PT103374A

PT103374A - Carregador de bateria para implantes cardíacos

Info

Publication number: PT103374A
Application number: PT103374A
Authority: PT
Inventors: Abreu Antonio Manuel Sequeira
Original assignee: Abreu Antonio Manuel Sequeira
Priority date: 2005-10-28
Filing date: 2005-10-28
Publication date: 2007-04-30
Also published as: JP2009513232A; WO2007049983A1; EP1951371A1; US7957804B2; EP1951371B1; ATE490804T1; DE602006018779D1; US20080269828A1

Abstract

O PRESENTE INVENTO, REFERE-SE A UM APARELHO DESTINADO A CARREGAR A BATERIA DOS IMPLANTES CARDÍACOS. PODE SER UTILIZADO PARA RECARREGAR A BATERIA DEPOIS DE UM SOLICITAÇÃO DE EMERGÊNCIA, TIPO DESFIBRILHAÇÃO OU EM SITUAÇÃO DE DIAGNÓSTICO E/OU REPROGRAMAÇÃO DO IMPLANTE, DURANTE A QUAL NÃO É EXIGIDA QUALQUER ENERGIA DA BATERIA INTERNA, PORQUANTO A ALIMENTAÇÃO DE ENERGIA PASSAR A SER GARANTIDA PELO APARELHO PROPOSTO. O INVENTO É COMPOSTO POR TRÊS COMPONENTES ESSENCIAIS: POR UM GERADOR (A), POR UMA UNIDADE TRANSMISSORA (B) E POR UMA BOBINA RECEPTORA (C) . O GERADOR DESTINA-SE A PRODUZIR UM SINAL PORTADOR DE ENERGIA COM UMA DETERMINADA AMPLITUDE E FREQUÊNCIA E QUE É TRANSPORTADO ATRAVÉS DE UM CABO COAXIAL ATÉ À UNIDADE TRANSMISSORA (B). O CAMPO MAGNÉTICO EMITIDO É CAPTADO PELA BOBINA RECEPTORA (C), SITUADO NO INTERIOR DO CORPO HUMANO, QUE GERA UMA TENSÃO SEM MANIFESTAR O FENÓMENO DE GIBBS.

Description

DESCRIÇÃO

Carregador de bateria para implantes cardíacos 0 presente invento torna possível a recarga da bateria dos implantes cardíacos, como é o caso dos pacemakers e dos desfibrilhadores implantáveis, visando o prolongamento do seu tempo de vida no interior do corpo humano, de forma a suspender a intervenção cirúrgica prevista para a sua tradicional substituição.

Os consumos de energia dos implantes cardíacos variam consoante a sua função, sendo esta, determinada pela patologia e actividade do paciente. A duração da bateria dos implantes cardíacos varia dos 3 aos 9 anos, sendo determinada essencialmente pelo consumo de energia eléctrica. 0 consumo de energia eléctrica, à parte o factor de escala referente à amplitude da tensão, é proporcional ao produto entre o valor médio da corrente eléctrica e o intervalo de tempo durante o qual a mesma persiste. Este produto caracteriza, pois, a carga eléctrica que vai transitando da bateria para o circuito electrónico do implante. À medida do progresso que acompanha a investigação científica nos domínios da medicina e da tecnologia electrónica, vão surgindo implantes cada vez mais sofisticados, ora em termos de funcionalidade, ora em termos de velocidade de processamento. A reprogramação assistida, a desfibrilhação e a monitorização periódica da actividade do implante, são algumas dessas potencialidades. É este acréscimo de actividade que acelera o processo de esgotamento da bateria. A configuração proposta, oferece a possibilidade de se poder aceder e alterar o regime de funcionamento da estrutura algorítmica do implante, sem que, para tal, seja retirada qualquer parcela de energia da própria bateria, uma vez que o suporte energético passa a ser garantido pelo aparelho em questão. 1/10

Actualmente, não é conhecido nenhum processo que permita a recarga da bateria de uma forma eficaz e eficiente. Um dos factores impeditivos para a transferência de energia com segurança para o interior do implante através do tecido dérmico é a grande distância que separa o implante do transmissor exterior.

Para se tentar transpor este obstáculo à luz da tecnologia actual, surgem ideias que recorrem a fontes de alimentação comutada, cujo principio básico de funcionamento assenta na modulação por largura do impulso (PWM - "pulse width modulation").

