專利名稱：植入關(guān)節(jié)內(nèi)壓電陶瓷間歇供電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種植入關(guān)節(jié)內(nèi)壓電陶瓷間歇供電裝置，尤其涉及壓電陶瓷供電電路設(shè)計(jì)和低功耗電壓調(diào)節(jié)電路設(shè)計(jì)，屬于醫(yī)用植入關(guān)節(jié)內(nèi)壓電陶瓷供電裝置技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
肢體傷殘是影響殘疾人生活質(zhì)量的重要疾病之一，人工關(guān)節(jié)以及義肢是為關(guān)節(jié)損傷的人重新建立運(yùn)動(dòng)機(jī)能的重要手段。人工關(guān)節(jié)植入人體后，處于長期工作狀態(tài)下，采用集成電路技術(shù)在人體植入關(guān)節(jié)與外部世界之間建立一個(gè)信號傳輸?shù)奈锢硗ǖ?，對植入關(guān)節(jié)的工作條件、壓力、錯(cuò)位等情況進(jìn)行早期檢測，幫助醫(yī)生及早發(fā)現(xiàn)問題進(jìn)行診斷，是減少病人痛苦的一個(gè)有效手段。
采集植入關(guān)節(jié)的壓力數(shù)據(jù)，需要在植入關(guān)節(jié)承受壓力的情況時(shí)利用其內(nèi)的集成電路將壓力數(shù)據(jù)保存下來。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，首先為集成電路提供工作電源。由于植入關(guān)節(jié)內(nèi)空間狹小，放置電池不太現(xiàn)實(shí)，并且電池的壽命有限，而植入關(guān)節(jié)的工作壽命一般在二十年左右，因此必須采用其它的供電方式。
植入關(guān)節(jié)在人日?；顒?dòng)過程中會產(chǎn)生壓力，而壓電陶瓷在壓力情況下可以產(chǎn)生電流，利用此特性將壓電陶瓷元件置于植入關(guān)節(jié)內(nèi)，將它們在壓力情況下產(chǎn)生的電流首先經(jīng)過整流并經(jīng)過儲能元件儲能，然后經(jīng)過電壓調(diào)節(jié)電路輸出穩(wěn)定電壓為供集成電路供電。
目前，申請者還沒有看到國內(nèi)關(guān)于植入關(guān)節(jié)內(nèi)供電裝置的研究。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目前在于在植入關(guān)節(jié)內(nèi)采用壓電陶瓷裝置，利用其在壓力條件下產(chǎn)生的能量為集成電路供電，從而實(shí)現(xiàn)壓力數(shù)據(jù)的采集以幫助醫(yī)生對病人的植入關(guān)節(jié)進(jìn)行及時(shí)診斷。
植入關(guān)節(jié)內(nèi)壓電陶瓷間歇供電裝置，其特征在于，該供電裝置包括以下四個(gè)部分(1)壓電陶瓷裝置，置于植入關(guān)節(jié)內(nèi)，包括3個(gè)壓電陶瓷元件，它們一方面在壓力條件下產(chǎn)生電流，另一方面它們還作為壓力傳感器，傳輸壓力數(shù)據(jù)；壓電陶瓷元件的三個(gè)輸出端和下面整流電路裝置的三個(gè)輸入端相連；(2)整流電路裝置，用于將壓電陶瓷元件在壓力條件下產(chǎn)生的電流進(jìn)行整流。整流電路裝置包括三個(gè)二極管橋整流電路，分別為輸入的每路電流進(jìn)行整流，將交流電轉(zhuǎn)換為直流電；整流電路裝置的輸出端接能量存儲電路裝置的輸入端；
(3)能量存儲電路裝置，用于存儲電能，包括一個(gè)大容量的電解電容，通過電解電容的充電過程和放電過程為后續(xù)電路供電；它的輸出和電壓調(diào)節(jié)器的輸入端相連；(4)電壓調(diào)節(jié)器，用于調(diào)節(jié)輸入電壓輸出穩(wěn)定電壓為負(fù)載供電。
