KR101483545B1 - 의료 시스템 및 압전 키트 - Google Patents
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Abstract
심장 내부 또는 외부에 완전히 이식가능한, 심장 운동의 자연적인 전력을 수확하는 시스템. 상기 시스템의 이식/제거 수단과 방법이 개시된다. 이식된 심장 자극 장치를 위해, 상기 시스템은 압전 발전기, 전력 저장 및 예비 용량을 위한 저장 "위성" 수용부/하우징/캐리어부로서 구성된다. 상기 압전 발전기는 다이오드 브릿지, 제어기, 커패시터 및 다수의 탄성 압전 세라믹봉-"리플릿들"을 포함하는 내장형 회로들을 구비한다. 높은 에너지 변환 효율과 심장 운동에 대한 고감도를 얻기 위해, 상기 리플릿들은 처음에는 3차원 심장 기하구조에 따라 비대칭으로 당겨져 있다. 상기 압전 발전기의 혁신적인 구조는 캔틸레버 휨 진동에 따른 압전 변환기에 적용된다.
Description
본 발명은 전기로 동작하는 이식형 의료 기기 분야에 관한 것으로, 보다 상세하게는 압전 에너지 변환기를 사용하여 자연적인 심근 운동력을 이용하기 위한 시스템에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 압전 키트 및 포유류 심장 내부에 이식 혹은 포유류 심장 내부로부터 제거하는 의료 절차 및 방법에 관한 것이다. 또한 본 발명은 압전 에너지 변환기에 관한 것이다.
심장 박동기 및 그 외 이식형 기기에 전원을 공급하기 위하여, 심장 운동에 반응하여 전력을 수확하는(harvesting) 압전 에너지원을 인간의 심장에 이식하기 위한 많은 공지의 시도가 있었다.
이미 1969년 미국 특허 제 3,456,134에는 이식 기기들을 구동하기 위해 신체 운동을 전기 에너지로 변환하는 압전 변환기로서 완전 내장 압전 캔틸레버 보(cantilever beam)가 개시되어 있다. 그러나, 상기 특허에는 캔틸레버를 수용하는 수용부(container)를 설치하는 방법은 기술되어 있지 않다. 이러한 시스템의 단점은 심장 박동기(pacemaker)가 심근 운동이 아닌 자체적으로 유도한 운동으로만 작동하므로, 수용부에 수용된 압전 소자로 수집한 에너지로는 이런 심장 박동기를 구동하기에 비효율적이다. 또한 심장 박동기를 심장 내부에 이식하는데 따르는 요구조건을 충족시키기 어렵다.
1972년 미국 특허 제 3,659,615는 전력 발생을 위해 이용되는 근육 운동에 반응하여 휘어지는 캡슐화된 압전 바이모르프(piezoelectric bimorph)를 흉강 또는 심장 좌심실에 인접한 위치에 이식할 것을 제안하였다. 상기 특허는 주로 심외막(epicardial) 기기들과 합성 물질 또는 천연 물질을 이용한 이들 기기의 외장을 다룬다. 이런 접근 방식의 주요 단점은 외과적 처치에 따른 외과적 영향이 크다는데 있다. 또한, 심외막 리드(lead)의 수명은 매우 짧기 때문에 추가적인 외과적 처치를 필요로 한다.
미국 특허 제 4,690,143은 박동 리드(pacing lead)의 동작 전원을 생성하기 위해 상기 박동 리드에 탑재된 독립형 전원를 개시하고 있다. 상기 특허의 기술적 특징은 정맥을 통해 사람의 심장에 삽입되는 카테터(catheter)를 구비하는 박동 리드에 발전 장치를 탑재한 것이다. 심근 수축기에 상기 리드가 휘어지는 동안 전력을 수집한다. 상기 시스템의 주요 단점은 심장 박동기는 근육 운동이 아니라 상기 리드의 유도된 운동에만 반응하기 때문에, 상기 리드에 내장된 압전 소자로는 심장 박동기 전체를 작동시키기에 충분한 전력을 생성할 수 없다는 점이다. 더욱이, 심장에 대한 심장내 이식 물체의 상대적인 운동은 혈전 생성의 잠재적 원인이 된다.
그 외 심장 박동기에 압전 전력을 발생하는 기술로는 압전 변환기를 리드 기반 센서(lead-based sensor)에 연결하는 방법 (미국 특허 제7,203,551참조), 자기장 또는 음파를 생성하는 외부 장치로부터 심장 박동기의 배터리를 충전하는 압전 변환기를 구비한 에너지 전송 시스템(미국 특허 제5,749,909참조)을 들 수 있다. 또한, 미국 특허 제5,431,694에는 상호 면이 연속성을 유지하도록 골격 수(skeletal number)에 압전 폴리불화비닐리덴 (PVDF: Polyvinylidene Fluoride) 가요성 시트를 붙인 형태의 생체 동작(bio-operated) 압전 발전기를 심장 박동기에 연결할 것을 제안하고 있다. 생성된 교류는 직류로 정류되어, 필요시 배터리에 공급된다. 분명 이러한 구조로 인해 인체내의 인공물과 외과적 처치가 복잡해진다.
압전 기술의 발전으로 인해 보다 효율적인 압전 발전기의 제조가 가능해졌다 (예를 들어, 미국 특허 제 5,835,996, 미국 특허 제 6,665,035B2, 미국 특허 제 2005/0052097A1, 미국 특허 제 2005/0082949A1 참조). 압전 변환기의 발전상에 대한 보다 상세한 정보를 위해서는 이를 테면 미국 특허 제 6,707,235와 본 명세서의 인용 문헌을 참고할 수 있다.
본 분야의 최근 기술 상황은 하기 특허에 나타나있다.
○ WO 2010/070650 A1은 표준 바이모르프 압전 휨 에너지 발전기 방식에 따른 저주파 압전 발전기를 개시한다. 그러나, 상기 발전기는 인체 내에 삽입된 기기를 위해 충분한 전력을 생산하지 못한다. 또한, 밀폐 상자에 함께 내장된 캔틸레버 및 기계 에너지 수확 장치는 상기 미국 특허 제 3,456,134 및 제 4,690,143의 단점을 그대로 가지고 있다.
○ US 2010/0076517A1는 코어 컨덕터(core conductor) 주변에 배열된 일 군의 압전 섬유(fiber)에 대한 기술을 개시한다. 상기 특허는 상기 압전 섬유군이 변형될 경우, 그 중 적어도 하나의 섬유는 심장 박동기나 다른 선택된 기기에 에너지를 생성할 수 있을 정도로 충분히 변형될 것이라고 기술한다. 이런 착상은 미국 특허 제4,690,143를 뒷받침하는 착상과 다르지 않다. 결국 20mW를 얻기는 불가능할 뿐더러, 그와 같은 구성으로는 50-100μW 이상도 수확할 수 없다.
○ WO 2007/1068284 A1은 심장 내부 및 외부에서 에너지를 수확할 수 있는 응용예들을 전반적으로 기술하였다. 압전 부분은 아직 미성숙 발전 단계인데다 2003년 Roundy의 저술을 인용하고 있다. 상기 저술에는 120Hz 주파수에서 캔틸레버 1입방cm으로부터 200μW 전력이 발생한다고 하지만 이는 1Hz 주파수에서 최대 0.3 입방cm 으로부터 요구되는 20mW 전력에는 한참 못 미친다. 결국 상기 기술도 WO 2010/070650 A1와 동일한 단점을 가진다.
