Brevet FR2785092A1 — publié le 20000428

DESCRIPTION Pile zinc-air améliorée et ses utilisations DOMAINE DE L'INVENTION L'inventions concerne les champs d'application des sources d'énergie portables à haute densité et des petites piles capables de hauts débits. Elle concerne également des systèmes d'implants cochléaires et la stimulation électrique fonctionnelle (FES), les stimulateurs électriques et les stimulateurs de muscles et nerfs (stiumlateurs neuromusculaires). ARRIERE-PLAN DE L'INVENTION Certains types de stimulateurs tissulaires, tels que les stimulateurs cardiaques, ont un faible coefficient d'utilisation et consomment relativement peu de puissance durant un intervalle de temps donné, d'une heure par exemple. D'un autre coté, d'autres types de stimulateurs biologiques ont un coefficient d'utilisation plus élevé et peuvent donc consommer une puissance relativement élevée. De tels stimulateurs de haute puissance comprennent, par exemple, une classe d'implants cochléaires ainsi que des stimulateurs électriques pour les muscles et pour les nerfs, comme dans le cas de stimulateurs électriques pour des muscles dont les extrémités nerveuses sont inopérantes suite à un trauma ou des maladies dégénératives, ou pour des nerfs qui peuvent ne pas recevoir d'inputs synaptiques normaux des autres nerfs s'y raccordant normalement en raison de perte ou de déconnexion (par exemple sectionnement de ces autres nerfs). Par exemple, les nerfs de la colonne vertébrale peuvent tre sectionnés en un certain point et la restauration de la fonction en dessous de la zone de sectionnement peut tre activée avec des stimulateurs électriques de haute puissance. Ces fonctions peuvent inclure la fonction gastro-intestinale inférieure (GI), les fonctions urinaires, les fonctions sexuelles et les mouvements de la marche et des mouvements des membres, toutes pouvant tre desservies par des stimulateurs électriques fonctionnels (FES) ou autres stimulateurs neuromusculaires. Les sources de piles primaires actuelles ont tendance à ne pas présenter une densité énergétique suffisante ou, si elles ont une densité énergétique suffisante, à tre trop coûteuses ou trop volumineuses pour tre d'utilité réelle comme pile primaire pour une utilisation ou un système quelconque ci-dessus. Par conséquent : il y a un besoin réel, non couvert, de tels systèmes et d'une telle unité d'alimentation. Une quantité élevée d'énergie stockée dans un faible espace est un appareil à haute densité énergétique. Un tel appareil peut potentiellement fournir une quantité élevée d'énergie par unité de temps (puissance) avant d'tre épuisé. L'état actuel de la technique s'écarte de cette pile primaire à densité énergétique élevée, relativement bon marché et des systèmes qui l'utilisent et s'orientent vers des piles rechargeables à densité énergétique relativement faible. RESUME DE L'INVENTION La présente invention aborde le problème cidessus et d'autres besoins en procurant une pile primaire pour utilisation dans les systèmes ci-dessus, qui est de forme prismatique, de faible taille et de prix de revient peu élevé. Suivant un aspect, l'invention procure un procédé pour augmenter le flux d'air vers une pile zincair de telle manière que la densité énergétique soit de 500 mWh/cm3 à 1000 mWh/cm. Ceci permet ainsi d'utiliser la pile pendant approximativement 8 à 16 heures comme pile primaire (jetable) avec, par exemple, des implants cochléaires et des stimulateurs neurologiques à puissance élevée, à coefficient de fonctionnement élevé, pour les nerfs, les muscles et pour les nerfs et les muscles simultanément. Suivant un autre aspect de l'invention, il est procuré des systèmes médicaux de stimulation et des procédés incorporant une source d'énergie à haute densité, par exemple une pile zinc-air ayant un flux d'air augmenté. Dès lors, de manière avantageuse, du fait de la forme prismatique réduite et de la petite taille de la source d'énergie, de