Porém, existe um efeito associado a esta técnica e que é designado por fenómeno de Gibbs: consiste no aparecimento de sinais de alta frequência, quantificáveis pela Análise de Fourier, e que poderão constituir uma parcela importante do ruído electromagnético.

Esse ruído é detectável pelos circuitos electrónicos do implante, de onde poderá resultar uma interpretação incorrecta dos dados/sinais e/ou uma decisão desfavorável resultante do processamento algorítmico dos implantes, com as consequências nefastas daí decorrentes para o próprio paciente.

Ora, são precisamente estes, os inconvenientes que caracterizam o actual estado da técnica. Senão vejamos: A referência US2005075696 alude à utilização de uma corrente oscilatória que irá induzir uma tensão aos terminais de uma bobina secundária, não especificando qual, nem prevendo o efeito das interferências electromagnéticas.

As referências US2005037256 e FR2420832, por sua vez, nada referem quando à natureza da corrente primária, apenas mencionando a utilização de apenas um díodo na malha (169) e (6), respectivamente, o que representa uma utilização pouco eficiente da energia disponibilizada por período da onda de tensão secundária. Aqui, poder-se-ia, eventualmente, utilizar uma rectificação de onda completa ao invés da rectificação por meia onda. A proposta DE2720331, é semelhante às descritas no parágrafo anterior, porém com numa incorrecção assinalada no esquema pela polarização do díodo (6) e/ou da bateria (2). 2/10 A referência JP2002315209 não especifica a forma de onda da tensão primária, pelo que, de acordo com o esquema apresentado pelos respectivos autores, não é de excluir a produção de EMI (interferências electromagnéticas).

Também assim, peca a referência US5411537, ao não prever a forma de onda da tensão primária.

Por seu turno, a proposta referenciada por EP0473957, apresenta uma solução que não atende ao fenómeno de Gibbs, para além de evidenciar a necessidade do detector (84), de diferença de fase ou de diferença de frequência. Desta forma, admite existirem outras componentes de frequência distintas da fundamental. 0 protótipo GB1419531 apresenta, por intermédio da fig. la, uma solução eficiente para o aproveitamento do período completo da onda de tensão secundária, ao utilizar a ponte rectificadora (30), a resistência de amostragem (32) e o FET 31 ("field effect transístor"). Porém, através do enrolamento auxiliar (39) verifica-se que o controlo da frequência do sinal portador de energia, o qual também não especificado à semelhança dos exemplos anteriores, é determinado pelo próprio pacemaker para um receptor sintonizado excitado pela bobina (20b).

Em suma, verifica-se que as concepções que caracterizam o estado da técnica, não atendem ao fenómeno de Gibbs. Deste facto, resulta, pois, que a unidade electrónica do implante se encontra exposta às EMI-interferências electromagnéticas. O presente invento refere-se a um aparelho constituído essencialmente por três unidades distintas: o gerador, a unidade transmissora e a bobina receptora.

Além disso, não necessita de qualquer cadeia de rectroacção de controlo do processo, o que muito simplifica a utilização.

Este invento não permite a ocorrência do fenómeno de Gibbs, uma vez que a onda portadora do sinal energético é (co)sinusoidal e a malha ressonante que alimenta é linear. Portanto, o efeito de eventuais interferências electromagnéticas não se coloca dado que o sinal portador 3/10 de energia tem uma frequência conhecida e permitida no canal de comunicação.

Todavia, a utilização de sinais (co)sinusoidais contribui para o aparecimento de componentes reactivas da corrente eléctrica, provenientes da malha ressonante. Tal tem, como consequência, um efeito dissipativo suplementar no andar de potência do gerador e que se pretende evitar. A forma encontrada e explorada para se poder contornar este problema, consiste em minimizar o trânsito de energia reactiva circulante na malha ressonante.

