料である高分子弾性材
料、例えばシリコンゴムで覆われて駆動電源回路部３に
固定されている。なお、駆動電源回路部３は人体内に設
置される場合に限定されずに、内視鏡等により体腔内ｌ
；設けてもよい。

第１実施例の動作を説明する。

先ず、人体外に設置されるエネルギ供給装置１３から人
体内に設置される駆動電源回路部３へ駆動電力を供給す
る場合について説明する。

エネルギ供給装置１３の圧電素子１６の向きを駆動電源
回路部３の圧電素子６の表面に向け、切換えスイッチ８
，１９ともに接点Ａ側に切換える。

駆動信号発生器２４は比較的低周波数の駆動信号を発生
する。駆動信号は混合器２３を介して第１の増幅器２２
に供給され、そこで増幅される。増幅器２２の出力が切
換えスイッチ１９の接点Ａを介して圧電素子１６に印加
され、圧電素子１６を発振駆動させる。

圧電素子１６から発振された超音波はパウチ１７、人体
１を介して駆動電源回路部３の圧電素子６に到達し、素
子６を駆動する。切換えスイッチ８も接点Ａ側に切換え
られているので、圧電素子６で生じた電気信号は切換え
スイッチ８の接点Ａを介してＬＰＦ９、ＨＰＦＩＯに印
加される。

ここで、駆動信号は低周波数であるから、ＬＰＦ９を通
り、整流回路５に印加され、整流される。

整流回路５の出力が蓄電器４を充電する。これにより、
人体外に設置されるエネルギ供給装置１３から人体内に
設置される駆動電源回路部３へ超音波により駆動電力が
供給される。

駆動電力ではなく、エネルギ供給装置１３から駆動電源
回路部３へ人工臓器等の制御信号を送る場合は、駆動信
号発生器２４ではなく送信信号発生器２５を作動させて
、高周波数の送信信号を発生させる。この送信信号も駆
動信号と同様に混合器２３、増幅器２２、切換えスイッ
チ１９の接点Ａを介して圧電素子１６に印加され、圧電
素子を発振駆動させる。

圧電素子１６で発振された超音波はパウチ１７、人体１
を介して人体内の圧電素子６に到達し、圧電素子６を駆
動する。圧電素子６で生じた電気信号は切換えスイッチ
８の接点Ａを介してＬＰＦ９、ＨＰＦＩＯに供給される
。駆動信号は低周波数であったが、送信信号は高周波数
であるので、ＨＰＦＩＯを介して信号検出部１１に送ら
れ、検出され、人工心臓の制御に使われる。

なお、ＩＩ御倍信号駆動信号と同時に重畳して伝送して
もよい。このときは、ＬＰＦ９、ＨＰＦｌｏによりそれ
ぞれ駆動信号と制御信号が選別される。

次に、人工臓器等の情報を知るため、駆動電源回路部３
からエネルギ供給装置１３に人工臓器等からの情報信号
を伝送する場合を説明する。

このときは、切換えスイッチ８，１９を接点Ｂ側に切換
える。駆動電源回路部３の送信パルス発生器１２を作動
して、切換えスイッチ８を介して圧電素子６に送信パル
スを印加し、超音波を発振させる。超音波はエネルギ供
給装置１３の圧電素子１６により受信され、切換えスイ
ッチ８を介して増幅器２６に供給され、増幅される。増
幅器２６の出力が受信信号処理回路２７により処理され
、人工臓器等の情報を知ることができる。これにより、
人工臓器等から情報を得ながら、人工臓器等を制御する
ことができる。

以上説明したように第１実施例によれば、人体内に設置
される人工臓器等を駆動させるのに必要なエネルギ、ま
たは制御信号を人体外に設置されるエネルギ供給装置１
３から人体内、あるいは体腔内に設けられる駆動電源回
路部３に伝送する場合、エネルギ供給装置１３内の圧電
素子１６はｄ定数が大きいので、超音波を発振するため
に加える電圧を小さくできる。また、駆動電源回路部３
内の圧電素子６はｇ定数が大きいので、発生する電力を
大きくできる。

このため、効率良いエネルギ伝送ができる。また、超音
波を発振させるために圧電素子１６に加える電圧を小さ
くできるので、感電等の危険もなくなり、安全である。

以下、他の実施例を説明する。第１実施例と同一部分は
同一参照数字を付して、詳細な説明は省略する。

第２実施例は第１実施例と同一構成であるが、圧電素子
１６は圧電素子６に比べて機械的尖鋭度Ｑが大きいか、
あるいは等しくされている。機械的尖鋭度Ｑとは圧電素
子の機械的共振の尖鋭度をあられすパラメータであり、
これが大きいほど、共振が鋭いことを示す。このため、
機械的尖鋭度Ｑが大きい圧電素子を共振周波数で駆動し
た場合、超音波を発生しやすい。Ｑの値は１０以上が望
ましい。

このような第２実施例によっても、エネルギ供給装置１
３内の圧電素子１６は小さな印加電圧でも振動し超音波
を発振するので、効率良く、かつ安全なエネルギ伝送が
できる。

第３図は第３実施例のブロック図である。

第３実施例はエネルギ、信号の伝送に複数の圧電素子を
用いている。人体外に設置される圧電素子４２ａは人体
内に設置されるＣＰＵ４４を駆動するエネルギを伝送す
るための素子で、圧電素子４２ｂは人体内に設置される
人工心臓７を駆動するエネルギを伝送するための素子で
ある。

