心臟發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型提供一種心臟發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，包括：發(fā)電主體，輸出部，固定部以及封裝層。其中，發(fā)電主體為多層薄膜結(jié)構(gòu)，包括位于發(fā)電主體中心的壓電材料層，以及位于壓電材料層兩側(cè)的電極層，發(fā)電主體通過(guò)貼附于心臟表面以采集心臟能量用于產(chǎn)生電能。固定部位于發(fā)電主體的邊緣，用于將發(fā)電主體固定于心外膜。封裝層覆蓋于發(fā)電主體、輸出部以及固定部的表面。輸出部與電極層相連接，用于將發(fā)電主體產(chǎn)生的電能輸送給植入式電子設(shè)備。本實(shí)用新型的心臟納米發(fā)電系統(tǒng)只要心臟跳動(dòng)即可持續(xù)產(chǎn)生電能，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)植入式電子設(shè)備的持續(xù)供電，免去了使用電池作為電源的必要，解決了電池能量耗竭后需要手術(shù)更換電池的問(wèn)題。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及一種心臟發(fā)電系統(tǒng)，屬于醫(yī)療器械領(lǐng)域。 心臟發(fā)電系統(tǒng)

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的疾病可以通過(guò)體內(nèi)植入式的醫(yī)學(xué)電子設(shè)備進(jìn)行 治療。然而截止目前，投入臨床應(yīng)用的醫(yī)學(xué)電子設(shè)備都需要電池作為電能的來(lái)源。對(duì)于體 內(nèi)植入式的醫(yī)學(xué)電子設(shè)備而言，一旦電池能量耗竭，就需要通過(guò)外科手術(shù)的方式更換電池。 這既會(huì)給患者造成生理和精神上的痛苦，也會(huì)增加患者及其家庭的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。
[0003] 在人體內(nèi)部，心臟的收縮運(yùn)動(dòng)和血液的流動(dòng)都具有穩(wěn)定和不間斷的動(dòng)能。如果能 夠采集其中一小部分動(dòng)能并轉(zhuǎn)化為電能，將有望為各種植入式電子設(shè)備供電。
[0004] 然而，由于心臟是人體的"發(fā)動(dòng)機(jī)"，不恰當(dāng)?shù)牟杉呐K動(dòng)能必然會(huì)影響心臟的功 能，甚至導(dǎo)致心臟損傷。此外，傳統(tǒng)的基于法拉第定律的電磁感應(yīng)式發(fā)電機(jī)體積較大、結(jié)構(gòu) 復(fù)雜，不適合體內(nèi)植入。 實(shí)用新型內(nèi)容
[0005] 為解決上述問(wèn)題，本實(shí)用新型提供一種植入生物體內(nèi)的心臟發(fā)電系統(tǒng)，用于為植 入式電子設(shè)備供電，其特征在于，包括：發(fā)電主體、調(diào)節(jié)端、輸出部以及封裝層。
[0006] 其中，發(fā)電主體通過(guò)采集主動(dòng)脈的擴(kuò)張時(shí)所產(chǎn)生的機(jī)械能而間接利用心臟搏動(dòng)產(chǎn) 生的能量，并將其轉(zhuǎn)化為電能。發(fā)電主體為多層薄膜結(jié)構(gòu)，包括位于中心層的壓電材料層， 以及分別位于壓電材料層兩側(cè)的第一電極層和第二電極層。封裝層覆蓋于發(fā)電主體、調(diào)節(jié) 端以及輸出部的表面，以生物相容性好的柔性高分子絕緣材料作為封裝材料。調(diào)節(jié)端位于 發(fā)電主體的兩端，用于調(diào)節(jié)發(fā)電主體的長(zhǎng)度。輸出部用于將電能輸送給植入式電子設(shè)備。
[0007] 另外，本實(shí)用新型的心臟發(fā)電系統(tǒng)還可以具有這樣的特征：其中，壓電材料層含有 納米級(jí)壓電材料，納米級(jí)壓電材料為壓電晶體、壓電陶瓷和有機(jī)壓電聚合物中的任意一種。