Minimizando o trânsito de energia reactiva, consegue-se a redução/eliminação da componente reactiva da corrente de saida o que permite uma menor dissipação - perdas por efeito de Joule - no andar de potência do gerador. Nestas condições, a malha ressonante tem carácter resistivo puro. 0 funcionamento do invento rege-se, pois, pela optimização do trânsito de energia reactiva determinado pelo regime de exploração previsto no Ábaco Predictor - Corrector ilustrado na figura 1. 0 Ábaco Predictor-Corrector é uma representação no plano complexo de uma situação de fornecimento de energia eléctrica à taxa das potências activa P, e reactiva Q. A energia oriunda da geração transita ao longo de uma linha de transmissão não ideal atinge a carga à tensão nominal U em regime forçado alternado sinusoidal com frequência f. O que caracteriza este Ábaco, é a circunstância de se considerar o efeito da resistência e reactância longitudinais da linha de transmissão, que se evidenciam na figura pela posição angular dos segmentos de recta que abundam no I e II quadrantes, relativamente aos eixos da base ortonormada. 0 efeito destes parâmetros traduz-se na rotação síncrona dos segmentos de recta em torno do afixo z\ = 1+jO. 0 afixo Z2, representa a relação entre as tensões de entrada e de saída. A círculo de raio unitário representa os pontos do plano complexo onde |z2| = 1. A família de rectas p, representa o lugar geométrico das situações a que correspondem o valor de potência activa P. 4/10

, . R' Rt { P A equaçao geral da recta p e y =--r +— + —-

Por sua vez, as rectas q, caracterizam as situações a que correspondem a potência reactiva Q. A equação geral da recta q é xr^(xl)+Rt+XM9 z;

Re + X,tg<p)

\ <aC

As rectas q rodam de um ângulo φ, correspondente ao desfasamento entre a tensão e corrente da carga, em torno de um ponto situado na recta p, a que corresponde P = 0. A intersecção entre uma recta p e uma recta q, define o ponto de funcionamento e a respectiva relação de tensões. O modelo matemático que subjaz o Ábaco é definido pela equação seguinte: 1+p-m ,,fra,+ar,l V1 Λ 2 - -oXfi > +

onde m representa a relação de tensões e p a correcção devida às perdas.

Os parâmetros que caracterizam a linha são parâmetros distribuídos em toda a sua extensão.

Ao consubstanciar os parâmetros do modelo distribuído numa bobina compacta, obtemos uma representação da linha por parâmetros concentrados que traduz a imagem da unidade transmissora deste invento.

Portanto, a unidade transmissora equipara-se a tuna linha de transmissão compacta.

Uma vantagem adicional (e muito importante) decorrente da utilização de um sinal (co)sinusoidal, consiste no efeito de focagem que se obtém a partir do fenómeno de ressonância electromagnética, o que permite transpor a relutância magnética caracterizada pela grande distância que separa a bobina receptora da unidade transmissora. 5/10 A figura 2 representa o diagrama de blocos do aparelho. A alimentação de energia eléctrica provém do cabo de alimentação de energia (1), ora pela rede pública de distribuição de energia sob a forma de tensão alternada, ora por uma outra fonte de tensão continua, como por exemplo a do isqueiro da viatura automóvel. 0 conversor (2) destina-se a fornecer as tensões simétricas ao oscilador (3) e ao amplificador (6) . Adicionalmente, alimenta, por intermédio do comutador manual (14), a bobina (8) da unidade transmissora (B), para efeitos de criação de um campo magnético estacionário destinado à inibição momentânea do pacemafer. 0 potenciómetro (4) destina-se a ajustar a frequência do oscilador controlado por tensão VCO (3) de forma a minimizar o trânsito de energia reactiva, o que pode ser visualizado pelo sinalizador luminoso (13).

Através do potenciómetro (5), ajusta-se a intensidade do campo magnético radiado. 0 bloco (6), constitui um amplificador híbrido integrado que alimenta a malha ressonante composta pelo condensador (7) e pela bobina primária (8), que integram a unidade transmissora. 0 campo magnético produzido por esta unidade induz aos terminais da bobina (9), uma tensão alternada que, depois de rectificada pela ponte rectificadora (10), alimenta o circuito electrónico do implante através do díodo (11) . Este, tem por função a de impedir uma eventual descarga da bateria do implante na resistência equivalente de fugas situada a montante. A resistência longitudinal é majorada pelo valor devido ao efeito pelicular, R(o), determinado pela profundidade de penetração S = e que caracteriza a dependência da y ωμσ resistência da frequência. A resistência varia, assim, desde um valor correspondente ao medido em corrente contínua Ro, até R(a>) .