tels systèmes peuvent tre abrités dans un espace beaucoup plus compact et plus utile que ce qui a été possible jusqu'à présent. De plus, du fait du coût de la source d'énergie, ils représentent une pile primaire jetable peu coûteuse, c'est-à-dire de quelque $ 1,00 par jour, qui peut tre utilisée dans des systèmes visant à aider les gens à entendre à nouveau, marcher à nouveau et récupérer des fonctions corporelles qu'ils pourraient sinon avoir perdues de manière permanente. Une forme de réalisation de l'invention peut tre caractérisée par une petite pile à haute densité ayant une forme parallélépipédique aux dimensions d'environ 8 mm d'épaisseur sur 20 mm de longueur et 17 mm de largeur. Une telle forme prismatique de petite taille permet de la loger à coulissement dans un composant externe, porté derrière l'oreille, de traitement de la parole d'un système d'implant cochléaire pour fournir une puissance énergétique de 200 mW à 10 000 mW. Donc, alors que les systèmes d'implants cochléaires existants utilisent des piles et des processeurs de la parole portés à la ceinture, le système de la présente invention avec sa nouvelle source d'énergie à haute densité permet de se passer des piles et des processeurs de la parole portés à la ceinture et de les remplacer par une unité légère portée derrière l'oreille (BTE). Le boîtier de la source d'énergie à haute densité comprend un plastique non réactif ou autre matériau non réactif, qui comporte de petits trous. Ou il est en tout ou partie perméable à l'air, laissant entrer un flux d'air suffisant, de sorte que l'air puisse réagir avec le zinc dans la configuration de pile zinc-air afin de produire la puissance désirée. Une caractéristique d'une pile zinc-air est que l'énergie produite par la pile provient d'une réaction entre l'oxygène de l'air et le zinc. De plus, la quantité d'énergie produite est en grande partie fonction de la quantité d'air circulant vers l'électrode d'air de la pile. Les piles de type"bouton"de type zinc-air ont de manière désavantageuse une impédance série équivalente élevée. Afin d'obtenir un courant et une puissance plus élevés et une impédance plus faible de ces piles, une taille plus grande est nécessaire. L'état antérieur de la technique va vers une faible taille, parce que le débit d'air requis pour une pile plus petite est plus facilement réalisé, tandis que le boîtier d'une pile plus grande rend impossible de fournir l'air requis. La présente invention surmonte avantageusement ces difficultés et procure une pile à impédance plus faible dans une petite enveloppe prismatique ayant une densité énergétique plus élevée que ce qui a été réalisé jusqu'à présent. Donc, avec l'invention décrite dans ce document, un tout nouveau domaine est ouvert pour la stimulation neuromusculaire ainsi que pour les implants cochléaires, requérant une source d'énergie de petite taille, à haute densité. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS Ce qui précède et d'autres caractéristiques de l'invention seront plus apparents à l'aide de la description détaillée suivante, dans laquelle : la figure la est une pile primaire zinc-air à haute densité énergétique à boîtier permanent ; la figure lb montre un composant d'implant cochléaire porté derrière l'oreille (BTE) avec logement accueillant une pile ; la figure lc montre une forme de réalisation différente d'une pile primaire zinc-air à haute densité énergétique avec boîtier perméable ; la figure ld montre une autre forme de réalisation du composant d'implant cochléaire porté derrière l'oreille avec une variante de support de pile ; la figure le montre une autre forme de réalisation d'une pile primaire zinc-air à haute densité énergétique avec boîtier perméable ; la figure If montre une autre forme de réalisation du composant d'implant cochléaire porté derrière l'oreille avec une variante différente de support de pile ; la figure 2a montre un boîtier perméable qui