[0008] 另外，本實(shí)用新型的心臟發(fā)電系統(tǒng)還可以具有這樣的特征：其中，壓電晶體、壓電 陶瓷、有機(jī)壓電聚合物為納米線陣列的單層或多層結(jié)構(gòu)。
[0009] 另外，本實(shí)用新型的心臟發(fā)電系統(tǒng)還可以具有這樣的特征：包括電能存儲(chǔ)部，用于 存儲(chǔ)來(lái)自輸出部的電能。
[0010]另外，本實(shí)用新型的心臟發(fā)電系統(tǒng)還可以具有這樣的特征：其中，電能存儲(chǔ)部為微 型可充電電池或電容。
[0011]另外，本實(shí)用新型的心臟發(fā)電系統(tǒng)還可以具有這樣的特征：其中，輸出部包括整流 電路和輸出電極，整流電路連接于電能存儲(chǔ)部和輸出電極之間。
[0012] 另外，本實(shí)用新型的心臟發(fā)電系統(tǒng)還可以具有這樣的特征：其中，調(diào)節(jié)端的固定方 式為手術(shù)縫合、鈦夾鉗合以及粘合劑粘合中的任意一種。
[0013] 另外，本實(shí)用新型的心臟發(fā)電系統(tǒng)還可以具有這樣的特征：其中，調(diào)節(jié)端的一端為 單排的卡齒，該卡齒的尖端平滑且面向發(fā)電主體的外側(cè)，調(diào)節(jié)端的另一端為卡槽，卡槽的內(nèi) 部一側(cè)具有與卡齒相配合的齒槽，另一側(cè)為平面，卡齒與卡槽相卡合。
[0014] 另外，本實(shí)用新型的心臟發(fā)電系統(tǒng)還可以具有這樣的特征：其中，植入式電子裝置 為心臟起搏器、心臟復(fù)律除顫器、腦起搏器、喉起搏器、膀胱起搏器、電子耳蝸、電子視網(wǎng)膜、 胰島素泵、血糖監(jiān)測(cè)儀中的任意一種或幾種。
[0015] 另外，本實(shí)用新型的心臟發(fā)電系統(tǒng)還可以具有這樣的特征：其中，心臟發(fā)電系統(tǒng)對(duì) 主動(dòng)脈的壓力小于140mmHg。
[0016] 實(shí)用新型作用與效果
[0017] 本實(shí)用新型的心臟發(fā)電系統(tǒng)通過(guò)采集主動(dòng)脈擴(kuò)張時(shí)所產(chǎn)生的機(jī)械能而間接利用 心臟搏動(dòng)產(chǎn)生的能量，并將其轉(zhuǎn)化為電能。
[0018] 由于本實(shí)用新型采用納米級(jí)壓電材料作為發(fā)電主體，不僅可以有效地將生物體內(nèi) 的能量轉(zhuǎn)化為電能，而且體積微小，更適合體內(nèi)植入。
[0019] 由于心臟搏動(dòng)能夠產(chǎn)生穩(wěn)定和不間斷的能量，因此在植入本發(fā)電系統(tǒng)后，只要心 臟跳動(dòng)即可持續(xù)產(chǎn)生電能，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)植入式電子設(shè)備的持續(xù)供電，免去了使用電池作為 電源的必要，解決了電池能量耗竭后需要手術(shù)更換電池的問(wèn)題。
[0020] 由于本實(shí)用新型采用了柔軟的環(huán)形結(jié)構(gòu)包繞于主動(dòng)脈的外壁，且能夠定量控制本 系統(tǒng)對(duì)主動(dòng)脈的壓力，因此既可以高效、充分的采集主動(dòng)脈擴(kuò)張時(shí)所產(chǎn)生的機(jī)械能，又不會(huì) 對(duì)心臟功能產(chǎn)生明顯影響。
[0021] 此外，由于本實(shí)用新型采用生物相容性好的柔性高分子絕緣材料封裝，因此既能 將發(fā)電系統(tǒng)與體內(nèi)環(huán)境隔離，還可將主動(dòng)脈壁形變產(chǎn)生的壓力有效的傳導(dǎo)至壓電材料。
[0022] 此外，利用發(fā)電主體兩端的調(diào)節(jié)端可調(diào)整心臟發(fā)電系統(tǒng)包繞主動(dòng)脈的緊張度，從 而可調(diào)節(jié)壓電材料的形變程度及輸出電量。又由于調(diào)節(jié)端內(nèi)不含壓電材料及電極層，因此 使用手術(shù)縫線或鈦夾固定時(shí)不會(huì)損壞心臟發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。
