用於驅動人體內植入醫療器械的微創供電裝置的製作方法

2023-05-22 03:15:41

專利名稱：用於驅動人體內植入醫療器械的微創供電裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種可對植入式醫療器械提供電能的方法，特別涉及一種採用插 入體內微機電系統周圍的一對或多對微細電極，根據需要隨時提供形式多樣的電 能的方法，由此以微創方式實現電源供應。
背景技術：
當前，隨著醫學技術的飛速發展，滿足各類治療及診斷目的的植入人體式醫 用裝置的種類日益增多，如可植入式起搏器、除顫器、監護器、神經刺激器及藥 物泵等。在這些醫療器械的工作中，供電技術始終是一個關鍵。長期以來，就植 入式微器件能源供應技術的開發， 一直為世界各國所高度重視，但進展有限。近 年來，隨著大量植入器件的提出和相繼研製成功，更使長壽命、高效、可靈活充 電的植入式微能源系統的研發被提升到一個至關重要的地位。由於任何電池的壽 命總是有限的，因此,對體內器件實施有效充電成為一個重要需求。無疑，對於植 入人體的醫用裝置，必須儘量減小或消除因充電對組織的傷害。也就是說，無創 或微創式供能系統更具價值。目前，在各種植入式能源技術中，溫差電池在一定程度上能滿足這一要求。 此方面如，基於放射性同位素在核衰變過程中釋放熱量驅動的熱電轉換器，不過 因採用放射性同位素燃料，該類設備的集成及封裝工藝比較複雜，使用起來有一 定安全風險。此外，人們也在考慮直接利用人體自身熱量供電的溫差電池，依靠 組織內天然存在的溫度梯度來驅動熱電器件產生電力，一般在1°C溫差下可獲得微瓦到毫瓦量級的電能輸出，已可用於驅動微電器件。近期，有研究者還提出採用 體外輔助加熱或冷卻來提升組織內部溫梯度，進而增強體內的溫差發電功率，也 可達到無損供能的目的，但這類方法中，由於組織導熱性較差，因而輸送能量過 程中需要儘可能大的溫差，然而過高或過低的溫度會對皮膚造成燒傷或凍傷。至 今，利用無損方法實現對體內植入電器充電的方法十分有限，且大多存在充電量 不足的問題。為此，本發明提供一種微創式充電方法，可確保體內器件的能源供 應與常規體外器件一致，且對人體的傷害性較小。本方案在於，採用在體內植入 式醫療器械周圍插入一對或多對微細電極，根據需要隨時提供形式多樣的電能， 充電後移走供電電極即可。該方法是實現由體外供電的新型措施。發明內容本發明的目的是克服現有技術的不足，提供一種用於驅動人體內植入醫療器 械的微創供電裝置，本裝置可採用插入體內植入式醫療器械周圍的一對微細電極， 根據需要隨時提供形式多樣的供電，以滿足體內植入式醫療器械的電能需求。本發明的技術方案如下本發明提供的用於驅動人體植入式醫療器械充電的微創供電裝置，包括供電 電極和置入於人體內的充電器；所述供電電極為自帶20—36V電源的至少一對電極6;所述置入於人體內的充電器包括 一充電器外殼、貼於入所述充電器外殼表面內的與生物體相容的一對鈦金屬片l、具有一對輸入電極和一對輸出電極的充電電池3、與檢測電路相連的控制開關2;所述鈦金屬片l與人體組織皮膚直接接觸，並通過由集成電路構成的檢測電路相連的控制開關2與所述充電電池3的輸入電極相連；所述充電電池3的輸出電極通過由集成電路構成的檢測電路相連的控制開關2與植入式醫療器械A相連；所述插入電極6的正、負電極分別由針狀電極上部和電極下部組成，所述電極下部為針狀電極上部延伸的針狀電極下部，或為與所述針狀上部相連的下端面上帶有微針陣列8的板狀貼附式電極下部；所述電極下部為不鏽鋼或鎳鈦合金記憶金屬材質的電極下部； 所述插入電極6的正、負電極的電極下部的端部呈針狀，直徑在20nm到5咖之間； 所述板狀貼附式電極下部的微針陣列8的每一微針長度在0. 