专利名称：用于驱动人体内植入医疗器械的微创供电装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种可对植入式医疗器械提供电能的方法，特别涉及一种采用插 入体内微机电系统周围的一对或多对微细电极，根据需要随时提供形式多样的电 能的方法，由此以微创方式实现电源供应。
背景技术：
当前，随着医学技术的飞速发展，满足各类治疗及诊断目的的植入人体式医 用装置的种类日益增多，如可植入式起搏器、除颤器、监护器、神经刺激器及药 物泵等。在这些医疗器械的工作中，供电技术始终是一个关键。长期以来，就植 入式微器件能源供应技术的开发， 一直为世界各国所高度重视，但进展有限。近 年来，随着大量植入器件的提出和相继研制成功，更使长寿命、高效、可灵活充 电的植入式微能源系统的研发被提升到一个至关重要的地位。由于任何电池的寿 命总是有限的，因此,对体内器件实施有效充电成为一个重要需求。无疑，对于植 入人体的医用装置，必须尽量减小或消除因充电对组织的伤害。也就是说，无创 或微创式供能系统更具价值。目前，在各种植入式能源技术中，温差电池在一定程度上能满足这一要求。 此方面如，基于放射性同位素在核衰变过程中释放热量驱动的热电转换器，不过 因采用放射性同位素燃料，该类设备的集成及封装工艺比较复杂，使用起来有一 定安全风险。此外，人们也在考虑直接利用人体自身热量供电的温差电池，依靠 组织内天然存在的温度梯度来驱动热电器件产生电力，一般在1°C温差下可获得微瓦到毫瓦量级的电能输出，已可用于驱动微电器件。近期，有研究者还提出采用 体外辅助加热或冷却来提升组织内部温梯度，进而增强体内的温差发电功率，也 可达到无损供能的目的，但这类方法中，由于组织导热性较差，因而输送能量过 程中需要尽可能大的温差，然而过高或过低的温度会对皮肤造成烧伤或冻伤。至 今，利用无损方法实现对体内植入电器充电的方法十分有限，且大多存在充电量 不足的问题。为此，本发明提供一种微创式充电方法，可确保体内器件的能源供 应与常规体外器件一致，且对人体的伤害性较小。本方案在于，采用在体内植入 式医疗器械周围插入一对或多对微细电极，根据需要随时提供形式多样的电能， 充电后移走供电电极即可。该方法是实现由体外供电的新型措施。发明内容本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种用于驱动人体内植入医疗器 械的微创供电装置，本装置可采用插入体内植入式医疗器械周围的一对微细电极， 根据需要随时提供形式多样的供电，以满足体内植入式医疗器械的电能需求。本发明的技术方案如下本发明提供的用于驱动人体植入式医疗器械充电的微创供电装置，包括供电 电极和置入于人体内的充电器；所述供电电极为自带20—36V电源的至少一对电极6;所述置入于人体内的充电器包括 一充电器外壳、贴于入所述充电器外壳表面内的与生物体相容的一对钛金属片l、具有一对输入电极和一对输出电极的充电电池3、与检测电路相连的控制开关2;所述钛金属片l与人体组织皮肤直接接触，并通过由集成电路构成的检测电路相连的控制开关2与所述充电电池3的输入电极相连；所述充电电池3的输出电极通过由集成电路构成的检测电路相连的控制开关2与植入式医疗器械A相连；所述插入电极6的正、负电极分别由针状电极上部和电极下部组成，所述电极下部为针状电极上部延伸的针状电极下部，或为与所述针状上部相连的下端面上带有微针阵列8的板状贴附式电极下部；所述电极下部为不锈钢或镍钛合金记忆金属材质的电极下部； 所述插入电极6的正、负电极的电极下部的端部呈针状，直径在20nm到5咖之间； 所述板状贴附式电极下部的微针阵列8的每一微针长度在0. 08mm到45mm之间； 所述的充电电池3为1到1 O个充电电池并联或者串联组合而成。本发明的用于驱动人体内植入医疗器械的微创供电装置，其优点如下结构简单; 供电电极的供电方式比较灵活，可以根据不同的需要釆用相应的供电方式；同时，该 供电装置还能根据植入式医疗器械内充电电池的需要直接从体外传送相应波形的电 能，如三角波，方波，正弦波等。至今国内外文献中尚未报道这类装置。本发明充分地利用了微创技术，降低了对人体的损伤。在供电的时候，因为人 体能够承受36V的安全电压，故两个微创式的插入电极带入的电压不能太高。