현재의 배터리로는 심장 박동기에 5년 내지 7년 동안 전력 공급이 가능하다. 따라서, 심장 외부에 배터리를 이식하고 정맥을 통해 박동 리드를 심장 내에 삽입하는 심장 박동기를 구비하는 이중 구조가 분명 불편하기는 하지만 실제적으로 심장 내부에 추가적인 에너지 원을 구비할 필요는 없다.
환자에게 명백한 문제를 야기하는 복잡한 이중 혹은 삼중 인체 이식 구조의 제거 필요성에 대한 폭넓은 공감에 따라, 본 발명은 수술 절차를 최소화하고 심장 박동기에 평생 에너지를 공급하는 에너지원을 환자에게 제공한다.
따라서, 본 발명의 실시예는 첨부한 특허 청구 범위에 따른 시스템 및 방법을 제공함으로써 상기에서 명시한 기술의 하나 혹은 그 이상의 결함, 단점 또는 문제들을 개별적으로 또는 함께 완화, 경감, 또는 제거할 것이다.
본 발명은 심장 박동기 및 체내 삽입형 자동 제세동기(AICD)를 위한, 압전 발전기를 갖춘 "위성" 캐리어(carrier) 또는 하우징을 구비하는 새로운 구조를 도입한다. 이러한 압전 발전기는 배터리, 전선 또는 박동 리드를 필요로 하지 않으면서 환자의 일생 동안 상기 기기들에 충분한 전력을 생성하며 심장에 대한 기계적 운동을 제거한다.
감지 및 박동을 동시에 할 수 있는 압전 리프(piezeo-electric leaves)의 특성으로 인해 심장내 다채널 심전도 및 3차원 내부 심장 운동을 기록할 수 있다. 상기 데이터를 신체 외부로 전송하여 분석 가능케 하는 능력으로 심장 과학의 새로운 분야를 열 수 있다.
따라서 본 발명의 실시예들은 압전 발전기를 사용하여 심장 운동으로 생기는 자연적인 전력의 수확과 관련된다. 그 결과 얻어진 에너지는 하나 이상의 인체 이식 기기, 예를 들어, 심장 박동기, 제세동기, 심장 자극기 및 센서에 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예들을 뒷받침하고 있는 기본 착상은 심장과 발전기 간의 상대적 움직임은 피하고 설치시 외과적 처치는 최소화하면서, 심장 운동의 기계적인 에너지를 효과적으로 수확함에 있다.
종래 해결 방법과는 달리, 배터리 크기 때문에 심장 외부에 설치하여 전선 시스템을 통해 심장 내부의 박동 리드를 연결한 심장 박동기의 위치에는 다수의 구조물을 두지 않는다. 왜냐하면, 이는 분명 환자에게 불편과 장애를 초래하기 때문이다.
이러한 본 발명의 개시에 의해, 심장 박동기 구조 및 심장 박동기의 설치/제거에 관한 전반적인 분야에 대해 새로운 방식이 소개된다. 현재의 방식에 따르면, 심장 박동기 또는 그 외 전기로 구동되는 이식형 심장 기기는 "위성(satellite)" 수용부(container) 또는 캐리어부 (이하 "위성"이라 명명함)에 탑재된다. 상기 위성은 압전 발전기와 전력 저장 시스템을 포함한다. 쇄골하 정맥, 경정맥 또는 요측피 정맥을 통한 운반 및 회수를 위해, 운반 및 회수 구조 전체는 카테터 쉬스(sheath) 안에 있는 유도선(guidewire)상에 탑재된다. 상기 "위성"은 정맥을 타고 심장의 원하는 위치로 혹은 상기 위치로부터 운반된다.
예를 들어, 우심방 및 우심실에서 상기 시스템의 일반적인 설치 위치는 우심방귀 및 우심실 첨부이다. 또는, 좌심실 첨부, 우심방, 관상 정맥동 또는 그외 다른 위치에 시스템을 설치할 수 있다.
또 다른 방식은 본 발명의 실시예에 따른 압전 "리플릿들leaflets)"을 미국 공개 특허 출원 제 2007/0197859 A1에 개시된 바와 같은 심장 하네스(cardiac harness) 시스템에 구비하는 것이다. 상기 미국 공개 특허 출원 제 2007/0197859 A1은 압전 소자들을 심장 외부에 배치하여 심장 운동으로부터 이득을 얻는 보충 기술로 사용할 수 있다. '859 공개공보에 따른 심장 하네스 시스템이란 환자의 심장에 착용한 기기를 이르며, 피부를 통해 상기 기기에 압력을 가할 수 있다. 본 명세서에는 상기 미국 공개 특허 출원 제 US 2007/ 0197859 A1을 범용으로 인용 참증한다.
위성의 말단 부분, 예를 들어, 위성의 전면에 설치한 나사와 같은 고정부를 사용하여 상기 "위성"을 심장 내벽에 최종적으로 고정한다. 상기 고정부는 고정 기능을 제공하기 위하여 다양한 형상으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 줄 나사, 하나 이상의 나선형 구성요소를 가진 코르크스크루(corkscrew) 나선형 모양, 미늘이나 후크를 가진 고정부 등이 고정부의 형태로 적합하다. 상기 나사를 감싸고 있는 섬유 조직은 결국 심장 벽에 융합되어, "리플릿들"과 "위성"을 연결하는 형상 기억 합금(SMA) 봉들(rods)에 의해 해제상태의 탄성 압전봉들-"리플릿들"이 자신의 위치에서 심실 벽을 가압하게 됨에 따라 상기 고정부는 전체 구조를 안정적으로 고정시키게 된다.
따라서, 자연적인 심장 운동으로부터 전력을 수확하기 위해 심장 내부 또는 외부에 전체가 이식되는 시스템을 개시한다. 상기 시스템을 설치하고 회수하는 수단 및 방법을 제공한다. 상기 시스템은 이식된 심장 자극 장치용 압전 발전기, 전력 저장, 그리고 예비 용량을 위한 저장 "위성" 수용부/하우징으로서 구성된다. 상기 압전 발전기는 다이오드 브릿지, 제어기, 커패시터 및 다수의 탄성 압전 세라믹봉-"리플릿들"을 포함하는 내장형 회로들을 구비한다. 높은 에너지 변환 효율과 심장 운동에 대한 고감도를 얻기 위해, 상기 리플릿들은 처음에는 3차원 심장 기하구조에 따라 비대칭으로 당겨져 있다.
상기 압전 발전기의 혁신적인 구조는 캔틸레버 휨 진동에 따른 압전 변환기에 적용된다. 몇몇 실시예서는 상기 압전 발전기 구성 기술을 입력 전압을 강하할 수 있는, 캔틸레버 휨 진동에 따른 저주파 압전 변환기에 적용한다.