08mm到45mm之間； 所述的充電電池3為1到1 O個充電電池並聯或者串聯組合而成。本發明的用於驅動人體內植入醫療器械的微創供電裝置，其優點如下結構簡單; 供電電極的供電方式比較靈活，可以根據不同的需要釆用相應的供電方式；同時，該 供電裝置還能根據植入式醫療器械內充電電池的需要直接從體外傳送相應波形的電 能，如三角波，方波，正弦波等。至今國內外文獻中尚未報導這類裝置。本發明充分地利用了微創技術，降低了對人體的損傷。在供電的時候，因為人 體能夠承受36V的安全電壓，故兩個微創式的插入電極帶入的電壓不能太高。這 對於微型電器易於滿足。微創式供電電極和充電盒，結構簡單，它可根據需要隨 時充電，是一種長壽命能源系統，可以應用於生物微電子機械系統，特別是植入 式醫療器件以及組織工程領域中正在發展的半生物-半電器裝置。目前，從體外以無損方式向體內輸送電能的方法十分有限，現有措施主要集中 於利用外部熱源對體內溫差電池進行輸電，或採用微波場對體內實施供電。與這 兩類受限於組織較弱的熱傳導性或電傳導性的供電方式相比，本發明提供的發電方式更為直接，且產生電能功率更高；而利用微創的辦法大大的降低了充電時對 人體的傷害，在充電方式上卻與體外器件完全一樣。


圖1為本發明提供的用於驅動人體內植入醫療器械的微創供電裝置的結構示意圖； 圖2、圖3和圖4分別為供電電極的幾種結構示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例進一步描述本發明圖l為本發明提供的用於驅動人體內植入醫療器械的微創供電裝置的結構示意圖； 圖2、圖3和圖4分別為供電電極的幾種結構示意圖；由圖可知，本發明的用於驅動人體 內植入醫療器械的微創供電裝置，包括供電電極和置入於人體內的充電器；所述供電電極為自帶20—36V電源的至少一對電極6;所述置入於人體內的充電器包括 一充電器外殼、貼於入所述充電器外殼表 面內的與生物體相容的一對鈦金屬片l、具有一對輸入電極和一對輸出電極的充電 電池3、與檢測電路相連的控制開關2;所述鈦金屬片1與人體組織皮膚直接接觸，並通過由集成電路構成的檢測電路相連的控制開關2與所述充電電池3的輸入電極相連；所述充電電池3的輸出電極通過由集成電路構成的檢測電路相連的控制開關2與植入式醫療器械A相連；所述插入電極6的正、負電極分別由針狀電極上部和電極下部組成，所述電極下部為針狀電極上部延伸的針狀電極下部，或為與所述針狀上部相連的下端面上帶有微針陣列8的板狀貼附式電極下部；所述電極下部為不鏽鋼或鎳鈦合金記憶金屬材質的電極下部； 所述插入電極6的正、負電極的電極下部的端部呈針狀，直徑在20nm到5mm之間； 所述板狀貼附式電極下部的微針陣列8的每一微針長度在0. 08mm到45mm之間； 所述的充電電池3為1到IO個充電電池並聯或者串聯組合而成。本發明的裝置可直接將電能通過人體組織進行傳輸並對目標醫療器械進行充 電，系植入式醫療器械及微創醫學領域的新穎嘗試。在該裝置包括供電電極和置 入於人體內的充電器；充電器可獨立於植入式醫療器械，隨同植入式醫療器械一 同植入到人體中，也可以與植入式醫療器械組合構成一種攜帶可充電電池的新型 植入式醫療器械。供電電極由特殊製作的兩個電極6構成；充電器由充電電池3， 控制開關2和貼於盒表面的金屬鈦片1構成。