[0023] 并且，由于本實(shí)用新型的心臟發(fā)電系統(tǒng)位于主動(dòng)脈外部，不與血液直接接觸，因而 不存在血栓形成以及中風(fēng)(心肌梗塞或腦梗塞）的風(fēng)險(xiǎn)。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0024] 圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例一的心臟發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025] 圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例一的心臟發(fā)電系統(tǒng)的截面圖；
[0026] 圖3是圖2中實(shí)施例一的心臟發(fā)電系統(tǒng)A區(qū)域的局部放大圖；
[0027] 圖4是本實(shí)用新型實(shí)施例一的心臟發(fā)電系統(tǒng)的使用狀態(tài)示意圖；
[0028] 圖5是本實(shí)用新型實(shí)施例一的心臟發(fā)電系統(tǒng)包繞主動(dòng)脈的截面圖；
[0029] 圖6是本實(shí)用新型實(shí)施例四的心臟發(fā)電系統(tǒng)的調(diào)節(jié)端為卡齒結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0030] 圖7是本實(shí)用新型實(shí)施例一的電路圖。

【具體實(shí)施方式】
[0031] 以下結(jié)合【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】本實(shí)用新型的【具體實(shí)施方式】：
[0032] 〈實(shí)施例一〉
[0033] 圖1是本實(shí)用新型的心臟發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是本實(shí)用新型的心臟發(fā)電 系統(tǒng)的截面圖，圖3是圖2中的心臟發(fā)電系統(tǒng)A區(qū)域的局部放大圖。如圖1、圖2和圖3所 示，心臟發(fā)電系統(tǒng)10包括發(fā)電主體11，調(diào)節(jié)端12和輸出電極13。其中，發(fā)電主體11為多 層薄膜結(jié)構(gòu)，包括位于主體中心層的壓電材料層14,以及分別位于壓電材料層14兩側(cè)的第 一電極層15和第二電極層16。封裝層17為具有生物相容性的柔性高分子絕緣材料，覆蓋 于發(fā)電主體11以及輸出電極13的表面，封裝層17向發(fā)電主體11的外側(cè)延伸形成兩側(cè)各 一個(gè)調(diào)節(jié)端12。
[0034] 位于發(fā)電主體中心層的壓電材料層14,通過(guò)大規(guī)模的并聯(lián)設(shè)計(jì)，可以將壓電材料 納米線單體的電壓疊加，從而進(jìn)一步提高輸出電壓。第一電極層15和第二電極層16采用 金或銀等導(dǎo)電率高的薄層材料制成，與壓電材料層14相連接。
[0035] 發(fā)電主體11在自然狀態(tài)下為彎曲的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，且其薄膜結(jié)構(gòu)具有良好的彈性，因 此能夠柔順的包繞主動(dòng)脈。
[0036] 在體內(nèi)植入時(shí)，可以通過(guò)外科手術(shù)的方法將心臟發(fā)電系統(tǒng)10植入到主動(dòng)脈43周 圍并包繞主動(dòng)脈。再通過(guò)調(diào)整調(diào)節(jié)端12使得發(fā)電主體11與主動(dòng)脈的外壁緊密貼合，以采 集主動(dòng)脈形變所產(chǎn)生的能量。
[0037] 對(duì)主動(dòng)脈的過(guò)度壓迫可能會(huì)增加心臟的工作負(fù)荷，因此可以在發(fā)電主體與主動(dòng)脈 壁之間臨時(shí)放置壓力傳感器以測(cè)定心臟發(fā)電系統(tǒng)10對(duì)主動(dòng)脈的壓力，避免其對(duì)心臟產(chǎn)生 不良的影響。