본 발명의 다양한 실시예에 따라, 자연적인 심장 운동력을 수확하여 심장 박동기, 제세동기 및/또는 그 외 다른 심장 자극 장치와 같은 이식 기기에 상기 수확된 전력을 축적하여 공급하기 위한 시스템을 실시한다. 이러한 이식 기기들로서 Medtronic Kappa ⓡ900, Vitatronⓡ C-Series, 및 the EnPulseTM 심장 박동기를 예로 들 수 있다. 또한 본 발명은 상기 시스템 설치 및 회수를 위해 "리플릿들"을 편광하는 방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따라, 심장 근육 운동으로부터 전력을 수확하는 의료 시스템을 제공한다. 상기 시스템은 심장에 이식 가능하며, 특히 전체적으로 이식가능 하다. 상기 시스템은 동작상 서로 연결되고 캐리어부, 즉 "위성"에 배열된, 압전 발전기, 전력 저장부, 제어부 및 전기로 동작하는 의료기기를 포함한다. 상기 압전 발전기는 상기 심장 근육 운동으로부터 전력을 발생하고 상기 심장 근육의 3차원 운동과 관련된 센서 신호를 제공하기 위해, 상기 심장 근육과 동격이 되기 위한 여기서는 "리플릿들"로 명명된 복수개의 긴 탄성 압전 봉 유닛들을 구비한다. 부가적으로, 상기 동격화를 지원하기 위해 상기 심장 근육쪽으로 초기 장력을 제공하는 탄성 연결부들이 상기 긴 봉 유닛들과 상기 캐리어부 사이에 배열한다.
본 발명의 다른 측면에 따라, 복수개의 긴 탄성 압전 봉 유닛들을 제조하는 방법은 상기 긴 탄성 압전 봉 유닛들을 편광시키는 단계를 포함한다. 상기 방법은 절연판 평면에 속하는 전극을 제외한 전극들을 상기 절연판 평면 상측 그룹과 상기 절연판 평면 하측 그룹인 두 개의 그룹으로 나누는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따라, 기계적 휨 모멘트하에서 전력을 생성하기 위한 다수 모노모르프들을 구비하는 적어도 하나의 다중 레이어 벤더 타입 압전 소자를 포함하는 압전 키트에 있어서, 상기 모노모르프들 각각은 전극들에 의해 인접 모노모르프들과 구분되고 두개의 인접 모노모르프들의 편광 벡터는 서로 반대 선형(anti-linear)이 되고 절연판에 의해 구분된 두개의 중심 층들의 편광 벡터는 공선형(collinear)이 되도록 편광된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따라, 심장에 캐리어부를 설치하기 위한 의료 절차에 있어서, 상기 캐리어부는 압전 발전기, 전력 저장부, 제어부 및 전기로 동작하는 의료 기기를 포함하며, 상기 의료절차는
(a)상기 캐리어부를 걸림부에 해제 가능하도록 부착하기 위해, 심장 중재 시술의 표준 쉬스(sheath)의 유도선 같은 운송부 말단에 배열된 집게발 같은 상기 걸림부를 근위 단부에 부착한 쉬스 내에 상기 캐리어부를 설치하는 단계,
(b)유도선을 조작하여 혈관을 통해 상기 쉬스내의 상기 캐리어부를 적절할 심장 영역으로 운반하는 단계,
(c)초음파나 투시진단 장비로 식별가능한 걸림부 기준 표식과 운반부 기본 표식에 따라 유도선을 조작하여 상기 캐리어부를 심장내에서 방향 조정하는 단계,
(d)상기 캐리어부의 말단에 설치된 나사와 같은 조직 고정 장치와 유도선을 조작하여 상기 캐리어부를 심장 근육에 고정하는 단계, 이를테면 나사고정하는 단계,
(e)상기 캐리어부를 상기 운반부의 걸림부로부터 해제하는 단계, 및
(f)상기 쉬스를 심장과 인체에서 제거하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따라, 심장에서 캐리어부를 제거하기 위한 의료 절차에 있어서, 상기 캐리어부는 압전 발전기, 전력 저장부, 제어부 및 전기로 동작하는 의료 기기를 포함하며, 상기 의료절차는
(a)유도선 같은 운송부 말단에 설치된 걸림부를 가진 쉬스를 혈관을 통해 상기 캐리어부가 이식된 심장 영역에 삽입하는 단계,
(b)초음파나 투시진단 장비로 식별가능한 기준 표식들을 중첩하여 상기 캐리어부의 말단 걸림부에 대해 상기 걸림부를 방향 조정하는 단계,
(d)유도선을 조작하여 심장 근육에서 상기 캐리어부의 나사를 푸는 단계,
(e)탄성 연결부들을 사용하여 상기 캐리어부에 부착된 긴 탄성 압전 봉 유닛들과 함께 상기 캐리어부를 쉬스에 재삽입하는 단계, 및
(f)최종적으로 카테트를 상기 캐리어부와 함께 심장과 인체에서 제거하는 단계를 포함한다.
본 발명의 몇몇 실시예는 리드로 연결된 다수의 구성요소를 피한 단일 이식가능 시스템을 제공한다.
또한 본 발명의 몇몇 실시예에 따라, 심근 운동으로부터 효율적으로 운동 에너지를 생산한다.
본 발명의 실시예들은 하나 이상의 하기 기술한 장점을 가진다.
1. 심장에 대한 상대적인 움직임뿐만 아니라 어떠한 기계장치(스위스 시계, "라이모르프 해머")도 사용하지 않는다. 따라서, 카테터 기반 기술에 비해, 이러한 방식은 외상이나 해를 감소시킨다.
2. 상기 시스템에는 배터리가 없다. 종래 기술은 배터리에서 생산한 전력을 기반으로 하여 매년 변화가 초래되어 결국에는 외과적 처치를 필요로 한다.
3. 상기 시스템은 전선을 사용하지 않는다. 종래 기술은 심장 외부에 설치된 배터리에서 전력을 심장 내부의 센서로 공급하기 위해 전선을 사용한다. 따라서 특히 청소년 환자들은 그들의 자연 성장에 따라 복잡한 외과적 처치를 반복하게 된다.
4. 상기 시스템에는 박동 리드가 없다. "위성" 자체의 전측에 박동 리드를 대체하는 나사가 있다. 또한 "리플릿들"은 감지 과정에 따라 심실중격 및 다른 영역을 박동시키기 위한 추가 전극들을 포함할 수 있다.
5. 상기 시스템은 환자의 평생 장치 역할을 한다. 일단 설치되면 배터리 교체나 전선 신장을 위해 추가적으로 외과 처치를 할 필요가 없다.
6. 응급시, 상기 시스템을 설치할 때 사용한 것과 동일 종류의 쉬스를 통해 상기 시스템을 안전하게 제거할 수 있다.
7. 상기 시스템은 압전 발전기를 이용하여 혈류 에너지뿐만 아니라 거의 모든 허용 3D 심장 동력을 축적할 수 있다. 상기 발전기에서 발생하는 여분의 에너지는 심장 박동기뿐만 아니라 이식된 제세동기를 위해 사용될 수 있다.
8. 박동기 "리플릿들" 및 독창적인 구조의 모놀리식 다중 레이어 벤더 타입 압전 소자들을 구비한 3D 압전 모듈에 사용된 고-용량 압전 세라믹 탄성 물질 덕분에, 상기 시스템은 높은 수준의 전력 생산을 할 수 있다. "리플릿들"은 종래 기술에 비해 3배 내지 5배 생산성이 더 높고, 압전 특성의 손실없이 인간 수명에 버금가는 수명을 가진다.
9. 상기 독창적인 "리플릿들"의 구조를 이용하여, 입력 전압을 강하할 수 있는 고유의 저주파 압전 변환기를 구성할 수 있다.
상기 설명한 장점은 의료, 산업(전기, 보안, 우주, 관광, 통신 산업), 정부, 그리고 군사 분야의 여러 응용에서 유용하다. 예를 들면, 보안 산업에서 본 발명의 기술은 원격 보안 센서 및 전원 공급 장치, 얇은 패스 마이크(pass microphones) 및 역학에 적용될 수 있다. 우주 산업에서 본 발명의 기술은 원격 에너지 수확 장치를 에너지 저장 및 진동 방지 시스템과 결합하여 적용할 수 있다. 본 발명의 기술을 캔틸레버 휨 진동에 따른 압전 변환기에 적용한 예를 설명하지만 이는 본 발명을 한정하지 않는다.