这 对于微型电器易于满足。微创式供电电极和充电盒，结构简单，它可根据需要随 时充电，是一种长寿命能源系统，可以应用于生物微电子机械系统，特别是植入 式医疗器件以及组织工程领域中正在发展的半生物-半电器装置。目前，从体外以无损方式向体内输送电能的方法十分有限，现有措施主要集中 于利用外部热源对体内温差电池进行输电，或采用微波场对体内实施供电。与这 两类受限于组织较弱的热传导性或电传导性的供电方式相比，本发明提供的发电方式更为直接，且产生电能功率更高；而利用微创的办法大大的降低了充电时对 人体的伤害，在充电方式上却与体外器件完全一样。
图1为本发明提供的用于驱动人体内植入医疗器械的微创供电装置的结构示意图； 图2、图3和图4分别为供电电极的几种结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例进一步描述本发明图l为本发明提供的用于驱动人体内植入医疗器械的微创供电装置的结构示意图； 图2、图3和图4分别为供电电极的几种结构示意图；由图可知，本发明的用于驱动人体 内植入医疗器械的微创供电装置，包括供电电极和置入于人体内的充电器；所述供电电极为自带20—36V电源的至少一对电极6;所述置入于人体内的充电器包括 一充电器外壳、贴于入所述充电器外壳表 面内的与生物体相容的一对钛金属片l、具有一对输入电极和一对输出电极的充电 电池3、与检测电路相连的控制开关2;所述钛金属片1与人体组织皮肤直接接触，并通过由集成电路构成的检测电路相连的控制开关2与所述充电电池3的输入电极相连；所述充电电池3的输出电极通过由集成电路构成的检测电路相连的控制开关2与植入式医疗器械A相连；所述插入电极6的正、负电极分别由针状电极上部和电极下部组成，所述电极下部为针状电极上部延伸的针状电极下部，或为与所述针状上部相连的下端面上带有微针阵列8的板状贴附式电极下部；所述电极下部为不锈钢或镍钛合金记忆金属材质的电极下部； 所述插入电极6的正、负电极的电极下部的端部呈针状，直径在20nm到5mm之间； 所述板状贴附式电极下部的微针阵列8的每一微针长度在0. 08mm到45mm之间； 所述的充电电池3为1到IO个充电电池并联或者串联组合而成。本发明的装置可直接将电能通过人体组织进行传输并对目标医疗器械进行充 电，系植入式医疗器械及微创医学领域的新颖尝试。在该装置包括供电电极和置 入于人体内的充电器；充电器可独立于植入式医疗器械，随同植入式医疗器械一 同植入到人体中，也可以与植入式医疗器械组合构成一种携带可充电电池的新型 植入式医疗器械。供电电极由特殊制作的两个电极6构成；充电器由充电电池3， 控制开关2和贴于盒表面的金属钛片1构成。当供电电极的两个电极6通过微创 的方式插入体内或者贴附于体表并带入一定的电压时，在体内的组织里就会形成 一个分布比较稳定的电场。处于电场之中的充电器表面的两点之间会存在一定的电势差。这个电势差通过贴于充电器外壳表面的金属钛片1和控制开关2，反映到封装在医疗器械内部的充电电池两端；当这个电势差大于充电电池两端的充电电 压，而且导通开关接通时，充电电池即开始充电。两个电极所加电压不超过36伏的时候，人体能够承受这个电压而不发生触电现象。供电电极的两个电极可以是针尖状，最尖端的直径可以在100nm到5mm之间。充电电池与普通充电电池有所 不同，它有两对电极。其中一对输入电极与控制开关相连，开关的另一端接两个 表面镀有金属钛的端口，两个端口与肌肉或其他人体组织直接接触。在平时状态 下，开关是打开的，电路并不导通。当检测电路检测到充电电池3两端的电压低 于正常工作电压的90%或者95%时(额定值可以视不同的植入式医疗器械而定)， 导通开关闭合，接通与肌肉或者组织直接接触的金属钛片l，该两个电极就可以从 供电电极形成的电场中汲取电能，从而对充电电池3进行充电。本发明的装置基于微创技术对植入式的医疗器械进行充电。为此，可以将供 电电极中的电极贴附于皮肤表面，也可将电极以微创的方式插入到皮肤层或者皮 肤层之下，在人体组织内部建立电场，让体内充电器中的充电电池能从电场中吸 收能量。在图1中插入式电极6将正负两端的电压提供到人体组织中去，在人体组 织内形成一定的电场分布，从而充电电池两点之间存在一定的电势差。