ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СОКРАЩЕНИЙ СЕРДЦА В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ

Полезная модель относится к области медицины и предназначена для преобразования механических колебаний стенки сердца в электрическую энергию для питания имплантируемых устройств.
В качестве прототипа выбрано устройство полезной модели (Goto Н., Sugiurat A., Harada Y., Kazui Т. Feasibility of using the automatic generating system for quartz watches as a leadless pace-maker power source. Medical and biological engineering and computing. 1999; 37 (3): 377-380), аналогичное принципу функционирования полезной модели, основанное на стандартном механизме автоподзавода кварцевых часов, помещенном в полимерный корпус, подшиваемый к эпикарду сердца. Механизм содержит инерционный сектор радиусом 15 мм и массой около 6 г из вольфрама, повышающий редуктор с передаточным отношением 1:200, статор с многовитковой катушкой и магнитный ротор, при вращении которого в витках катушки индуцируется переменная электродвижущая сила (ЭДС). Нагрузкой катушки является полупроводниковый мостовой выпрямитель со сглаживающим конденсатором.
Недостатком аналога является установочный диаметр основания корпуса, равный 30 мм, что снижает сократимость сердца, поскольку естественная деформация эпикарда ограничивается площадью контакта корпуса.
Техническим результатом полезной модели является увеличение срока автономной работы имплантируемых устройств и снижение нагрузки на эпикард.
Технический результат достигается тем, что электромеханический преобразователь сокращений сердца в электрическую энергию имеет защитный герметичный корпус из титана, подшиваемый на эпикард, инерционную массу в виде сектора, закрепленного на оси вращения с возможностью совершать вынужденные колебания под действием приложенных внешних сил, вызванных перемещениями эпикарда, повышающий редуктор с закрепленным на его выходном валу магнитным ротором, индуцирующим в витках многовитковой катушки переменную ЭДС, и вращающийся в зазоре статор.
На фиг. 1 изображен электромеханический преобразователь сокращений сердца в электрическую энергию (вид сверху), где 1 - герметичный корпус, 2 - места крепления, 3 - инерционная масса в виде сектора, 4 - ось качения, 5 - повышающий редуктор, 6 - магнитный ротор, 7 - статор, 8 - многовитковая катушка, 9 - основание, 10 - умножитель напряжения.
Функционирование электромеханического преобразователя заключается в следующем. Электромеханический преобразователь устанавливается на эпикарде и подшивается в местах крепления 2. При сокращении сердца эпикард в месте крепления корпуса 1 преобразователя совершает механические колебания и передает амплитуду и частоту своих перемещений на инерционную массу 3. Прикрепленная к оси качения 4 инерционная масса совершает вынужденные колебания, отклоняясь на угол ω, зависящий от амплитуды и частоты перемещений эпикарда в процессе сокращения сердца, передавая вращение на повышающий редуктор 5. Магнитный ротор 6 из сплава неодим-железо-бор, закрепленный на выходном валу редуктора 5, синхронно поворачивается на угол nω, где n - передаточное отношение редуктора. При этом в витках катушки 8 статора 7 индуцируется переменная ЭДС, которая поступает на вход умножителя напряжения 10. По окончании фазы сокращения сердца сектор 3 продолжает совершать затухающие механические колебания, передавая вращающий момент на ротор 6. Оси вращения подвижных элементов преобразователя установлены на латунном основании 9.
В отличие от известного аналога в полезной модели преобразователя используется сектор 3 из вольфрама меньшего радиуса r, что дает возможность уменьшить массу и габариты преобразователя и улучшить его физиологичность. Для преодоления сектором 3 момента удержания J магнитного ротора 6 сектор на своей оси должен обеспечить крутящий момент не менее чем М=nJ, где n - передаточное отношение редуктора. Крутящий момент М определяется как М=[r×F] - произведение радиус-вектора r, проведенного от оси вращения к точке приложения силы F, на вектор этой силы F.
В полезной модели преобразователя реализован принцип уменьшения момента удержания магнитного ротора. Принцип снижения момента удержания и преобразования напряжения поясняется на фиг. 2, где 11 - выпрямитель, 12 - выводы катушки статора, 13 - умножитель и преобразователь напряжения, 14 - выход преобразователя напряжения, 15 - конденсатор, 16 - электронный коммутатор, 17 - генератор импульсов, 18 - вход синхроимпульса.
В момент начала сокращения сердца, который определяется по поступлению на вход преобразователя синхроимпульса 18, генератор импульсов 17 формирует кратковременный импульс тока, который поступает на выводы 12 катушки статора. При этом направление поворота ротора 6 совпадает с направлением его дальнейшего вращения под действием вращающего момента сектора 3. Переменная ЭДС с выводов 12 катушки поступает на вход выпрямителя напряжения 11. После выпрямления напряжение поступает на вход умножителя и преобразователя напряжения 13, выход которого соединен с накопительным конденсатором 15. При превышении напряжения на конденсаторе напряжения питания электронный коммутатор 16 подключает к конденсатору 15 внешнюю нагрузку. При снижении напряжения на конденсаторе 15 ниже определенного порога коммутатор 16 отключает конденсатор от нагрузки, и процесс заряда емкости повторяется.
Работоспособность полезной модели проверена с использованием стенда имитации кинематической активности эпикарда, показанного на фиг. 3, где 19 - механизм преобразователя без корпуса, 20 - эталонный акселерометр, 21 - подвижная платформа. Механизм преобразователя 19 без корпуса установлен на подвижную платформу 21 стенда имитации кинематической активности эпикарда. Имитацию перемещений эпикарда контролируют эталонным акселерометром 20, установленным также на подвижную платформу стенда.
Имитировалось перемещение преобразователя при сокращении сердца в диапазоне частоты сокращений 40-120 уд./мин и диапазоне перемещения 8-12 мм, характерных для базального уровня боковой стенки левого желудочка. Результаты эксперимента показали, что полезная модель электромеханического преобразователя развивает максимальную электрическую мощность на уровне 30 мкВт при токе нагрузки 10 мкА и напряжении 2,7-3,0 В.