도 1은 심장 운동으로부터 자연적인 전력을 수확하는 시스템을 도시하는 개략적인 전면도이다.
도 2는 심장 운동으로부터 자연적인 전력을 수확하는 상기 시스템을 도시하는 개략적인 측면도이다.
도 3은 심장 운동으로부터 자연적인 전력을 수확하는 상기 시스템의 운반을 도시하는 개략도이다.
도 4는 걸림부(capturing unit) 및 유도선(guidewire)의 걸림발(capturing claw)을 도시한다.
도 5는 개략적인 전원회로를 도시한다.
도 6은 모놀리식(monolithic) 다중 레이어 벤더 타입의 압전 소자들을 구비하는 "리플릿"의 내부 구조를 도시한다.
도 7은 상기 전원회로 및 상기 "리플릿"의 내부 구조의 편광 방향을 도시한다.
도 8은 하부 압전 변환기를 구성하는 한 쌍의 모놀리식 다중 레이어 벤더 타입의 압전 소자를 도시한다.
도 9는 심장 외부에 심장 박동기를 설치하고 발전기는 심장 박동기와 케이블42을 통해 연결된 박동 리드와 함께 고유의 복합체를 구성하는, 본 발명에 따른 시스템의 다른 개략적인 구성을 도시한다.
도 10은 심장 내부의 심장 박동기의 "리플릿" 운동을 모델링한 실험을 도시한 개략도이다.
도 11은 심장 내부에 이식한 "위성" 및 "리플릿"을 도시한 개략도이다.
도 12a 및 도 12b는 의료 절차를 도시한 흐름도이다.
도 2는 심장 운동으로부터 자연적인 전력을 수확하는 상기 시스템을 도시하는 개략적인 측면도이다.
도 3은 심장 운동으로부터 자연적인 전력을 수확하는 상기 시스템의 운반을 도시하는 개략도이다.
도 4는 걸림부(capturing unit) 및 유도선(guidewire)의 걸림발(capturing claw)을 도시한다.
도 5는 개략적인 전원회로를 도시한다.
도 6은 모놀리식(monolithic) 다중 레이어 벤더 타입의 압전 소자들을 구비하는 "리플릿"의 내부 구조를 도시한다.
도 7은 상기 전원회로 및 상기 "리플릿"의 내부 구조의 편광 방향을 도시한다.
도 8은 하부 압전 변환기를 구성하는 한 쌍의 모놀리식 다중 레이어 벤더 타입의 압전 소자를 도시한다.
도 9는 심장 외부에 심장 박동기를 설치하고 발전기는 심장 박동기와 케이블42을 통해 연결된 박동 리드와 함께 고유의 복합체를 구성하는, 본 발명에 따른 시스템의 다른 개략적인 구성을 도시한다.
도 10은 심장 내부의 심장 박동기의 "리플릿" 운동을 모델링한 실험을 도시한 개략도이다.
도 11은 심장 내부에 이식한 "위성" 및 "리플릿"을 도시한 개략도이다.
도 12a 및 도 12b는 의료 절차를 도시한 흐름도이다.
본 발명의 구체적인 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명할 것이다. 그러나 본 발명은 수많은 다른 형태로 실시할 수 있으면 여기에 개시된 실시예에 한정되지 않는다. 이들 실시예는 본 개시를 충분하고 완전하게 하여 당분야의 숙련된 자들에게 본 발명의 범위를 충분히 이해시키고자 제공된다. 첨부 도면에 도시한 실시예의 상세 설명에서 사용된 용어는 본 발명을 한정하지 않는다. 도면에서 동일한 번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
본 발명은 심장 박동기를 단지 예로서 기술할 뿐이다. 그러나 본 발명은 심장 박동기에 한정되지 않으며 제세동기(AICD) 및 그외 다른 이식형 심장기기, 이를테면 심장 재동기화 치료(CRT) 장치에도 쉽게 적용될 수 있음을 유의해야 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 시스템은
a)압전 발전기, 전력 저장부 및 이식기기를 수용하는 저장 "위성" 수용부를 구비하고,
b)상기 압전 발전기는
c)그룹별로 병렬로 부착된 다수의 (압전 세라믹 또는 기타) 모노모르프들로 구성된 모놀리식 다중 레이어 벤더 타입 압전 소자들을 이용한 다수의 탄성(압전 세라믹 또는 기타) 압전봉들-"리플릿들"을 포함하고,
d)상기 "리플릿들"은 SMA봉들에 의해 상기 "위성"에 부착되어 심장 운동으로부터 전력을 발생하고 전반적인 3D 심장 운동의 센서 역할을 한다.
e)상기 SMA봉들은 상기 "위성"의 가장자리에 탑재되고, 형상 기억 속성으로 인해 휨 가능(마르텐자이트, martensite) 상태에서는 카데터 내부에 삽입되어 심장으로 운반되며(운반 위치), 상기 카데터에서 해제되어 경성 탄성(오스테나이트, austenite) 상태가 되면 상기 "리플릿들"을 심장 내부 표면에 가압한다.
f)상기 SMA봉들은 처음에는 "위성"이 설치되어야 하는 심장 내부 영역의 내부 기하구조를 재현하도록 구성된다.
g)상기 압전 발전기는 내장형 회로들을 구비하며, 상기 내장형 회로들은
h)다이오드 브릿지,
i)비교기와 전압 조정기를 가지는 제어기 마이크로칩, 및
j)전력 저장 커패시터를 포함한다.
k)상기 "위성"은 심장 근육에 부착될 수 있도록 "위성"의 전측/전면/말단측/말단면에 고정구조를 포함한다.
l)상기 "위성"은 심장내 이식, 심장으로부터 회수를 위해 "위성"의 후측에 걸림부를 포함한다.
m)상기 걸림부는 표준 쉬스(sheath)에 내장된 유도선에 부착된 외부 걸림발의 상보적인 구성요소이다.
n)상기 나사와 상기 걸림발은 초음파 장비나 투시진단 장비로 식별할 수 있는 표식을 포함한다.
o)상기 나사만 제외한 상기 "위성"과 "리플릿들"은 수준별 의료 실리콘 고무와 적층된다.
발명의 바람직한 일실시예에 따라 상기 "위성"을 설치하기 위한 방법100은
(a)표준 쉬스에 "위성"을 배치하는 단계 110,
(b)"위성"의 후측 걸림부를 유도선의 걸림발에 부착하는 단계120,
(c)유도선을 조작하여 쉬스내에서 "위성"을 혈관을 통해 우심방귀로 이식하는 단계130,
(d)초음파 장비나 투시 진단 장비로 식별가능한 걸림부 표식 및 걸림발 표식에 따라 유도선을 조작하여 "위성"을 심장내에 방향 배치(orientation)하는 단계140,
(e)전측 나사와 유도선을 조작하여 심장 근육에 "위성"을 나사고정하는 단계150,
(f)유도선 걸림발로부터 "위성"을 해제하는 단계160, 및
(g)심장과 인체에서 "위성"과 카테터를 제거하는 단계170를 포함한다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따라, "위성"을 제거하는 방법200은
(a)유도선에 걸림발이 있는 쉬스를 혈관을 통해 "위성"이 이전에 이식된 우심방귀로 삽입하는 단계210,
(b)초음파 장비나 투시 진단 장비로 식별가능한 "위성" 후측 걸림부 표식과 걸림발 표식을 겹쳐서 걸림부에 대해 걸림발의 방향을 조정(orientation)하는 단계220,
(c)유도선 걸림발을 사용하여 걸림부를 포착하고 조정하는 단계230, 240,
(d)유도선을 조작하여 심장 근육에서 "위성"의 나사를 푸는 단계250,
(e)유연한 "리플릿들"과 함께 "위성"을 쉬스내로 당기는 단계260, 및
(f)심장과 인체에서 카테터를 "위성"과 같이 제거하는 단계270를 포함한다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따라 상기 압전 "리플릿들"은
(a)모놀리식 다중 레이어 벤더 타입의 압전 소자들을 구비하며, 바람직한 일실시예에서 상기 압전 소자들은 네개의 압전 스트립(모노모르프), 즉 하기의 제 1 압전 스트립, 제 2 압전 스트립, 제 3 압전 스트립, 그리고 제 4 압전 스트립으로 구성된다 (도 6참조).