utilise de petits trous ; la figure 2b montre un boîtier perméable fabriqué dans un matériau perméable qui recouvre les trous ; la figure 2c montre un boîtier perméable ayant des conduits à air internes avec des petits trous ; la figure 2d montre un autre type de boîtier perméable utilisant des conduits à air internes avec un matériau perméable ; la figure 3a montre la plage de dimensions d'une pile zinc-air pour utilisation dans des systèmes d'implant cochléaire ; la figure 3b montre de manière similaire une plage additionnelle de dimensions d'une pile zinc-air pour utilisation dans des systèmes d'implant cochléaire ; la figure 4 illustre plusieurs systèmes de piles primaires jetables de faible poids à haute densité énergétique pour l'alimentation de stimulateurs neuraux, de stimulateurs musculaires, de stimulateurs neuromusculaires et de stimulateurs de tissus vivants ; la figure 5a illustre des détails d'un support de pile pour système d'implant cochléaire porté derrière l'oreille, montrant les entretoises qui facilitent la circulation de l'air à l'intérieur de la pile, et de son boîtier perméable ; la figure 5b montre de manière similaire les détails d'un support de pile pour système d'implant cochléaire porté derrière l'oreille, avec des entretoises clavetées qui facilitent la circulation de l'air vers la pile, et la figure 5c illustre des détails d'un support de pile à surface perméable pour utilisation avec le système d'implant cochléaire porté derrière l'oreille, facilitant la circulation de l'air vers la pile. DESCRIPTION DETAILLEE DES FORMES DE REALISATION PREFEREES La description suivante est celle du procédé considéré actuellement comme le meilleur pour réaliser l'invention. Cette description ne doit pas tre prise dans un sens limitatif, mais est simplement faite dans le but de décrire les principes généraux de l'invention. La portée de l'invention devrait tre déterminée avec référence aux revendications. A la figure la, la pile zinc-air (11) peut tre glissée dans un réceptacle de pile (13), par exemple, comme à la figure lb, d'une unité portée derrière l'oreille d'un système d'implant cochléaire (12). Comme le montre la figure lc, dans une autre forme de réalisation, la pile zinc-air (111) coulisse à l'intérieur du support de pile de la partie portée derrière l'oreille (112) du système d'implant cochléaire, comme à la figure ld. Les contacts électriques (113) de l'unité portée derrière l'oreille (112) s'accouplent par simple pression de ressort avec les points de contact correspondants sur la pile zinc-air (111), qui ne sont pas montrés. Une troisième forme de réalisation est montrée à la figure le, la pile zinc-air (111) s'accouplant par coulissement avec le boîtier de support de pile (114) porté derrière l'oreille, comme montré à la figure lf. Le boîtier de pile (1114) possède de larges ouvertures d'air (1112) ainsi que des contacts électriques à ressort (113), qui contactent des contacts électriques correspondants sur la pile (1111). La pile zinc-air utilise l'oxygène de l'air comme première électrode et un métal consommable, le zinc, comme deuxième électrode. La réaction électrochimique est assistée par un électrolyte approprié. Un avantage majeur de la pile zinc-air est que le poids et le volume de la pile sont fortement réduits, parce qu'une électrode est consommable, l'air ambiant, qu'une quantité d'un deuxième métal correspondant à celui de la première électrode ne doit pas tre inclus. Cependant, pour amener l'air à la réaction électrochimique, il faut prévoir la possibilité pour l'air d'arriver à la pile, par exemple on doit prévoir des trous formés par attaque chimique, une membrane perméable et des conduits à air ou similaires. Dans la plage de poids, de taille et de puissance des piles zinc-air envisagées pour la présente invention, on doit prévoir une entrée d'air plus importante que pour une simple pile bouton. A savoir, un simple trou ne suffira