УСТРОЙСТВО ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ ИМПЛАНТИРУЕМЫХ МЕДИЦИНСКИХ ПРИБОРОВ

Устройство относится к медицине, к области энергообеспечения имплантируемых объектов различного назначения. В частности, может быть использовано при малоинвазивном лечении брадиаритмий для энергообеспечения электрокардиостимуляторов.
В современной медицине широко применяются имплантируемые беспроводные устройства, осуществляющие мониторинг и поддержание работы различных органов тела (в частности электрокардиостимуляторы в кардиохирургии). Габариты данных устройств во многом обусловлены габаритами их источников питания. Перспективным направлением в уменьшении габаритов беспроводных имплантируемых устройств является применение микропреобразователей механической энергии тела человека (в частности - пульсаций давления крови в камерах сердца) в электрическую энергию, что позволит в процессе использования подзаряжать источник питания имплантированного устройства.
Известно устройство преобразования энергии био-кинетических событий живого организма в электрическую энергию, для питания различных имплантированных медицинских приборов (патент США 9026212; A61N 1/00, A61N 1/378; опубл. 05.05.2015); включающее энергетический преобразователь для расположения внутри человеческого тела, с генерирующим элементом (предпочтительно в форме стержня или волокон), в том числе выполненным из пьезоэлектрического материала, настраиваемый на частоту био-кинетических событий за счет подбора длины. Недостатком является необходимость подстройки на резонансную частоту в весьма широком диапазоне частот от 40 до 180 событий в минуту.
Известно устройство пьезоэлектрического вибрационного преобразователя энергии, включающее опору и преобразователь, выполненный в виде пластины с разрезами с нанесенным пьезоэлектрическим материалом, закрепленной одним концом на опоре (заявка US 20150365018 Α1; H02N 2/18, H01L 41/08, A61N 1/378; опубл. 17.12.2015). Устройство позволяет преобразовать энергию механического перемещения в электрическую энергию. Однако конструкция устройства предназначена для восприятия сосредоточенной силы и требует дополнительных элементов для преобразования давления; что приводит к высокой сложности изготовления и недостаточной надежности.
Наиболее близким техническим решением, взятым в качестве прототипа, является безвыводная автономная интракорпоральная капсула с пьезоэлектрическим сбором энергии (патентная заявка США: US 20130238072 А1, A61N 1/362, опубл. 12.09.2013), содержащая преимущественно титановый корпус, включающий в себя электрическую схему с источником питания, преобразователь энергии, содержащий, по меньшей мере, один пьезоэлектрический элемент, соединенный с подвижным исполнительным элементом, имеющим жесткую поверхность, и корпусом. Пьезоэлектрический элемент (пьезоэлемент) включает в себя, по меньшей мере, одну структуру, по меньшей мере, одной пьезоэлектрической полоской. На пьезоэлектрический элемент нанесен, по меньшей мере, один электрод, по меньшей мере, частично его охватывающий. Пьезоэлемент преимущественно изготовлен из пьезокерамики цирконат-титаната свинца (PZT). Капсула преимущественно предназначена для свободного плавания в полости сердца.
К недостаткам данного устройства относятся высокая дороговизна и сложность обеспечения надежности и длительного срока службы, а также сбор энергии только с одной жесткой поверхности исполнительного элемента. Передача энергии с поверхности корпуса к пьезоэлементу приводит к энергетическим потерям. Кроме того, внутри прототипа содержится воздух, который при нарушении герметизации может попасть в кровоток сердца.
Технической проблемой полезной модели является расширение арсенала технических средств энергообеспечения имплантируемых медицинских приборов.
Сущность полезной модели заключается в том, что аналогично прототипу устройство энергообеспечения имплантируемых медицинских приборов содержит преобразователь энергии, включающий, по меньшей мере, один пьезоэлектрический элемент, на который нанесены электроды. В отличие от прототипа, устройство дополнительно содержит упругое основание. Пьезоэлектрический элемент выполнен в виде, по меньшей мере, одной пьезоэлектрической полимерной пленки (пьезопленки), которая расположена на основании, частично охватывая его. На преобразователь энергии нанесено защитное влагостойкое покрытие, выполненное из биосовместимого эластичного полимера.
Основание с пьезоэлектрическим элементом могут быть скреплены между собой с помощью клея-герметика. Основание может быть выполнено в виде цилиндра или в виде многогранника. Основание может быть выполнено с переменной упругостью. Для этого основание может быть армировано упругими волокнами или иметь упругие ребра жесткости.
Устройство может дополнительно содержать блок электроники, осуществляющий, например, преобразование энергии. Для размещения блока электроники основание может быть выполнено с полостью.
Благодаря перечисленным признакам создано более простое устройство, расширяющее арсенал средств энергообеспечения имплантируемых медицинских приборов.
Сущность модели иллюстрируется чертежами:
На Фиг. 1 представлен общий вид частного случая реализации устройства энергообеспечения имплантируемых медицинских приборов с упругим основанием в виде цилиндра, цилиндрическая поверхность которого частично охвачена пьезопленкой, и со встроенным блоком электроники, причем для наглядности частично снято защитное влагостойкое покрытие, где: 1 - пьезоэлектрический элемент; 2 - металлические электроды; 3 - упругое основание; 4 - защитное влагостойкое покрытие; 5 - соединительные провода, 6 - блок электроники.