(b)각 소자는 다중 압전 세라믹(혹은 그외) 모노모르프들로 구성되며 상기 모노모르프들은 기계적인 휨 모멘트 하에서 전력을 발생한다.
(c)각 모노모르프는 전극에 의해 인접 모노모르프들로부터 구분되며, 두 개의 인접 모노모르프들의 편광 벡터는 서로 반대 선형(anti-linear)이 되지만 절연판(isolation plate)에 의해 구분된 두 개의 중심 층들의 편광 벡터는 공선형(collinear)이 되도록 극성을 가진다. 바람직한 일실시예에 따라 제 1 및 제 4 모노모르프는 모노모르프들의 좁은 사이즈 방향을 따라 제2 및 제3모노모르프의 편광방향과 반대 방향으로 편광된다.
(d)각각의 "리플릿"에서 모든 전극들은 두 개의 그룹으로 나뉘고 모든 모노모르프는 서로 다른 그룹에 속하는 두 개의 전극을 가진다. 바람직한 일 실시예에 따라, 상기 벤더 타입 압전 소자는 제1 내지 제5 전극들을 더 구비한다 (도 7참조). 여기서 제 1전극은 제 1 모노모르프의 일면에 위치하고, 제 2전극은 제1 모노모르프와 제 2모노모르프 사이에 위치하며, 제 3전극은 제2 모노모르프와 제 3모노모르프 사이에 위치하며, 제 4전극은 제3 모노모르프와 제 4모노모르프 사이에 위치하며, 제 5전극은 제4 모노모르프의 타면에 위치한다.
(e)바람직한 일 실시예에 따라, 제 1, 제 3, 제 5전극은 전기적으로 서로 연결되고, 제 2 전극과 제 4전극은 전기적으로 서로 연결된다.
(f)본 발명의 바람직한 일실시예에 따라, "리플릿" 편광 방법을 제공한다. 상기 "리플릿" 편광 방법은
i. (절연판 평면에 속하는 전극은 제외하고) 전극들을 절연판 평면을 기준으로 상측 그룹과 하측 그룹으로 구분하는 단계;
ii. 절연판 평면에 속하는 전극을 포함한 상기 전극 그룹에 직류 전원을 가하여 절연판 평면 상측 모노모르프와 하측 모노모르프를 차례로 편광시키는 단계;
iii. 또는 절연판 평면에 속하는 전극을 포함한 전극 그룹을 제로 전위에 연결하고, 한편 상기 전극 그룹들 각각에는 반대 전위를 가지는 직류를 가하여 상기 모노모르프들을 동시에 편광시키는 단계를 포함한다.
본 발명에 따라 상기 기술을 저주파 압전 변환기에 적용하는 바람직한 일실시예에 따라 상기 저주파 압전 변환기는
(a)서로 뒤를 맞대어 조립하고 패시브 절연층으로 구분한 두 개의 예시적 압전 발전기들을 포함한다.
본 발명은 다양한 실시예에 따라 인간의 심장 내부에 전체가 배치되어 심장 운동에서 발생하는 자연적인 전력을 수확하는 시스템으로서 실시될 수 있다.
실제적으로 가장 보편적인 이식 기기는 우심실에 이식하는 심장 박동기이다.
그러나 제세동기와 같은 이식형 기기를 "위성" 수용부 내에 설치할 수 있으면 그러한 기기를 심장 박동기 대신에 또는 심장 박동기에 추가적으로 사용하는 것이 본 발명의 실시에 적합할 수 있음을 유의하여야 한다. 또한 약간의 변형을 통해 (이를 테면 추가적인 박동 리드를 사용하여) 상기 시스템을 그 외 다른 심장 부분에서 동작시킬 수도 있다.
도 1은 본 발명에 따라 압전 발전기와 전원 저장 및 운반기기들을 수용하는 저장 "위성" 수용부(혹은 간단히 "위성"으로 명명)의 일실시예를 도시하는 개략도이다.
도1및 도2에 도시된 바와 같이, "위성" 수용부를 구비하는 상기 시스템1에서 참조번호 10은 상기 "위성" 수용부를 나타낸다. 상기 "위성"은 SMA 봉들14을 통해 탄성(압전 세라믹 또는 그 외) 압전 봉들("리플릿들")16에 연결된다. 상기 "리플릿들"은 심장90의 근육 운동으로부터 전력을 발생한다. 또한 상기 "리플릿들"은 설치된 위치에서 심장 근육 운동을 감지하는 센서역할을 할 수 있다. 따라서 상기 "리플릿들"은 전반적인 3D 심장 운동에 대한 측정 신호를 제공할 수 있다. 상기 "위성"은 전측 앵커(예를들면 나사)12를 이용하여 심근 조직95에 나사 결합된다. 도면에 도시된 5cm라는 수치는 특허 청구 범위에 의해서 정의되는 본 발명의 범위를 한정하지 않지만, 특히 평균 성인 환자들에게 적절한 크기 범위의 실시가능 예로 제시된 것이다.
도 4를 참조하면, 상기 위성은 표준 쉬스에 내장되는 유도선에 부착된 외부 걸림발20에 상보적인 역할을 하는 후측 걸림부18를 포함한다.
상기 시스템은 일부는 상기 "리플릿들"16 내부에 다른 일부는 상기 "위성"10 내부에 배치된 압전 발전기를 구비한다. 전체적인 전원회로는 도5에 도시되어 있다. 이는 설명의 완전성을 기하기 위해 본 설명에 포함된 특정 전원 조절 회로임을 유의해야 한다. 본 설명의 문맥에 따라 회로의 구성요소 및 이들 구성요소의 기능을 당 분야의 숙련된 자들이 쉽게 이해할 수 있도록 보다 상세하게 설명할 것이다. 본 도면에서 참조번호 16은 "리플릿"의 전원회로를 나타낸다. 상기 리플릿 회로들은 다이오드 브릿지 28을 통해 주 회로와 연결된다. 상기 주 회로는 전력 저장 커패시터22 및 제어 마이크로칩을 포함하고, 상기 제어 마이크로칩은 비교기24와 인공 심장 박동기30에 직류 펄스를 제공하는 전압 조정기26를 구비한다.