[0038] 由于調(diào)節(jié)端12的內(nèi)部不含有壓電材料層和電極層，因此當(dāng)使用手術(shù)縫線或鈦夾 將調(diào)節(jié)端12的兩側(cè)閉合時(shí)，不會(huì)對(duì)發(fā)電主體11造成損害。
[0039] 圖4是本實(shí)用新型的使用狀態(tài)示意圖，圖5是本實(shí)用新型的心臟發(fā)電系統(tǒng)10包繞 主動(dòng)脈的截面圖。
[0040] 以下結(jié)合附圖4、5來(lái)說(shuō)明本實(shí)用新型的工作過(guò)程。如圖4和圖5所示，心臟發(fā)電 系統(tǒng)10環(huán)繞于主動(dòng)脈43。當(dāng)心臟41收縮時(shí)，血流的沖擊使主動(dòng)脈43發(fā)生擴(kuò)張，如圖5所 示，主動(dòng)脈壁45會(huì)產(chǎn)生一個(gè)對(duì)發(fā)電主體的壓力F，使壓電材料層14發(fā)生形變，從而在其兩端 形成電勢(shì)差并產(chǎn)生電流，電流通過(guò)第一電極層15和第二電極層16傳導(dǎo)至輸出電極13,再通 過(guò)整流電路18后進(jìn)入電能存儲(chǔ)部42。
[0041] 圖7是本實(shí)用新型實(shí)施例一的電路圖。如圖7所示，發(fā)電主體11與整流濾波電路 18相連接，發(fā)電主體11產(chǎn)生的電能經(jīng)過(guò)整流濾波電路18后對(duì)電能存儲(chǔ)單元42進(jìn)行充電， 電能存儲(chǔ)單元42可用于為用電器即各種植入式電子設(shè)備進(jìn)行供電。植入式的電子設(shè)備可 以是心臟起搏器、心臟復(fù)律除顫器、腦起搏器、喉起搏器、膀胱起搏器、電子耳蝸、電子視網(wǎng) 膜、胰島素泵、血糖監(jiān)測(cè)儀中的任意一種或幾種。
[0042] 〈實(shí)施例二〉
[0043] 在本實(shí)施例中，發(fā)電主體的形狀以及調(diào)節(jié)端的設(shè)置與實(shí)施例一相同，區(qū)別之處在 于本實(shí)施例中，主體中心層的發(fā)電層采用納米級(jí)壓電陶瓷材料。
[0044] 在植入過(guò)程中，將一個(gè)壓力傳感器置于發(fā)電主體11與主動(dòng)脈壁之間檢測(cè)實(shí)時(shí)壓 力，以確保發(fā)電主體11對(duì)主動(dòng)脈壁的壓力小于140mmHg。
[0045] 另外一個(gè)區(qū)別之處在于，本實(shí)施例中調(diào)節(jié)端12采用鈦夾固定。
[0046] 〈實(shí)施例三〉
[0047] 在本實(shí)施例中，發(fā)電主體的形狀以及調(diào)節(jié)端的設(shè)置與實(shí)施例一相同，區(qū)別之處在 于本實(shí)施例中，主體中心層的壓電材料層采用壓電聚合物，并且調(diào)節(jié)端采用粘合劑粘合的 方式進(jìn)行固定。
[0048] 〈實(shí)施例四〉
[0049] 在本實(shí)施例中，發(fā)電主體的形狀以及調(diào)節(jié)端的設(shè)置與實(shí)施例一相同，區(qū)別之處在 于本實(shí)施例中，調(diào)節(jié)端采用卡齒的結(jié)構(gòu)，如圖6所示，調(diào)節(jié)端23的一端為單排的卡齒，齒尖 平滑且面向發(fā)電主體的外側(cè)，調(diào)節(jié)端23的另一端為卡槽，卡槽的內(nèi)部一側(cè)具有與卡齒相配 合的齒槽，另一側(cè)為平面。在植入時(shí)，緩慢的將卡齒插入卡槽，同時(shí)使用壓力傳感器檢測(cè)發(fā) 電主體對(duì)主動(dòng)脈壁的壓力，緩慢收緊卡齒，直至該壓力達(dá)到120mmHg至140mmHg。
[0050] 當(dāng)然本實(shí)用新型的心臟發(fā)電系統(tǒng)并不限于以上實(shí)施例中所描述的設(shè)計(jì)，其壓電材 料層、電極層以及封裝層均可以采用各種現(xiàn)有的適宜材料制成。本實(shí)用新型的心臟發(fā)電系 統(tǒng)除了可用于人體外，也可以用于哺乳動(dòng)物，為植入哺乳動(dòng)物體內(nèi)的電子設(shè)備提供電能。