若充电电 池提供的工作电压低于正常电压的80%，控制开关导通，充电电池通过电势差从组 织里吸收电能。这样，外部的电能通过插入式电极传送到体内，再借助于体内组 织的电传输传送到充电电池内。此外，插入式电极和贴附式电极可以组合使用， 例如图2，正极使用插入式电极，使得正极电极更接近待充电端，负极采用贴附式， 可以减少创伤。当然，本发明不限于以上两类特殊方式，还可采用更多供电方式， 例如正负两个电极都用贴附式电极(例如图3);另外，考虑到皮肤的表皮层导电 性比较低，也可如图4，利用微针阵列8插入到表皮层之下，使得电极能跨越电阻 抗较大的表皮层，从而更好的将电能传送到体内。当然，这些微针最好是一些阵 列，这样能扩大电极的面积，不至于出现尖端放电现象而对组织造成损伤。本发明钛金属片l可采用记忆金属镍钛合金或不锈钢，其作用主要是在电极插 入之后，能够产生膨胀，以扩大电极与组织的接触面积，防止产生尖端放电现象 而对组织造成损伤；这里，镍钛合金的形状可以多样化，如棒状、球状、片状等， 可以根据特定需求来确定镍钛合金的形状。实施例h图l为本发明提供的用于驱动人体内植入医疗器械的微创供电装置的结构示 意图；图2、图3和图4分别为供电电极的几种结构示意图；充电器植入于人体之内， 可以封装于植入式医疗器械之内并植入体内，也可以独立于植入式医疗器械之外， 随器械一起植入人体内。充电盒内的充电电池3将给已植入的医疗器械的工作电路供电。当充电盒里的检测电路检测到充电电池3两端的电压不能满足植入式医疗器械的工作需要时，将 插入式电极6从体外以微创的方式插入人体内，并插在充电盒所在位置的周围；插 入式电极6外露的两端接上安全的外接电压(如20V—36V)，在人体内形成电场； 这时，充电盒内的与检测电路相连的控制开关2处于导通状态，充电盒内的充电电 池3开始充电。本发明提供的供电电极包括 一对插入式电极6;插入式电极6的尖端部分由镍钛合金记忆金属制做，之外表面镀膜绝缘。本发明还包括与充电电池3的两极通过由集成电路构成的检测装置控制的控 制开关2与人体组织直接接触的金属钛片1相连；所述与人体组织直接接触的金属 钛片l在植入式医疗器械中覆盖的面积可由实际工艺设计和具体的电能要求来决 定；当检测装置检测到充电电池3提供的工作电压低于标准值如2(^的90%或者95% 时，控制开关2导通，充电电池3与组织中金属钛片1相应的点等电位，进入充电状 态；由集成电路构成的电压检测装置的技术也已经很成熟，可直接采用；带有两 对电极的充电电池3，充电电池3可以是常见的镍氢充电电池，也可为其他类型的 充电电池，主要由植入式医疗器械的工作电压和电能的要求来决定，当然在能保 证正常工作所需的额定值的条件下，充电电池3的充放电次数越多越好，电量的容 量越大越好；整个充电盒可密封在植入式医疗器械之中，也可以独立在植入式医 疗器械之外，随着器械一起植入。这样一个供电电极和一个充电盒构成了整个微创式供电装置。电能通过两个 电极进入体内，建立起电场。电极的尖端可为不锈钢或形状记忆金属如镍钛合金， 在进入人体以后，可发生膨胀，扩大了电极与组织的接触面积，确保电极与组织 之间不会发生尖端放电现象。充电盒处于供电电极所建的电场之中，其表面的钛 金属片l所处的两个点之间存在一定的电势差。当充电盒中的检测电路检测到充电 电池3提供的工作电压低于标准值的90%或者95%的时候，检测电路控制开关2使得 开关接通金属钛片l，于是充电电池3两端与钛金属片1和组织里相应的点呈等电位 情形。两个钛金属片l之间存在着一定的电势差，故充电电池3两个电极之间也存 在一定的电势差，当这个电势差等于或者大于充电电压时，充电电池开始充电。本发明中充电器的充电电池3可以是多个充电电池组合而成的，它们之间可以 通过并联或者串联的方式连接起来，其中的导通开关受检测电路的检测信号统一 控制，与体内组织连接的钛金属片1也不一定只有一组，可以是分布在医疗器械 表面的很多组，目的是更有效的从电场中吸收电能。本发明提供的供电电极，并不限于给植入式医疗器械进行充电，还可以是对动 物或人体组织进行相应的电刺激，如进行神经刺激等。实施例2:本实施例如图2所示，它与实施例l唯一的差别在于，供电电极的两个电极之 一不是插入式而采用贴附式。这里，电极贴附的面积大小可以在20nmx20nm到 lOmmxlOmm之间。