本發(fā)明提出了一種醫(yī)用植入關(guān)節(jié)內(nèi)壓電陶瓷間歇供電裝置，它是一種利用壓電陶瓷在壓力情況下產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換為電能的技術(shù)，裝置包括壓電陶瓷裝置、整流電路、儲能元件電容以及電壓調(diào)節(jié)電路。壓電陶瓷受壓時(shí)產(chǎn)生的電流經(jīng)過整流電路后將能量存儲到能量存儲電路中，儲能電容提供電壓給電壓調(diào)節(jié)電路，電壓調(diào)節(jié)電路輸出穩(wěn)定的電壓供后續(xù)電路工作。由于位于植入關(guān)節(jié)內(nèi)的壓電陶瓷裝置受壓時(shí)間是不連續(xù)的，所以裝置供電方式也是間歇式的。
本發(fā)明利用置于植入關(guān)節(jié)內(nèi)的壓電陶瓷在壓力條件下產(chǎn)生電能經(jīng)過整流、儲能和電壓調(diào)節(jié)器為集成電路供電，這樣為實(shí)現(xiàn)生物體植入關(guān)節(jié)雙向數(shù)字無線壓力監(jiān)視系統(tǒng)的提供了有效的供電方式。


圖1為本發(fā)明的邏輯結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明壓電陶瓷元件示意圖。
圖3為本發(fā)明中儲能電容工作示意圖。
具體實(shí)施例方式
圖1為本發(fā)明的邏輯結(jié)構(gòu)示意圖。其中1為壓電陶瓷裝置、2為整流電路裝置、3為能量存儲電路裝置、4為電壓調(diào)節(jié)器。三個(gè)壓電陶瓷元件在壓力情況下產(chǎn)生電流，壓電陶瓷裝置(1)的輸出端和整流電路裝置(2)的輸入端相連，整流電路裝置(2)的輸出端與能量存儲電路裝置(3)的輸入端相連；能量存儲電路裝置(3)的輸出端與電壓調(diào)節(jié)器裝置(4)的輸入端相連。
圖2為本發(fā)明壓電陶瓷元件的示意圖，其中5為壓力分散金屬板，6為軸承，7為壓電陶瓷元件，元件個(gè)數(shù)可以根據(jù)需要而定，應(yīng)用在生物體植入關(guān)節(jié)雙向數(shù)字無線壓力監(jiān)視系統(tǒng)中可以采用4個(gè)，個(gè)數(shù)越多產(chǎn)生的能量越大。此圖中包括了3個(gè)壓電陶瓷元件。壓力分散金屬板(5)在最上方，壓電陶瓷元件(7)在中間，軸承(6)位于最下方。來自上方的壓力經(jīng)過壓力分散金屬板(5)分散到各個(gè)壓電陶瓷元件上，壓電陶瓷元件在壓力下產(chǎn)生電流可以通過導(dǎo)線輸出。軸承(6)支撐整個(gè)關(guān)節(jié)。導(dǎo)線可以通過軸承(6)引出來。
圖3為本發(fā)明中儲能電容工作示意圖。其中8為壓電陶瓷設(shè)備的等效電容Cp，9為能量存儲電路里的儲能電容Cs，10為電路負(fù)載。壓電陶瓷設(shè)備的等效電容(8)與能量存儲電路里的儲能電容(9)并聯(lián)再與負(fù)載(10)相連。
下面給出了儲能電容Cs大小的選擇，當(dāng)Cs＝Cp時(shí)，Cs能得到最大的能量，其中Cp為壓電陶瓷設(shè)備的等效電容。儲存電容獲得的電荷大小為ΔQ＝Cs·(V1-V2) (1)其中ΔQ為Cs在其兩端電壓從V1到V2(V1＞V2)變化過程中釋放的電荷大小，而電荷也可以按下式描述ΔQ＝I·Δt (2)其中Δt為由電壓從V1到V2變化經(jīng)歷的時(shí)間，I為此段時(shí)間產(chǎn)生的電流大小。根據(jù)公式(1)和公式(2)可以得到Δt=Cs·(V1-V2)I---(3)]]>根據(jù)公式(3)可得到Cs兩端電壓變化時(shí)可以為后續(xù)電路提供電流的時(shí)間。由于儲能電容Cs本身存在充電和放電過程，所以壓電陶瓷的供電過程是間歇式的。
壓電陶瓷裝置(1)包括3個(gè)壓電陶瓷元件(7)、壓力分散金屬板(5)和軸承(6)，壓電陶瓷元件(7)既是傳感器傳輸壓力數(shù)據(jù)又能在壓力下產(chǎn)生能量，壓力通過壓電陶瓷裝置(1)轉(zhuǎn)化為電能輸出給整流電路(2)，所述的整流電路(2)采用二極管橋整流電路，每個(gè)壓電陶瓷元件(7)產(chǎn)生的電流都經(jīng)過一個(gè)二極管橋整流電路進(jìn)行橋整流。整流后輸送給能量存儲電路裝置(3)；所述的能量存儲電路裝置(3)為大容量的電解電容(9)，壓電陶瓷裝置(1)產(chǎn)生的電流為其充電，當(dāng)儲能電容(9)中的能量足以供負(fù)載(10)工作時(shí)，儲能電容(9)則放電，即儲能電容(9)處于充電和放電兩個(gè)過程中。儲能電容(9)大小等于壓電陶瓷壓電陶瓷裝置(1)的等效電容(8)時(shí)，儲能電容(9)能存儲最大能量；所述的電壓調(diào)節(jié)器(4)用來調(diào)節(jié)電容輸入來的電壓，輸出穩(wěn)定的電壓供負(fù)載工作。