De igual modo, a reactância da bobina, para além de depender da frequência, varia também com a relutância magnética, sendo esta afectada pela distância entre as duas bobinas. Porém, a dispersão caracteriza a situação de 6/10 relutância máxima que se traduz num efeito limitador da corrente circulante na malha de compensação. A equação de

Maxwell - divB = 0 - caracteriza a dispersão das linhas de campo que se fecham pelo percurso mais curto do circuito magnético da bobina. Por este motivo, identificamos um comportamento não evasivo (sem fuga ou perda de controlo ou limitador). 0 regime de controlo mostra-se eficiente quando o argumento do complexo m varia entre 75°<0<9O°, o que, de acordo com uma caracteristica da construção geométrica, φ + Θ = 90°, corresponde à gama 0 «p < 15°. O factor de potência correspondente, cos<p, varia, assim, entre 0,96 e 1. A situação correspondente a 0 = 90°, ocorre quando x = 0. Neste caso, para a situação ideal φ = 0o e P = 0, resulta da igualdade entre as equações p e q o seguinte resultado:

A frequência em torno da qual se selecciona a sintonia é, pois, determinada por

A situação correspondente a 0 = 75°, ocorre quando as rectas p e q são perpendiculares passando a última pela origem, ou seja, 7/10 75° Rt χ_ Ri+Xtev Xt Xt -Rttg(p h. Rt (x~l) + £,

X Oç»=0=>^e = . arg{m} = arctg ΓχΛ J í λ* Ί Jo+il&S; -arctg d)Lt Τ0+ίπΦ A tensão induzida na bobina implantada é máxima quando φ = 0 e adquire o valor: f \

Em que:

Ui, (ni/ n2) e Q, representam o valor eficaz da tensão do gerador, a relação de número de espiras da bobina implantável/bobina transmissora e o factor de qualidade da bobina transmissora, respectivamente. A bobina implantável é colocada em torno da linha de fuga do implante ou no seu interior, conforme sugerido pela figura 9 e 10, respectivamente. A figura 3 indica uma das formas possiveis da aplicação deste invento. A unidade geradora é colocada numa estrutura fixa, tipo mesa, prateleira, etc.. A unidade transmissora deve estar apoiada através de um braço articulável mas com um ponto de apoio sediado, por exemplo, numa cadeira de encosto, ou até mesmo numa plataforma horizontal sobre a qual se acomoda o paciente. Um cabo coaxial flexível permite a ligação entre o gerador e a unidade transmissora que, por uma simples mas eficaz colocação sobre o toráx do paciente, proporciona a transmissão da energia para o interior do corpo humano. A posição do comutador (14) indicado na figura 2 determina se o campo magnético criado pela bobiba transmissora é (co) sinusoidal, B = Bmáx* sen(rnt) ou estacionário, B = BDc# consoante a corrente na bobina seja fornecida pelo amplificador (6) ou pela fonte de corrente contínua (2). Se 8/10 o campo for estacionário, a unidade transmissora funciona como um íman, o que permite comandar o implante de modo a que o mesmo possa suspender a sua actividade (modo magnético); Se porventura for seleccionado o campo alternado, procede-se à recarga. A figura 4 representa o esquema da fonte de alimentação (2) indicada na figura 2, nela contemplada o bloco de entrada e de rectificação (a) e (b) , os blocos (d), (e) e (f) que constituem o conversor tipo flyback, o bloco rectificador (h), o bloco de filtragem (g) e o bloco regulador e limitador de corrente (q) destinado a excitar a bobina transmissora pela passagem de uma corrente continua que irá criar um campo de indução B = Bdc, estacionário, idêntico ao produzido por um íman permanente. A figura 5 representa o oscilador controlado por tensão (3) , identificado na figura 2, destinado a produzir um sinal (co)sinusoidal cuja frequência é proporcional à tensão de controlo ajustada manualmente pelo potenciómetro (4) . 0 valor médio corresponde à frequência de ressonância da malha ressonante da unidade transmissora. A figura 6 representa o amplificador de potência com alimentação simétrica (6), que amplifica o sinal gerado pelo oscilador controlado por tensão (3) da figura 5, e o disponibiliza na tomada de saída (p). 0 esquema indicado na figura 7 corresponde à unidade transmissora contendo um condensador ressonante (7), a bobina (8), responsável pela criação do campo magmnético, um sinalizador de néon (13) e uma ficha (q) para conexão à unidade geradora (A) através da tomada (p) indicadas na figura (2). A unidade implantável representada pela figura 8 é constituída pela bobina implantável (9) disposta perifericamente em torno do implante podendo, em alternativa, situar-se no interior do mesmo, e cujos terminais estão ligados à ponte rectificadora (10) que, por sua vez, estão ligados ao condensador de filtragem (11) e ao díodo de protecção (12) que previne contra a descarga da bateria na resistência de fugas equivalente situada a montante. 9/10 A materialização da bobina sensora (9) é sugerida pelas figuras 9 e 10, colocada na periferia ou no interior do implante, respectivamente.