人体内、あるいは体腔内に設置される圧電素子４３ａ、
４３ｂはそれぞれ圧電素子４２ａ。

４２ｂより発振された超音波を受信する。圧電素子４３
ａの出力は整流器５ａを介して蓄電器４ａに接続される
。蓄電器４ａはＣＰ−Ｕ　４４に接続される。圧電素子
４３ｂの出力は整流器５ｂを介して蓄電器４ｂに接続さ
れる。蓄電器４ｂは人工心臓７に接続される。ＣＰＵ４
４は人工心臓７に接続され、人工心臓を制御する。

第３実施例の動作を説明する。圧電素子４２ａから発振
された超音波は圧電素子４３ａで受信され、圧電素子４
３ａを駆動する。圧電素子４３ａで生じた電気信号は整
流器５ａで整流され、蓄電器４ａに充電される。充電さ
れたエネルギはＣＰＵ４４を駆動する。一方、圧電素子
４２ｂから発振された超音波は圧電素子４３ｂで受信さ
れ、圧電素子４３ｂを駆動する。圧電素子４３ｂで生じ
た電気信号は整流器５ｂで整流され、蓄電器４ｂを充電
する。充電されたエネルギは人工心臓７を駆動する。

このように第３実施例によれば、１つの圧電素子でエネ
ルギの受信を行う場合に比べて各圧電素子の寿命が長く
なる 第４図は第４実施例のブロック図である。

駆動電源回路部３ａは圧電素子４１として積層構造のＰ
ＶＤＦ膜４１　ａ　、　４　ｌ　ｂ　、　４１　ｃ　、
−を用いる。ＰＶＤＦ圧電素子４１は整流器５に接続さ
れる。整流器５は蓄電器４に接続される。エネルギ供給
装置１３ａは圧電素子４０、増幅器２２、駆動信号発生
器３３からなり、駆動信号発生器３３の出力は増幅器２
２を介して圧電素子４０に供給される。

圧電素子４０より発振された超音波は最も表面側のＰＶ
ＤＦ膜４１ａを振動させる。この振動は積層されたＰＶ
ＤＦ膜４１ｂ、４１ｃ、・・・を順に駆動する。各ＰＶ
ＤＦ膜４１ａ、４１ｂ、４１ｃ。

・・・は振動を電気信号に変換し、電気信号が整流回路
５を介して蓄電器４に充電される。

第４実施例によれば、圧電素子としてＰＶＤＦ膜４１膜
用１たので、発生する電気信号を大きくでき、第１実施
例を同様の効果が得られる。

なお、第５図のように圧電素子４１はＰＶＤＦ膜を巻き
つけた構造にしても、外側のＰＶＤＦ膜の振動が順次内
側のＰＶＤＦ膜に伝達し、振動させるので同様の効果が
達成できる。

第６図に第５実施例のブロック図を示す。

第５実施例はエネルギ供給装置１３ｂの圧電素子３０と
駆動電源回路部３ｂの圧電素子３１との位置決めについ
ての実施例である。

圧電素子３０には磁石３６ａが設けられ、同様に圧電素
子３１にも磁石３６ｂが設けられている。

駆動信号発生器３３の出力が増幅器２２を介して圧電素
子３０に供給される。圧電素子３１の出力は整流器５を
介して蓄電器４に供給される。

圧電素子３０．３１は磁石３６ａ、３６ｂの引合う力に
より、振動面が対向するように位置決めされる。これに
より、効率良くエネルギを伝送できる。

第７図は第６実施例のブロック図である。

この実施例では、エネルギ供給装置１３ｃの圧電素子３
０の振動面の振動面積と、駆動電源回路部３ｃの圧電素
子３１の振動面の振動面積とは同一ではない。圧電素子
３０の振動面の面積は圧電素子３１の振動面の面積より
大きくなっている。

そのため、エネルギ供給装置１３ｃから駆動電源回路部
３Ｃにエネルギを供給する場合、圧電素子３０と圧電素
子３１との位置が多少ずれても、圧電素子３１において
超音波を受信する振動面積は変化しない。このため、効
率良い伝送が可能である。

この発明は人工臓器用のエネルギ伝送装置に限らず、人
体の外部と内部でエネルギ、信号の伝送゛を行う全ての
装置に適応可能である。

〔発明の効果〕

この発明によれば、２つの超音波振動子の間で効率良く
、しかも安全にエネルギ、あるいは信号を伝送するエネ
ルギ伝送装置が提供される。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明によるエネルギ伝送装置の第１実施例
全体のブロック図、第２図は第１実施例の要部の詳細な
ブロック図、第３図はこの発明の第３実施例のブロック
図、第４図はこの発明の第４実施例のブロック図、第５
図は第４実施例の変形例を示す図、第６図はこの発明の
第５実施例のブロック図、第７図はこの発明の第６実施
例のブロック図である。 ２・・・人工心臓、３・・・駆動電源回路部、４・・・
蓄電器、５・・・整流回路、６・・・圧電素子、８・・
・切換えスイッチ、１３・・・エネルギ供給装置、１６
・・・圧電素子、１９・・・切換えスイッチ、２４・・
・駆動信号発生器。 ３ｆｆ％Ｈ！ｏ井諮 第４図 第５図 第１図 ７６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　生体内、あるいは体腔内に配置される第１の超音波素
   子と、生体外に配置される第２の超音波素子との間でエ
   ネルギ、あるいは信号を伝送するエネルギ伝送装置にお
   いて、前記第２の超音波素子のｄ定数は前記第１の超音
   波素子のｄ定数より大きいか、あるいは等しく、前記第
   １の超音波素子のｇ定数は前記第２の超音波素子のｇ定
   数より大きいか、あるいは等しいことを特徴とするエネ
   ルギ伝送装置。