pas pour fournir le transport de l'air nécessaire. D'un autre côté, un système de gestion de l'air avec des ventilateurs et éventuellement des refroidisseurs et des réchauffeurs et des dessiccateurs et/ou humidificateurs serait de coût, de taille et de poids prohibitifs pour les piles dans la présente invention, mais conviendrait dans le cas de quelques piles zinc-air plus grandes. Une forme de réalisation montrée à la figure 2 utilise de petits trous (21) dans un boîtier rigide (22) pour permettre et faciliter le transport par diffusion de l'air vers l'unité pile zinc-air en quantité suffisante. La quantité suffisante est telle qu'une pile zinc-air des tailles (31), (32) montrées aux figures 3a et 3b fonctionne dans la plage de puissance requise. Les tailles quantitatives sont discutées dans le troisième paragraphe ci-dessous, en conjonction avec la figure 3a et la figure 3b. Une autre forme de réalisation (figure 2b) utilise une membrane perméable (23) supportée par un cadre rigide ou un boîtier avec une enveloppe dans laquelle des zones sont découpées (24). Une autre forme de réalisation (figure 2c) montre de petits tuyaux (25) connectés par le boîtier (26) à l'air extérieur. Ces petits tuyaux (25) ont des petits trous (27) le long de leurs longueurs dans la partie des tuyaux qui est à l'intérieur de la pile afin de permettre à l'air de diffuser vers plus d'endroits à l'intérieur du boîtier de la pile (26). Une autre forme de réalisation (figure 2d) utilise une ou plusieurs membranes perméables (28) sur des zones ouvertes dans les petits tuyaux (25) afin de permettre le transport de l'air. Dans toutes les formes de réalisation de cette invention, on prend soin d'éviter que l'électrolyte, typiquement corrosif, tel que du chlorure d'ammonium, de l'hydroxyde de potassium ou du chlorure de manganèse neutre, puisse s'échapper. Toute fuite de l'électrolyte corrosif pourrait potentiellement blesser le patient. Dès lors, typiquement, de nombreux petits trous, forés par laser, sont utilisés, lesquels, en combinaison avec la tension de surface de l'électrolyte et un matériau de revtement hydrophobe tel que du noir de carbone, sont utilisés pour éviter la fuite de l'électrolyte. Une autre forme de réalisation utilise une membrane telle que du tétrafluoroéthylène (Du Pont TEFLON) pour permettre l'entrée de l'air, mais éviter la fuite de l'électrolyte. Une forme de réalisation (figure 3b) de l'invention est de forme parallélépipédique aux dimensions d'environ 6 mm (20%) d'épaisseur (36) sur 25 mm (20%) de longueur (37) et 17 mm (20%) de largeur (38), telle qu'elle puisse se loger à coulissement dans un composant externe porté derrière l'oreille de traitement de la parole d'un système d'implant cochléaire. Un exemple d'un stimulateur cochléaire pouvant tre implanté est décrit dans un brevet US n 5 603 726. Un exemple d'un type d'appareil porté derrière l'oreille est décrit dans le brevet US n 5 824022 (à publier le 20/10/1998). Les bornes positive (39) et négative (399) sont montrées. Une autre forme de réalisation (figure 3a) de l'invention est de forme parallélépipédique aux dimensions d'environ 6 mm (20%) d'épaisseur (31) sur 20 mm (20%) de longueur (32) et 10 mm (20%) de largeur (33). Les bornes positive (34) et négative (35) sont montrées. De nombreux implants cochléaires utilisent des piles et processeurs de la parole portés à la ceinture. La nouvelle source d'énergie à haute densité permet de se passer de ceux-ci et de les remplacer par une unité légère portée derrière l'oreille (BTE). La figure 5a montre des détails de la manière dont la pile et son boîtier sont situés dans le réceptacle de pile du système d'implant cochléaire porté derrière l'oreille. Le support de pile (51) utilise des entretoises (52) pour permettre à la pile zinc-air (53) d'tre entourée par des espaces d'air (54). Ces espaces d'air permettent à la surface perméable (55) de la pile zinc-air (53) d'avoir une