Lisboa, 9 de Janeiro de 2006 10/10

Claims

REIVINDICAÇÕES 1. Aparelho destinado à recarga da bateria dos implantes cardíacos, caracterizado por compreender um gerador (A), destinado a produzir um sinal (co)sinusoidal com frequência ajustável pelo potenciómetro (5), em torno de uma valor médio denominado de frequência de ressonância, que visa minimizar o trânsito de energia reactiva na malha ressonante (B), composta por um condensador (7) e por um solenoide com núcleo de ar (8) , cujos valores característicos determinam a frequência de ressonância, e que constituem a unidade transmissora, destinada a produzir um campo de indução magnética estacionário ou alternado sinusoidal, para o modo magnético ou para a recarga da bateria, respectivamente, que induzirá uma força electromotriz na bobina implantável (C), estabelecida na periferia do implante, no qual se encontra alojado o bloco rectificador (10), o condensador de filtragem (11) e o díodo de protecção contra corrente inversa de fugas (12) .
2. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por converter a tensão eléctrica de entrada, ora pela rede eléctrica, ora pela tensão da bateria de um automóvel, por meio de uma ponte rectificadora (a), resistência (b), e condensador (c) aplicada ao transformador (d) excitado pelo transístor (e) , comandado pelo circuito integrado (f), que amostra a tensão contínua proveniente das tensões simétricas obtidas pela ponte rectificadora (h) a partir do secundário de (d) e filtradas pelo par de condensadores (g), destinadas à alimentação dos diversos sub-circuitos e à produção de uma tensão contínua para a criação de um campo magnético estacionário destinado ao funcionamento do implante em modo magnético.
3. Aparelho de acordo com a reivindicação 1 e 2, caracterizado por possuir uma tomada de entrada destinada à alimentação a partir da tomada do isqueiro duma viatura automóvel, seleccionável pelo comutador (15) .
4. Aparelho de acordo com a reivindicação 1 e 2, caracterizado por compreender um oscilador constituído 1/3 pelo circuito integrado (3), alimentado simetricamente, que produz um sinal sinusoidal cuja frequência central de oscilação, caracterizada pelos valores da bobina ressonante (8) e do condensador (7), determina o fluxo máximo de energia gerado pelo amplificador (6).
5. Aparelho de acordo com as reivindicações 1 a 3, caracterizado por possuir um botão que comanda o potenciómetro (4) para ajuste da frequência do oscilador (3) destinado a alcançar a condição de ressonância e transferência máxima, a que corresponde o ângulo de carga φ = 0.
6. Aparelho de acordo com a reivindicação 1 a 3, caracterizado por possuir um bloco amplificador constituído por um circuito integrado híbrido (6), alimentado simetricamente e excitado pelo sinal gerado pelo oscilador (3) através do potenciómetro (5) e disponível na saída blindada (p).
7. Aparelho de acordo com as reivindicações 1 a 5, caracterizado por possuir um botão que comanda o potenciómetro (5), destinado a ajustar a amplitude do campo magnético criado consoante a profundidade do implante.
8. Aparelho de acordo com a reivindicação 1 a 6, caracterizado por produzir um campo magnético através da unidade transmissora (B) , que compreende a bobina com núcleo de ar (8) e o condensador ressonante (7), alimentados pela ficha (q), dotado de lâmpada indicadora de condição optimizada (13).
9. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender um interruptor (14), destinado a seleccionar o modo de operação, ora para modo magnético destinado a suspender momentaneamente a actividade do implante, ora para proceder à recarga da bateria.
10. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por captar a energia magnética emitida pela unidade transmissora por intermédio da bobina receptora planar (9), que alimenta uma ponte rectificadora constituída por quatro díodos de comutação rápida (10), destinada a produzir uma tensão 2/3 contínua por rectificação de onda completa, filtrada pelo condensador (11) e aplicada ao circuito de alimentação do implante através do díodo (12), que impede uma eventual descarga da bateria sobre a resistência equivalente de fugas a montante. Lisboa, 9 de Janeiro de 2006 3/3