當供電電極的兩個電極6通過微創 的方式插入體內或者貼附於體表並帶入一定的電壓時，在體內的組織裡就會形成 一個分布比較穩定的電場。處於電場之中的充電器表面的兩點之間會存在一定的電勢差。這個電勢差通過貼於充電器外殼表面的金屬鈦片1和控制開關2，反映到封裝在醫療器械內部的充電電池兩端；當這個電勢差大於充電電池兩端的充電電 壓，而且導通開關接通時，充電電池即開始充電。兩個電極所加電壓不超過36伏的時候，人體能夠承受這個電壓而不發生觸電現象。供電電極的兩個電極可以是針尖狀，最尖端的直徑可以在100nm到5mm之間。充電電池與普通充電電池有所 不同，它有兩對電極。其中一對輸入電極與控制開關相連，開關的另一端接兩個 表面鍍有金屬鈦的埠，兩個埠與肌肉或其他人體組織直接接觸。在平時狀態 下，開關是打開的，電路並不導通。當檢測電路檢測到充電電池3兩端的電壓低 於正常工作電壓的90%或者95%時(額定值可以視不同的植入式醫療器械而定)， 導通開關閉合，接通與肌肉或者組織直接接觸的金屬鈦片l，該兩個電極就可以從 供電電極形成的電場中汲取電能，從而對充電電池3進行充電。本發明的裝置基於微創技術對植入式的醫療器械進行充電。為此，可以將供 電電極中的電極貼附於皮膚表面，也可將電極以微創的方式插入到皮膚層或者皮 膚層之下，在人體組織內部建立電場，讓體內充電器中的充電電池能從電場中吸 收能量。在圖1中插入式電極6將正負兩端的電壓提供到人體組織中去，在人體組 織內形成一定的電場分布，從而充電電池兩點之間存在一定的電勢差。若充電電 池提供的工作電壓低於正常電壓的80%，控制開關導通，充電電池通過電勢差從組 織裡吸收電能。這樣，外部的電能通過插入式電極傳送到體內，再藉助於體內組 織的電傳輸傳送到充電電池內。此外，插入式電極和貼附式電極可以組合使用， 例如圖2，正極使用插入式電極，使得正極電極更接近待充電端，負極採用貼附式， 可以減少創傷。當然，本發明不限於以上兩類特殊方式，還可採用更多供電方式， 例如正負兩個電極都用貼附式電極(例如圖3);另外，考慮到皮膚的表皮層導電 性比較低，也可如圖4，利用微針陣列8插入到表皮層之下，使得電極能跨越電阻 抗較大的表皮層，從而更好的將電能傳送到體內。當然，這些微針最好是一些陣 列，這樣能擴大電極的面積，不至於出現尖端放電現象而對組織造成損傷。本發明鈦金屬片l可採用記憶金屬鎳鈦合金或不鏽鋼，其作用主要是在電極插 入之後，能夠產生膨脹，以擴大電極與組織的接觸面積，防止產生尖端放電現象 而對組織造成損傷；這裡，鎳鈦合金的形狀可以多樣化，如棒狀、球狀、片狀等， 可以根據特定需求來確定鎳鈦合金的形狀。實施例h圖l為本發明提供的用於驅動人體內植入醫療器械的微創供電裝置的結構示 意圖；圖2、圖3和圖4分別為供電電極的幾種結構示意圖；充電器植入於人體之內， 可以封裝於植入式醫療器械之內並植入體內，也可以獨立於植入式醫療器械之外， 隨器械一起植入人體內。充電盒內的充電電池3將給已植入的醫療器械的工作電路供電。當充電盒裡的檢測電路檢測到充電電池3兩端的電壓不能滿足植入式醫療器械的工作需要時，將 插入式電極6從體外以微創的方式插入人體內，並插在充電盒所在位置的周圍；插 入式電極6外露的兩端接上安全的外接電壓(如20V—36V)，在人體內形成電場； 這時，充電盒內的與檢測電路相連的控制開關2處於導通狀態，充電盒內的充電電 池3開始充電。本發明提供的供電電極包括 一對插入式電極6;插入式電極6的尖端部分由鎳鈦合金記憶金屬製做，之外表面鍍膜絕緣。