각 "리플릿"의 내부 구조는 도6에 도시된 모놀리식 다중 레이어 벤더 타입의 압전 소자들을 구비하며, 바람직한 일실시예에서 상기 압전 소자들은 네 개의 압전 스트립(모노모르프(monomorph)), 즉 하기의 제 1 압전 스트립, 제 2 압전 스트립, 제 3 압전 스트립, 그리고 제 4 압전 스트립으로 구성된다. 각 소자는 다중 압전 세라믹(혹은 그외) 모노모르프들32로 구성되며 상기 모노모르프들32은 기계적인 휨 모멘트 하에서 전력을 발생한다. 각 모노모르프32는 전극들34에 의해 인접 모노모르프들32로부터 구분되며, 두 개의 인접 모노모르프들32의 편광 벡터는 서로 반대 선형(anti-linear)이 되지만 절연판(isolation plate)36에 의해 구분된 두 개의 중심 층들의 편광 벡터는 공선형(collinear)이 되도록 극성을 가진다 (도 7 참조). 바람직한 일실시예에 따라 제 1 및 제 4 모노모르프는 모노모르프들의 좁은 사이즈 방향을 따라 제2 및 제3모노모르프의 편광방향과 반대 방향으로 편광된다.
각각의 "리플릿"에서 모든 전극들은 두 개의 그룹으로 나뉘고 모든 모노모르프는 서로 다른 그룹에 속하는 두 개의 전극을 가진다. 바람직한 일 실시예에 따라, 상기 벤더 타입 압전 소자는 제1 내지 제5 전극들을 더 구비한다 (도 7참조). 여기서 제 1전극은 제 1 모노모르프의 일면에 위치하고, 제 2전극은 제1 모노모르프와 제 2모노모르프 사이에 위치하며, 제 3전극은 제2 모노모르프와 제 3모노모르프 사이에 위치하며, 제 4전극은 제3 모노모르프와 제 4모노모르프 사이에 위치하며, 제 5전극은 제4 모노모르프의 다른 면에 위치한다. 바람직한 일 실시예에 따라, 제 1, 3, 5전극은 전기적으로 서로 연결되고, 제 2 전극과 제 4전극은 전기적으로 서로 연결된다.
상기 "리플릿" 구조의 적용 예로서, (세라믹이나 그외 다른 물질로 형성된) 패시브 절연층40에 의해 구분된 한 쌍의 모놀리식 다중 레이어 벤더 타입의 압전 소자들을 이용해 캔틸레버 휨 진동에 따른 저주파 (50Hz 미만) 압전 변환기를 구성할 수 있다 (도 8참조). 일반적으로, 상기 변환기의 입력 "리플릿"이 액튜에이터로 동작하는 동안 상기 변환기는 전기 에너지를 기계 에너지로 변환한다. 상기 "리플릿"의 음향공진에 가까운 진동형태의 상기 기계 에너지는 변환기의 출력 "리플릿"의 휨을 유발하며 출력 "리플릿"에 기계적으로 전달된다. 이후 변환기의 제 2 절반 부분은 상기 설명한 발전기16으로 동작하여 기계 에너지를 전기 에너지로 변환한다. 상기 변환기의 특성은 전압 강하 속성에 있다 (단지 예로서, 입력 전압은 50 내지 1000VAC이며 출력 전압은 1 내지 25VAC일 수 있다). 실제 환경에서는 필요한 수많은 입/출력 전압 관계를 활용하기 위해 상기 변환기는 몇 쌍의 "리플릿들"을 구비하도록 구성할 수 있다. 이러한 압전 변환기는 50 내지 60Hz를 쉽게 이용할 수 있는 항공 전자공학, 파이프라인, 혹은 가전 분야의 응용에서 특히 유용하게 사용될 수 있다. 이를테면 20Hz 범위의 주파수는 파이프라인 검사 기기에서 쓰이고, 이러한 파이프라인 검사 기기는 발전기와 변환기의 응용분야가 될 수 있다.
도 11은 심장90에 이식된 "위성"10과 "리플릿들"16을 도시하는 개략도이다. 보다 구체적으로, 상기 시스템1은 심근 조직95에 둘러싸인 심실에 이식되어 있음을 나타낸다.
상기 심장 응용예에서 기술한 주파수는 극저주파 범위 이내이고 대략 0.7 내지 3Hz이다.
상기 시스템의 주요 구성요소의 배치와 기능을 보다 상세하게 설명할 것이다. 본 발명에 따르면, (다른 이식형 심장 기기 뿐만 아니라) 심장 박동기는 압전 발전기 및 전력 저장 시스템을 구비한 상기 "위성" 수용부10에 탑재된다. 상기 후측 "위성" 걸림부18는 유도선 일단의 걸림발20에 부착되어 표준 쉬스내에 삽입된다. 상기 시스템 전체는 운반 위치의 상기 쉬스에 탑재되어 쉬스 끝단으로 전진하고(도 3참조) 쇄골하 정맥, 경정맥 또는 요측피 정맥을 통해 유입된다. '찌르기(stab)' 방법(쇄골하 정맥이 발견될 때까지 바늘을 삽입)이나 '절개(cut down)' 방법(요측피 정맥이 발견될 때까지 표피를 분리)을 이용한다. 이와 비슷하게, 심장 재동기화 치료(CRT) 기기를 구비한 "위성"을 대퇴 동맥, 대동맥, 대동맥궁 및 상행 대동맥을 통해 좌심실 첨부에 보낼 수 있다 (역행방식 (retrograde approach). 어느 경우든 상기 종래의 방식 중 어느 하나를 이용하여 지혈할 수 있다.
도 3은 접힌 운반 구조에서 심장 운동으로부터 자연적인 전력을 수확하는 시스템1의 운반도이다. 도시된 바와 같이, 상기 시스템1은 카데터 쉬스38에 아주 작은 사이즈로 삽입될 수 있다. 굽은 연결부들14에 의해 "리플릿들"16이 세로 방향으로 휠 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이 이식을 위해 후방으로 휠 수 있다. 상기 시스템에서는 운반을 위해 리플릿들16이 후방으로 휜다. 쉬스38에서 나오면 심장90의 바람직한 운반 장소에서 인근 심장 조직 벽과 조직 동격이 될 때까지 혹은 조직 동격이 되도록 상기 리플릿들이 방사방향으로 바깥쪽으로 이동하게 됨을 이해 할 것이다. 상기 시스템1이 카테터의 내부로 재삽입 되려면 전방으로 휨(미도시)이 일어날 수 있다. 상기 연결부14는 유연성과 탄성을 모두 가지고 있다. 몇몇 실시예에 따라, 상기 위성 캐리어부10에서 상기 연결부14는 기계적인 연결 외에도 압전 리플릿들16과 상기 시스템1의 전기회로를 전기적으로 연결하기 위한 전기 도전체들을 구비한다. 상기 전기 도전체들은 상기 연결부14에 통합되어 단일 모놀리식 집합체를 구성할 수 있는 장점이 있다. 특히 후자 실시예에 따른 연결부14는 매우 소형이므로 상기 시스템1의 소형화에 도움이 된다.
이후 상기 "위성"을 실은 유도선은 정맥이나 동맥을 따라 심실내 의도한 위치에-보통 심실 첨부에 도달한다. 마침내 상기 "위성"은 전측 나사와 가이드 와이어 조작에 의해 심장 내벽에 고정된다. 그리고 나서 유도선은 해제되고 쉬스는 본체에서 이탈된다. "리플릿들"과 "위성"을 연결하고 운반 상태에 해당하는 휨(마텐자이트(martensite))상태에서 단단한 탄성(오스테나이트(austenite))상태로 돌아온 SMA봉들14에 의해 상기 해제된 "리플릿들"16은 자신들의 위치에서 심실벽을 가압한다. 그리고 도 1및 도2에 도시된 바와 같이, 상기 SMA봉들14 은 형상 기억 특성으로 인해 "리플릿들"을 심장 내부면으로 가압한다.