本發(fā)明是一種用在植入關(guān)節(jié)內(nèi)的、利用關(guān)節(jié)活動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的壓力經(jīng)過壓電陶瓷設(shè)備進(jìn)行間歇供電的裝置，利用壓電陶瓷在壓力情況下產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換為電能的技術(shù)，含有壓電陶瓷裝置、全波橋整流電路、儲能元件電容以及電壓調(diào)節(jié)電路。壓電陶瓷受壓時(shí)產(chǎn)生的電流經(jīng)過全波橋整流后將能量存儲到儲能電容里，儲能電容提供電壓給電壓調(diào)節(jié)電路，電壓調(diào)節(jié)電路輸出穩(wěn)定的電壓供后續(xù)電路工作。為實(shí)現(xiàn)生物體植入關(guān)節(jié)雙向數(shù)字無線壓力監(jiān)視系統(tǒng)的提供了有效的供電方式。
權(quán)利要求
1.植入關(guān)節(jié)內(nèi)壓電陶瓷間歇供電裝置，其特征在于，該供電裝置包括以下四個(gè)部分(1)壓電陶瓷裝置，置于植入關(guān)節(jié)內(nèi)，包括3個(gè)壓電陶瓷元件，它們一方面在壓力條件下產(chǎn)生電流，另一方面它們還作為壓力傳感器，傳輸壓力數(shù)據(jù)；壓電陶瓷元件的三個(gè)輸出端和下面整流電路裝置的三個(gè)輸入端相連；(2)整流電路裝置，用于將壓電陶瓷元件在壓力條件下產(chǎn)生的電流進(jìn)行整流；整流電路裝置包括三個(gè)二極管橋整流電路，分別為輸入的每路電流進(jìn)行整流，將交流電轉(zhuǎn)換為直流電；整流電路裝置的輸出端接能量存儲電路裝置的輸入端；(3)能量存儲電路裝置，用于存儲電能，通過能量存儲電路裝置的充電過程和放電過程為后續(xù)電路供電；能量存儲電路裝置的輸出端和電壓調(diào)節(jié)器的輸入端相連；(4)電壓調(diào)節(jié)器，用于調(diào)節(jié)輸入電壓輸出穩(wěn)定電壓為負(fù)載供電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的植入關(guān)節(jié)內(nèi)壓電陶瓷間歇供電裝置，其特征在于，所述能量存儲電路裝置為一個(gè)大容量的電解電容。
全文摘要
一種植入關(guān)節(jié)內(nèi)壓電陶瓷間歇供電裝置，尤其涉及壓電陶瓷供電電路設(shè)計(jì)和低功耗電壓調(diào)節(jié)電路設(shè)計(jì)，屬于醫(yī)用植入關(guān)節(jié)內(nèi)壓電陶瓷供電裝置技術(shù)領(lǐng)域。該供電裝置包括壓電陶瓷裝置、整流電路裝置、能量存儲電路裝置、電壓調(diào)節(jié)器，利用壓電陶瓷在壓力情況下產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換為電能的技術(shù)，壓電陶瓷受壓時(shí)產(chǎn)生的電流經(jīng)過整流電路后將能量存儲到能量存儲電路中，儲能電容提供電壓給電壓調(diào)節(jié)電路，電壓調(diào)節(jié)電路輸出穩(wěn)定的電壓供后續(xù)電路工作。由于位于植入關(guān)節(jié)內(nèi)的壓電陶瓷裝置受壓時(shí)間是不連續(xù)的，所以裝置供電方式也是間歇式的。為實(shí)現(xiàn)生物體植入關(guān)節(jié)雙向數(shù)字無線壓力監(jiān)視系統(tǒng)提供了有效的供電方式。
文檔編號H01L41/08GK1806777SQ200510130630
公開日2006年7月26日 申請日期2005年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月16日
發(fā)明者陳虹, 王志華 申請人:清華大學(xué)