Фиг 2 - частный случай устройства с формой основания в виде параллелепипеда и двумя элементами, скрепленными с боковыми гранями основания.
В частном случае реализации (Фиг. 1) устройство энергообеспечения имплантируемых медицинских приборов содержит преобразователь энергии, включающий пьезоэлектрический элемент 1 в виде полимерной пленки. На пленку с обеих сторон нанесены два электрода 2. Пьезоэлектрический элемент 1 закреплен с помощью клея на основании 3, выполненном из упругого материала в виде цилиндра. Основание 3 выполнено с полостью, в которой размещен блок электроники 6, соединенный с электродами 2 проводами 5. На преобразователь энергии нанесено защитное влагостойкое покрытие 4, выполненное из эластичного биосовместимого полимера.
В случае выполнения устройства без встроенного блока электроники 6, электроды 2 соединяют с помощью проводов 5 с имплантируемым медицинским прибором.
В случае использования в устройстве двух и более пьезоэлементов 1 (Фиг. 2), электроды 2 могут соединяться проводами 5 друг с другом и присоединяться к блоку электроники/имплантируемому медицинскому прибору в различных конфигурациях (последовательно, параллельно, или независимо друг от друга).
Пьезопленки выполнены из полимерного материала, обладающего пьезоэлектрическими свойствами, высокой гибкостью и прочностью, низкой плотностью, например из поливинилденфторида (ПВДФ) или его сополимеров. Упругая деформация пьезопленок в 10 раз превышает аналогичную характеристику распространенных пьезокерамических элементов. Пьезопленки работают в широком диапазоне частот, не имея «предпочтительной» частоты. Толщина пьезопленки составляет от 10 до 120 мкм.
Основание 3 может иметь различную форму, в частности цилиндра (фиг. 1), куба, параллелепипеда (фиг. 2), или иного многогранника, и выполнено из упругого материала, инертного для организма, например пенообразующего силиконового герметика или пенополиуретана.
Основание может быть выполнено с переменной упругостью с целью достижения максимальной деформации по площади пьезопленки. Для этого основание может быть армировано упругими волокнами или иметь упругие ребра жесткости. Создание необходимой структуры может выполняться методами программируемой 3D печати.
Защитное влагостойкое покрытие 4 должно обладать биосовместимостью с живым организмом, и одновременно быть эластичным, т.к. должно обеспечивать передачу внешнего механического воздействия пьезопленке с минимальными потерями без растрескивания и расслаивания, например быть выполненным на основе силикона, полисилоксана или полиуретана.
В случае необходимости преобразования электрического сигнала, генерируемого устройством в нужную для работы имплантируемого медицинского прибора форму, устройство может использоваться с внешним блоком электроники или содержать блок электроники (Фиг. 1) преобразующий выходной сигнал. В последнем случае для размещения блока электроники основание выполняют с полостью.
Устройство может применяться с любыми имплантируемыми в тело устройствами, осуществляющими мониторинг и/или поддержание работы различных органов тела, как например электрокардиостимулятор, электродефибрилятор и т.п.
Принцип работы устройства состоит в следующем.
В частном случае реализации при установке в тело человека кардиостимулятора, устройство энергообеспечения имплантируемых медицинских приборов помещают в желудочек сердца и соединяют соединительными проводами 5 с кардиостимулятором. Во время сердечного цикла на систолической фазе происходит повышение давления в желудочке сердца, что приводит к одновременной упругой деформации покрытия 4, элемента 1 и основания 3, в результате которой возникают механические напряжения в пьезоэлектрическом элементе 1, что вызывает появление электрического импульса на электродах 2.
На фазе диастолы происходит снижение давления, покрытие 4, элемент 1 и основание 3 возвращаются в исходное состояние за счет упругости основания, при этом элементом 1 вырабатывается импульс противоположной полярности. Таким образом, в результате циклического воздействия давлениякрови в желудочке сердца, посредством пьезоэффекта на элементе 1 вырабатывается электрическая энергия, поступающая по проводам 5в кардиостимулятор.
В результате работы устройства происходит подзарядка источника питания кардиостимулятора, следовательно, увеличение срока службы электрокардиостимулятора и снижение риска осложнений от биофизического взаимодействия наружного зарядного устройства с организмом пациента.
Были изготовлены опытные образцы размерами 6×3×20 мм, в которых пьезоэлектрический элемент выполнен в виде пьезопленки толщиной 28 мкм из поливинилиденфторида (ПВДФ), скрепленной посредством силиконового герметика с основанием из пенополиуретана, наружное защитное покрытие выполнено из силиконового герметика. Электроды выполнены методом поверхностной печати, что обеспечивает повышенную гибкость и устойчивость к циклическим воздействиям. Образцы были испытаны на стенде при циклических воздействиях в среде физиологического раствора в диапазоне давлений от 5 до 12 кПа на частотах от 1 до 4 Гц. Величина генерируемой энергии достигает 2 нДж, что достаточно для подзарядки имплантируемого медицинского прибора.
Таким образом, создано более простое устройство, расширяющее арсенал средств энергообеспечения имплантируемых медицинских приборови увеличивающее срок их службы.