本發明還包括與充電電池3的兩極通過由集成電路構成的檢測裝置控制的控 制開關2與人體組織直接接觸的金屬鈦片1相連；所述與人體組織直接接觸的金屬 鈦片l在植入式醫療器械中覆蓋的面積可由實際工藝設計和具體的電能要求來決 定；當檢測裝置檢測到充電電池3提供的工作電壓低於標準值如2(^的90%或者95% 時，控制開關2導通，充電電池3與組織中金屬鈦片1相應的點等電位，進入充電狀 態；由集成電路構成的電壓檢測裝置的技術也已經很成熟，可直接採用；帶有兩 對電極的充電電池3，充電電池3可以是常見的鎳氫充電電池，也可為其他類型的 充電電池，主要由植入式醫療器械的工作電壓和電能的要求來決定，當然在能保 證正常工作所需的額定值的條件下，充電電池3的充放電次數越多越好，電量的容 量越大越好；整個充電盒可密封在植入式醫療器械之中，也可以獨立在植入式醫 療器械之外，隨著器械一起植入。這樣一個供電電極和一個充電盒構成了整個微創式供電裝置。電能通過兩個 電極進入體內，建立起電場。電極的尖端可為不鏽鋼或形狀記憶金屬如鎳鈦合金， 在進入人體以後，可發生膨脹，擴大了電極與組織的接觸面積，確保電極與組織 之間不會發生尖端放電現象。充電盒處於供電電極所建的電場之中，其表面的鈦 金屬片l所處的兩個點之間存在一定的電勢差。當充電盒中的檢測電路檢測到充電 電池3提供的工作電壓低於標準值的90%或者95%的時候，檢測電路控制開關2使得 開關接通金屬鈦片l，於是充電電池3兩端與鈦金屬片1和組織裡相應的點呈等電位 情形。兩個鈦金屬片l之間存在著一定的電勢差，故充電電池3兩個電極之間也存 在一定的電勢差，當這個電勢差等於或者大於充電電壓時，充電電池開始充電。本發明中充電器的充電電池3可以是多個充電電池組合而成的，它們之間可以 通過並聯或者串聯的方式連接起來，其中的導通開關受檢測電路的檢測信號統一 控制，與體內組織連接的鈦金屬片1也不一定只有一組，可以是分布在醫療器械 表面的很多組，目的是更有效的從電場中吸收電能。本發明提供的供電電極，並不限於給植入式醫療器械進行充電，還可以是對動 物或人體組織進行相應的電刺激，如進行神經刺激等。實施例2:本實施例如圖2所示，它與實施例l唯一的差別在於，供電電極的兩個電極之 一不是插入式而採用貼附式。這裡，電極貼附的面積大小可以在20nmx20nm到 lOmmxlOmm之間。電極也不一定只有一對，還可以有很多對電極組成一個電極陣列。 微針的材料也應與人體組織相容，例如，可以利用鋁鈦合金等。與實施例l相比， 實施例2的結構相對複雜一點，但其方案對人體的傷害也少一些。實施例3:本實施例如圖3所示，它與實施例2唯一的差別在於，兩枚供電電極均採用表 面貼附式。這裡，電極貼附的面積大小可以在20nmx20nm到10mmxl(km之間。與實 施例l、 2相比，本方案對人體的傷害性更小。實施例4:本實施例如圖4所示，它與實施例l唯一的差別在於，兩枚供電電極均採用表 面貼附式，但在貼附式電極下面還添加了微針陣列8，其目的是電極能以幾乎無損 的方式穿過絕緣性比較好的表皮層而進入電阻率比較低的組織內，以實施充電。 與上述實施例相比，本實施例對人體的傷害性最小。本發明具有很多優點，充電器適用於不同的植入式醫療器械。供電電極的電極的位置也不是固定的，可以根據醫療器械的大小進行調整位置，也可以對不同的 醫療器械進行充電。供電電極的供電方式比較靈活，可以根據不同的情況採用相應的供電方式。供 電電極的供電方式可以有附圖1-4中的4種，當然也可以再組合出更多的供電方 式，例如帶微針陣列8的貼附式電極和插入式電極的組合。