【權(quán)利要求】
1. 一種可植入生物體內(nèi)的心臟發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，包括： 發(fā)電主體、調(diào)節(jié)端、輸出部以及封裝層， 其中，所述發(fā)電主體用于環(huán)繞主動(dòng)脈，以間接采集心臟搏動(dòng)所產(chǎn)生的機(jī)械能，并轉(zhuǎn)化為 電能。所述發(fā)電主體為多層薄膜結(jié)構(gòu)，包括位于中心層的壓電材料層，以及分別位于所述壓 電材料層兩側(cè)的第一電極層和第二電極層； 所述調(diào)節(jié)端位于所述發(fā)電主體的兩端，用于調(diào)節(jié)所述發(fā)電主體的長(zhǎng)度； 所述輸出部用于將所述電能輸送給植入式電子設(shè)備； 所述封裝層覆蓋于所述發(fā)電主體、所述調(diào)節(jié)端以及所述輸出部的表面。
2. 如權(quán)利要求1所述的心臟發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于： 其中，所述輸出部包括整流濾波電路和輸出電極，所述整流濾波電路連接于所述電能 存儲(chǔ)部和所述輸出電極之間。
3. 如權(quán)利要求1所述的心臟發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，還包括： 電能存儲(chǔ)部，與所述輸出部相連接，用于存儲(chǔ)來(lái)自所述輸出電極的電能。
4. 如權(quán)利要求4所述的心臟發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于： 其中，所述電能存儲(chǔ)部為微型可充電電池或電容。
5. 如權(quán)利要求1所述的心臟發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于： 其中，所述調(diào)節(jié)端的固定方式使用手術(shù)縫合、鈦夾鉗合以及粘合劑粘合中的任意一種。
6. 如權(quán)利要求1所述的心臟發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于： 其中，所述調(diào)節(jié)端的一端為單排的卡齒，該卡齒的尖端平滑且面向發(fā)電主體的外側(cè)，所 述調(diào)節(jié)端的另一端為卡槽，卡槽的內(nèi)部一側(cè)具有與所述卡齒相配合的齒槽，另一側(cè)為平面， 所述卡齒與所述卡槽相卡合。
7. 如權(quán)利要求1所述的心臟發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于： 其中，所述封裝層以生物相容性好的柔性高分子絕緣材料作為封裝材料。
8. 如權(quán)利要求1所述的心臟發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于： 其中，所述植入式電子設(shè)備為心臟起搏器、心臟復(fù)律除顫器、腦起搏器、喉起搏器、膀胱 起搏器、電子耳蝸、電子視網(wǎng)膜、胰島素泵、血糖監(jiān)測(cè)儀中的任意一種或幾種。
9. 如權(quán)利要求1所述的心臟發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于： 其中，所述心臟發(fā)電系統(tǒng)對(duì)主動(dòng)脈的壓力小于140mmHg。
【文檔編號(hào)】H02N2/18GK203886012SQ201420194430
【公開(kāi)日】2014年10月22日 申請(qǐng)日期:2014年4月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月26日
【發(fā)明者】張 浩, 曲丹 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍第二軍醫(yī)大學(xué)