alimentation suffisante en air. Un boîtier similaire est montré à la figure 5b, sauf que, ici, une ou plusieurs entretoises (56) sont clavetées de façon à placer correctement les bornes positive et négative de la pile zinc-air (53). Différentes structures de surface telles que (57) avec des perforations dans les couches intérieure et extérieure du réceptacle porté derrière l'oreille (51) accueillant la pile, avec un ensemble de déflecteurs (578), d'une structure (58) avec des perforations (577) et des ensembles de déflecteurs (578), d'une structure (59) avec perforations (577) et membrane perméable (5999). Pour les utilisations citées, les piles zinc-air possèdent typiquement une géométrie d'électrode plate. Dans ce cas, les trous pour l'air et les conduits à air sont disposés de façon à guider l'oxygène (de l'air) vers l'électrode d'air et à évacuer l'air qui est légèrement appauvri en oxygène après la réaction avec le zinc via l'électrolyte de la pile. Dans une autre forme de réalisation, les paires d'électrodes peuvent tre cylindriques ou planes par morceaux. Dans ces cas, les trous et/ou les conduits pour l'air sont disposés de façon à maximiser le transport de l'air vers et de l'électrode d'air. Une autre forme de réalisation utilise les petits tubes et tubules comme éléments mécaniques pour aider à empcher la dessiccation dans des conditions ambiantes sèches (approximativement en dessous de 40% d'humidité relative). De manière similaire, la mme structure mécanique est utilisée pour aider à éviter"l'engorgement" de l'électrolyte, trop d'eau dans l'électrolyte, lorsque les conditions ambiantes présentent une humidité élevée (approximativement au-dessus de 60% d'humidité relative). Les formes de réalisation de la membrane perméable peuvent également agir pour éviter la dessiccation et l'engorgement, ainsi que pour éviter le dioxyde de carbone et d'autres polluants, tels que la fumée de tabac, de pénétrer dans la pile et de diminuer son efficacité. L'invention est un procédé ainsi qu'un appareil pour augmenter le flux d'air à travers une pile zinc-air de telle façon que la densité énergétique soit d'approximativement 500 mWh/cm3 à 1000 mWh/cm3, permettant environ 8 à 16 heures d'utilisation comme pile primaire (jetable). Elle est conçue et convient particulièrement pour utilisation avec, par exemple, des implants cochléaires à consommation élevée, à coefficient de service élevé, et pour des stimulateurs neuromusculaires pour les nerfs, les muscles et les nerfs et les muscles simultanément. La figure 4 montre diverses utilisations de la présente invention. La ou les piles zinc-air (41) permettent le mouvement des membres et la locomotion par l'intermédiaire de stimulateurs neuromusculaires (42), des stimulateurs de colonne vertébrale (43) et peuvent permettre une utilisation plus efficace du composant porté derrière l'oreille de systèmes d'implant cochléaire (44). Les dimensions du système de pile zinc-air sont de 16 à 30 mm de hauteur, 8 à 20,4 mm de largeur et de 4,8 à 7,2 mm de profondeur. Pour une profondeur dans la plage mentionnée, les dimensions en largeur et en hauteur peuvent aller au-delà et en-deçà desdites valeurs maximales, comprenant en plus des dimensions qui maintiennent la puissance de la pile d'au moins 500 mWh par cm, comprenant en plus des dimensions qui ne requièrent pas un profil rectangulaire dans le plan hauteur-largeur. Les systèmes incorporant la source d'énergie à haute densité font également partie de l'invention, ainsi que l'appareil résultant du procédé. Les usages de cette pile primaire jetable peu coûteuse (approximativement au coût d'un dollar par jour) sont de nouvelles utilisations de la pile zinc-air modifiée et visent à aider les gens à entendre à nouveau, marcher à nouveau et récupérer des fonctions corporelles qu'ils auraient sinon perdues de manière permanente. Il est noté que, tandis que les piles zinc-air sont disponibles commercialement