이때, 압전 발전기는 상기 전력 저장 커패시터22에 심장 운동으로 인한 전력을 축적하기 시작한다. 상기 커패시터22에 저장된 전하를 심장 박동기가 사용하도록 직류 전류로 변환하는 루틴과 일반 동작을 하기에 설명할 것이다. 상기 커패시터가 가득 차면, 비교기24와 전압 조정기26는 소정의 직류 전류를 심장 박동기에 공급할 준비를 한다. 전압이 소정 상한치에 도달하면 비교기는 전하가 커페시터에서 조정기로 흐르도록 한다. 조정기는 상기 소정의 직류 전류를 심장 박동기로 전달한다. 심근 조직으로 둘러싸인 나사12도 박동 전극 역할을 한다.
저장 커페시터의 전압이 소정의 하한치 아래로 하강하면, 비교기는 조정기를 통한 전류 전달을 중지하고 상기 회로는 다시 압전 발전기의 출력을 저장하기 시작한다. 비교기와 조정기의 모든 전압 레벨은 피드백 저항기를 이용하여 프로그램화 할 수 있다.
각 "리플릿"16의 전력 생성 과정은 다음과 같다:
각 "리플릿"은 모놀리식 다중 레이어 벤더 타입 탄성 압전 소자들을 구비하고 각 압전 소자는 도 6에 도시된 바와 같이 심장 운동에 의해 기계적 휨 모멘트 하에서전력을 생성하는 다수 모노모르프들32로 구성된다. 전력 생성의 효율성을 극대화하기 위해 각 모노모르프32는 전극들34에 의해 인접 모노모르프들과 구분되고, 두 인접 층의 편광 벡터는 서로 반대 선형)이 되지만 절연판36에 의해 구분된 두 중심 층들의 편광 벡터는 공선형이 되도록 극성을 가진다 (도 7 참조). 각 "리플릿"에서 모든 전극들은 두 개의 그룹으로 나뉘고 모든 모노모르프는 서로 다른 그룹에 속하는 두 개의 전극을 가진다.
이런 방식으로 특히 유익하고 효율적으로 에너지를 수확한다. 따라서 본 발명의 실시예는 배터리를 필요로 하지 않으면서 심장 박동기나 유사한 이식 기기가 지속적으로 동작하는데 필요한 범위의 에너지 획득을 가능케 한다. 이로써 매우 소형의 캐리어부를 제공한다.
상기 편광 특성을 얻기 위해서 모노모르프들32를 편광하는 특별한 방법을 개발하였다. 상기 방법은 다음과 같은 과정으로 구성된다.
a. (절연판 평면36에 속하는 전극은 제외하고) 전극들34을 절연판 평면을 기준으로 상측 그룹과 하측 그룹으로 구분하는 단계;
b. 절연판 평면36에 속하는 전극을 포함한 상기 전극 그룹 각각에 직류 전원을 가하여 절연판 평면 상측 모노모르프와 하측 모노모르프를 차례로 편광시키는 단계;
c. 또는 절연판 평면36에 속하는 전극을 포함한 전극 그룹을 제로 전위에 연결하고, 한편 상기 전극 그룹들 각각에는 반대 전위 직류를 가하여 상기 모노모르프들32을 동시에 편광시키는 단계.
심장 근육 운동의 3D 측정에서는 이를 테면 심장 근육의 가속도를 측정한다. 그리고 심장 근육의 서로 다른 부분을 동시에 측정할 수 있다. 모든 구성 요소는 박동과 감지 두 가지를 동시에 할 수 있다. 따라서 "리플릿들" 개수에 해당하는 심전도(ECG)채널 개수를 얻게 된다.
또한, 실제 심장 근육 운동에 앞서 전기 트리거링 및 트리거링 신호의 분배와 관련된 해당 정보를 제공하기 위해 심전도를 측정한다. 이렇게 근육 움직임과 전기 트리거링 시스템의 결함을 적절한 알고리즘을 이용해 확인할 수 있다.
심장 내부의 심장 박동기 ??첩?을 모델링한 실험이 도 10에 나타나 있다. 편심 휠(eccentric wheel)44은 펄스 발생기46와 전기적으로 연결된다. 상기 펄스 발생기에 의해 상기 편심 휠은 약 1Hz 주파수에서 좌우 100 내지 120도 치우친 중심을 따라 회전한다. 따라서, 전극을 구비한 후단은 고정되고 전단은 상기 휠에 자유로이 접하는 압전 리플릿16이 휜다. 리플릿16의 전선은 오실로스코프48와 연결되어 0.7 내지 1.3Hz 주파수에서 2.4V 전압을 보인다. 해당 전력 20μW은 25μW 심장 박동기 요구 조건을 충족시킨다: 5개의 "리플릿들"은 초당 4 박동 사이클에 충분한 에너지를 발생한다 (출처: Venkateswara Sarma Mallela, V. Ilankumaran and N.Srinivasa Rao, "Trends in Cardiac Pacemaker Batteriess", Indian Pacing and Electrophysiology Journal (ISSN 0972-6292), 4(4): 201-212 (2004)). 이에 본 명세서에 개시된 에너지 수확 개념의 실행가능성이 실험적으로 증명된다.
마지막으로, 응급시 혹은 기타의 경우를 위해 "위성"10의 제거 방법을 설명한다. 상기 제거 방법은 하기의 과정을 포함한다.
(a) 유도선상에 걸림발20을 구비한 쉬스38를 혈관내로 삽입하여 "위성"10이 이식된 적절한 심장 부위에 투입하는 단계.
(b) 초음파 장비나 투시 진단 장비로 식별 가능한 걸림발20의 표식과 "위성" 후측 걸림부18의 표식을 중첩하여 걸림발20을 "위성" 후측 걸림부18에 ?추는 단계;
(c) 유도선 걸림발20에 의해 걸림부18를 포착하는 단계;
(d) 유도선을 조작하여 심장 근육으로부터 상기 "위성"10을 나사 해제하는 단계;
(e) 상기 "위성"10을 "리플릿들"16과 함께 쉬스38에 삽입하는 단계; 및
(f) 상기 카테터를 심장 및 인체에서 제거하는 단계.
다양한 실시예를 통해 본 발명을 설명하였다. 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며 하기 첨부된 특허청구범위에 정의된 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 본 발명을 수정 및 변경할 수 있음을 당분야의 숙련된 자들은 이해할 수 있을 것이다.
첨부된 특허 청구 범위에 의해 정의되는 발명의 범위내에서 하기와 같은 변형이 이루어질 수 있다.
1. 본 발명은 현재 이용 가능한 이중 심장 박동기 구조를 사용할 수 있다. 이 경우, 본 발명의 압전 발전기 같은 추가적인 에너지원을 사용하게 되면 원래 배터리 크기 및 무게를 상당히 최소화하고 배터리를 재충전하며 전체 시스템이 환자의 평생을 지원 가능하게 한다 (도 9 참조). 이 경우, 본 발명의 압전 발전기는 박동 리드와 고유의 복합체를 구성하고 전선을 통해 심장 박동기의 연결 블록에 연결된다. 이 경우, 상기기 시스템의 이식 과정은 쇄골하 정맥, 경정맥, 또는 요측피 정맥을 통한 일반 심장 박동기의 이식술과 일치한다.