具體的供電方式，要 考慮到植入式醫療器械的深度，所需的充電電壓和植入位置的組織的電導率等。 本發明所提到的供電方式可以適用於不同的情況。同時，該供電裝置還能根據植入式醫療器械內充電電池的需要直接從體外傳送 相應波形的電能，如三角波，方波，正弦波等。至今國內外尚無這種微創式供電 裝置和充電技術被提出。本發明的充電器可以長期甚至永久地隨著醫療器械植入到人體內，當醫療器 械工作需要的電量不足時，可以通過本發明的微創供電電極直接給充電盒供電， 確保醫療器械可以長期甚至永久的工作而不再像以往那樣通過外科手術對醫療器 械進行更換，減少了對人體的創傷。使用本發明裝置的方式如下將充電器隨著植入式醫療器械植入病人體內； 根據待需求電力多少和植入器械的位置和深度，確定選用的供電方式，如插入式 電極或者是貼附式電極；供電電極可以接一個變壓器，將220V的電壓轉化到在人 體組織內建立電場所需的20—36VV電壓，這樣可以隨身攜帶，當醫療器械工作電 壓不足時可以隨時充電，可以大大的減輕患者和醫院的負擔。
權利要求
1. 一種用於驅動人體植入式醫療器械充電的微創供電裝置，其特徵在於，包括供電電極和置入於人體內的充電器；所述供電電極為自帶20-36V電源的至少一對電極(6)；所述置入於人體內的充電器包括一充電器外殼、貼於入所述充電器外殼表面內的與生物體相容的一對鈦金屬片(1)、具有一對輸入電極和一對輸出電極的充電電池(3)、與檢測電路相連的控制開關(2)；所述鈦金屬片(1)與人體組織皮膚直接接觸，並通過由集成電路構成的檢測電路相連的控制開關(2)與所述充電電池(3)的輸入電極相連；所述充電電池(3)的輸出電極通過由集成電路構成的檢測電路相連的控制開關(2)與植入式醫療器械(A)相連；所述插入電極(6)的正、負電極分別由針狀電極上部和電極下部組成，所述電極下部為針狀電極上部延伸的針狀電極下部，或為與所述針狀上部相連的下端面上帶有微針陣列(8)的板狀貼附式電極下部；所述電極下部為不鏽鋼或鎳鈦合金記憶金屬材質的電極下部。
2、 按權利要求l所述的用於驅動人體植入式醫療器械充電的微創供電裝置， 其特徵在於，所述插入電極(6)的正、負電極的電極下部的端部呈針狀，直徑在 20nm到5mm之間。
3、 按權利要求l所述的用於驅動人體植入式醫療器械充電的微創供電裝置， 其特徵在於，所述板狀貼附式電極下部的微針陣列(8)的每一微針長度在O. 08mm 到45mm之間。
4、 按權利要求l所述的用於驅動人體植入式醫療器械充電的微創供電裝置， 其特徵在於，所述的充電電池(3)為1到10個充電電池並聯或者串聯組合而成。
全文摘要
本發明涉及的用於驅動人體植入式醫療器械充電的微創供電裝置，包括供電電極和置於人體內的充電器；供電電極為自帶20-36V電源的至少一對電極；充電器包括外殼、貼於外殼表面且與生物體相容的一對鈦金屬片、具有兩對電極的充電電池、與檢測電路相連的控制開關；鈦片與人體皮膚直接接觸，並通過由集成電路構成的檢測電路相連的控制開關與充電電池的輸入電極相連；充電電池的輸出電極通過檢測電路相連的控制開關與植入式醫療器械相連。本發明可採取微創方式將電極插入人體組織內，或貼附在人體表面，使在人體組織內形成電場，對植入式醫療器件進行無次數限制的充電；可作為各類植入式微醫療及監測器件的能量來源，且結構簡單，使用方便。
文檔編號A61N1/372GK101219257SQ20071006260
公開日2008年7月16日 申請日期2007年1月11日 優先權日2007年1月11日
發明者靜 劉, 韋曉娟 申請人:中國科學院理化技術研究所