auprès de nombreuses sources, par exemple Electric Fuel, Ltd, Har Hotzvina Science Park, P. O. B. 23073, Jerusalem, 91230, Israël, la présente invention ne vise pas les piles zinc-air en soi. Plutôt, l'invention vise les systèmes zinc-air qui incluent une pile zinc-air dans un petit boîtier prismatique qui permet à une quantité d'air suffisante de pénétrer dans le boîtier de la pile, de façon à obtenir une puissance élevée à faible coût. Bien que l'invention ait été décrite au moyen de formes de réalisation et d'applications spécifiques de celle-ci, de nombreuses modifications et variantes pourraient tre apportées par les spécialistes de la technique sans sortir du cadre de l'invention telle que définie dans les revendications. REVENDICATIONS 1. Système de pile zinc-air comprenant une pile zinc-air avec un couvercle poreux. 2. Système suivant la revendication 1, dans lequel le couvercle poreux comprend en plus des petits trous. 3. Système suivant la revendication 1, dans lequel le couvercle poreux comprend en plus des membranes perméables. 4. Système suivant la revendication 1, dans lequel le couvercle poreux comprend en plus un réseau de petits tuyaux connectés à travers le couvercle extérieur, dans lequel lesdits tuyaux sont perforés le long de leurs longueurs par des petits trous. 5. Système suivant la revendication 1, dans lequel le couvercle poreux comprend en plus un réseau de petits tuyaux connectés à travers le couvercle extérieur, dans lequel lesdits tuyaux sont perforés le long de leurs longueurs par des ouvertures qui sont couvertes par une ou plusieurs membranes perméables. 6. Système suivant la revendication 1, comprenant en plus un composant d'implant cochléaire porté derrière l'oreille qui contient la pile précitée pour fournir une puissance énergétique de 200 mW à 10 000 mW à un composant cochléaire implanté. 7. Système suivant la revendication 6, dans lequel les dimensions du système de pile zinc-air sont de 16 à 30 mm de hauteur, 8 à 20,4 mm de largeur et de 4,8 à 7,2 mm de profondeur. 8. Procédé pour permettre et améliorer le flux d'air dans un système de pile zinc-air, comprenant l'étape de pourvoir ladite pile zinc-air d'un couvercle poreux. 9. Procédé suivant la revendication 8, comprenant l'étape de créer le couvercle poreux en y faisant des petits trous par perforation ou attaque chimique. 10. Procédé suivant la revendication 8, comprenant l'étape de créer le couvercle poreux en faisant des ouvertures dans le couvercle et en couvrant les ouvertures d'une membrane perméable. 11. Procédé suivant la revendication 8, comprenant les étapes de créer le couvercle poreux en raccordant un réseau de petits trous à travers le couvercle extérieur et de perforer lesdits tuyaux le long de leurs longueurs au moyen de petits trous. 12. Procédé suivant la revendication 8, comprenant l'étape de créer le couvercle poreux en raccordant un réseau de petits trous à travers le couvercle extérieur et de faire des petites ouvertures dans lesdits tuyaux le long de leurs longueurs et de couvrir les ouvertures de membranes perméables. 13. Procédé suivant la revendication 8, comprenant l'étape d'utiliser la pile zinc-air précitée logée dans un composant externe d'implant cochléaire porté derrière l'oreille pour fournir une puissance énergétique de 200 mW à 10 000 mW à un composant cochléaire implanté. 14. Procédé suivant la revendication 13, comprenant les étapes de fabrication de la pile zinc-air aux dimensions de 16 à 30 mm de hauteur, 8 à 20,4 mm de largeur et de 4,8 à 7,2 mm de profondeur. 15. Utilisation du système de pile zinc-air de la revendication 1 pour des stimulateurs de nerfs, de muscles, stimulateurs neuro-musculaires et de tissu vivants et stimulateurs électriques de fonctions, en particulier pour permettre à nouveau à des personnes ayant des nerfs endommagés ou sectionnés de marcher, de bouger les membres dans le cas où une telle fonctionnalité a été perdue.