2. 니티놀(니켈-티타늄 합금) 대신에 적절한 특성을 가진 형상 합금은 무엇이라도 쓸 수 있다. 또한 심장 박동기는 자동 심장 제세동기나 그 외 다른 이식형 기기로 대체할 수 있다.
3. 더욱이, 캔틸레버 휨 진동에 따른 저주파 압전 변환기의 경우, 상기 설명한 바와 같이 본 발명을 전력 절약이나 변환기기 개발을 위해 사용할 수 있다.
상기 설명 및/또는 상기 도면 및/또는 하기 청구항에 개시된 특성은 단독으로 또는 조합하여 다양한 방법으로 본 발명을 실시하는 재료가 된다. 하기 청구항에서 사용되는 "구성하다", "포함하다", "가지다" 및 이들 관련 용어들은 "포함하되 한정되지 않음"을 의미한다.
본 발명을 상기 구체적인 실시예를 참조하여 설명하였다. 그러나 본 발명의 범위내에서 마찬가지로 다른 실시예가 가능하다. 상기 설명한 방법은 하드웨어나 소프트웨어적으로 수행할 수 있으면 기재된 단계와 다른 단계 역시 본 발명의 범위 내에서 실시할 수 있다. 본 발명의 다른 특징과 단계를 기재된 방식과 달리 조합할 수 있다. 본 발명의 범위는 오직 첨부한 특허 청구 범위에 의해서만 한정될 수 있다.
1: 시스템
10: 위성 수용부
12: 전측 앵커
14: SMA 봉들
16: 압전 봉들(리플릿들)
18: 후측 걸림부
10: 위성 수용부
12: 전측 앵커
14: SMA 봉들
16: 압전 봉들(리플릿들)
18: 후측 걸림부
Claims (36)
- 시스템에 있어서,
상기 시스템은 적어도 하나의 다중 레이어 벤더 타입(bender type) 압전 소자를 포함하고,
상기 압전 소자는 기계적인 휨 모멘트 하에서 전력을 발생하는 다수의 모노모르프들을 포함하고,
상기 모노모르프들의 각각은 전극들에 의해 인접 모노모르프들과 구분되고, 두 개의 인접 모노모르프들의 편광 벡터는 서로 반대 선형(anti-linear)이 되고, 절연판에 의해 구분된 두 개의 중심 층들의 편광 벡터는 공선형(collinear)이 되도록 편광되는 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 시스템은 전부 심장 내부에 이식될 수 있고,
상기 시스템은, 캐리어부에 배열되어 작동하도록 서로 연결되는, 압전 발전기, 전력 저장부, 제어부 및 전기로 동작하는 의료기기를 더 포함하며,
상기 압전 발전기는 복수개의 긴 탄성 압전 봉 유닛들을 포함하고, 상기 긴 탄성 압전 봉 유닛들은 심장 근육 운동으로부터 전력을 발생하고 상기 심장 근육의 3차원 운동과 관련된 센서 신호를 제공하기 위해, 상기 심장 근육과 동격(apposition)이 되기 위한 모놀리식(monolithic) 다중 레이어 벤더 타입 압전 소자들을 포함하며,
상기 동격화를 지원하기 위해 상기 심장 근육쪽으로 초기 장력을 제공하는 탄성 연결부들이 상기 긴 봉 유닛들과 상기 캐리어부 사이에 배열된 시스템.
- 제2항에 있어서,
상기 연결부들은 상기 캐리어부의 가장자리에 탑재되고 상기 시스템을 카데터 내부에 실어 상기 심장으로 운반하기 위한 제 1 휨 가능 상태를 가지는 시스템.
- 제3항에 있어서,
상기 카데터에서 해제되면 상기 연결부들은 상기 긴 탄성 압전 봉 유닛들을 심장 내부 표면으로 가압하기 위해 제 2 경성 탄성 상태를 가지는 시스템.
- 제 2 내지 4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 연결부들은 초기에는 상기 캐리어부가 이식되어야 할 심장 내부 영역의 내부 기하구조를 재현하기 위한 형태를 가지는 시스템.
- 제 2 내지 4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 탄성 연결부들은 형상 기억 합금(SMA) 봉들이고, 상기 운반 위치를 위한 제 1 구성은 상기 탄성 연결부들의 마르텐자이트(martensite) 상태이며, 제 2 경성 탄성 상태는 상기 탄성 연결부들의 오스텐나이트(austenite) 상태인 시스템.
- 제 2 내지 4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 긴 탄성 압전 봉 유닛들은 압전 세라믹 유닛들인 시스템.
- 제 2항 내지 4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 긴 탄성 압전 봉 유닛들은 획득한 심장 움직임 감지 결과에 따라 각각의 심장 영역을 자극하기 위한 박동 전극들을 구비하는 시스템.
- 제2항에 있어서,
상기 긴 탄성 압전 봉 유닛 각각에서 모든 전극들은 두 개의 그룹으로 나뉘고 모든 모노모르프는 서로 다른 그룹에 속한 두 개의 전극을 구비하는 시스템.
- 제 2 항 내지 4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 긴 탄성 압전 봉 유닛들은 전원 공급 장치 및 전반적인 3차원 심장 운동에 대한 센서로서 배열되는 시스템.
- 복수개의 긴 탄성 압전 봉 유닛들을 제조하는 방법에 있어서, 상기 긴 탄성 압전 봉 유닛들은 모놀리식 다중 레이어 벤더 타입 압전 소자들을 포함하고, 상기 압전 소자들은 복수 개의 모노모르프들을 포함하고,
상기 방법은
상기 모노모르프들 각각을 전극들을 사용하여 인접한 모노모르프들로부터 구분하는 단계;
두 개의 중심층들을 절연판으로 구분하는 단계; 및
상기 두 개의 중심 층들의 편광 벡터는 공선형이 되고 그 외 다른 인접 모노모르프들의 편광 벡터는 서로 반대 선형이 되도록 상기 모노모르프들을 편광하는 단계를 포함하는 방법.
- 제 11항에 있어서,
상기 방법은
복수 개의 전극 그룹들 각각에 직류 전원을 인가하여 상기 절연판 평면 상하측의 모노모르프들을 차례로 편광시키는 단계를 포함하는 방법.
- 제 11항에 있어서,
상기 방법은
상기 절연판 평면에 속하는 전극을 포함한 전극 그룹을 제로 전위에 연결하는 단계; 및
복수 개의 모노모르프 그룹들 각각에 반대 전위 직류 전원을 인가하여 상기 모노모르프들을 동시에 편광하는 단계를 포함하는 방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 압전 소자는 긴 탄성 압전 봉 유닛이고 상기 긴 탄성 압전 봉 유닛에서 모든 전극들은 두 개의 그룹으로 나뉘고 모든 모노모르프는 서로 다른 그룹에 속한 두 개의 전극을 구비하는 시스템.
- 제 14항에 있어서,
상기 긴 탄성 압전 봉 유닛들 중 적어도 한 쌍은 캔틸레버 휨 진동에 기초한 저주파 강하 압전 변환기를 구성하는 패시브 절연층에 의해 구분되고, 상기 한 쌍의 긴 탄성 압전 봉 유닛들 중 하나는 전기 에너지를 진동 형태의 기계 에너지 형태로 변환하는 출력 액튜에이터이고 상기 한 쌍의 긴 탄성 압전 봉 유닛들 중 다른 하나는 기계 에너지를 전기 에너지로 재변환하는 입력 액튜에이터인 시스템. - 삭제
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