电极也不一定只有一对，还可以有很多对电极组成一个电极阵列。 微针的材料也应与人体组织相容，例如，可以利用铝钛合金等。与实施例l相比， 实施例2的结构相对复杂一点，但其方案对人体的伤害也少一些。实施例3:本实施例如图3所示，它与实施例2唯一的差别在于，两枚供电电极均采用表 面贴附式。这里，电极贴附的面积大小可以在20nmx20nm到10mmxl(km之间。与实 施例l、 2相比，本方案对人体的伤害性更小。实施例4:本实施例如图4所示，它与实施例l唯一的差别在于，两枚供电电极均采用表 面贴附式，但在贴附式电极下面还添加了微针阵列8，其目的是电极能以几乎无损 的方式穿过绝缘性比较好的表皮层而进入电阻率比较低的组织内，以实施充电。 与上述实施例相比，本实施例对人体的伤害性最小。本发明具有很多优点，充电器适用于不同的植入式医疗器械。供电电极的电极的位置也不是固定的，可以根据医疗器械的大小进行调整位置，也可以对不同的 医疗器械进行充电。供电电极的供电方式比较灵活，可以根据不同的情况采用相应的供电方式。供 电电极的供电方式可以有附图1-4中的4种，当然也可以再组合出更多的供电方 式，例如带微针阵列8的贴附式电极和插入式电极的组合。具体的供电方式，要 考虑到植入式医疗器械的深度，所需的充电电压和植入位置的组织的电导率等。 本发明所提到的供电方式可以适用于不同的情况。同时，该供电装置还能根据植入式医疗器械内充电电池的需要直接从体外传送 相应波形的电能，如三角波，方波，正弦波等。至今国内外尚无这种微创式供电 装置和充电技术被提出。本发明的充电器可以长期甚至永久地随着医疗器械植入到人体内，当医疗器 械工作需要的电量不足时，可以通过本发明的微创供电电极直接给充电盒供电， 确保医疗器械可以长期甚至永久的工作而不再像以往那样通过外科手术对医疗器 械进行更换，减少了对人体的创伤。使用本发明装置的方式如下将充电器随着植入式医疗器械植入病人体内； 根据待需求电力多少和植入器械的位置和深度，确定选用的供电方式，如插入式 电极或者是贴附式电极；供电电极可以接一个变压器，将220V的电压转化到在人 体组织内建立电场所需的20—36VV电压，这样可以随身携带，当医疗器械工作电 压不足时可以随时充电，可以大大的减轻患者和医院的负担。
权利要求
1. 一种用于驱动人体植入式医疗器械充电的微创供电装置，其特征在于，包括供电电极和置入于人体内的充电器；所述供电电极为自带20-36V电源的至少一对电极(6)；所述置入于人体内的充电器包括一充电器外壳、贴于入所述充电器外壳表面内的与生物体相容的一对钛金属片(1)、具有一对输入电极和一对输出电极的充电电池(3)、与检测电路相连的控制开关(2)；所述钛金属片(1)与人体组织皮肤直接接触，并通过由集成电路构成的检测电路相连的控制开关(2)与所述充电电池(3)的输入电极相连；所述充电电池(3)的输出电极通过由集成电路构成的检测电路相连的控制开关(2)与植入式医疗器械(A)相连；所述插入电极(6)的正、负电极分别由针状电极上部和电极下部组成，所述电极下部为针状电极上部延伸的针状电极下部，或为与所述针状上部相连的下端面上带有微针阵列(8)的板状贴附式电极下部；所述电极下部为不锈钢或镍钛合金记忆金属材质的电极下部。
2、 按权利要求l所述的用于驱动人体植入式医疗器械充电的微创供电装置， 其特征在于，所述插入电极(6)的正、负电极的电极下部的端部呈针状，直径在 20nm到5mm之间。
3、 按权利要求l所述的用于驱动人体植入式医疗器械充电的微创供电装置， 其特征在于，所述板状贴附式电极下部的微针阵列(8)的每一微针长度在O. 08mm 到45mm之间。
4、 按权利要求l所述的用于驱动人体植入式医疗器械充电的微创供电装置， 其特征在于，所述的充电电池(3)为1到10个充电电池并联或者串联组合而成。
全文摘要
本发明涉及的用于驱动人体植入式医疗器械充电的微创供电装置，包括供电电极和置于人体内的充电器；供电电极为自带20-36V电源的至少一对电极；充电器包括外壳、贴于外壳表面且与生物体相容的一对钛金属片、具有两对电极的充电电池、与检测电路相连的控制开关；钛片与人体皮肤直接接触，并通过由集成电路构成的检测电路相连的控制开关与充电电池的输入电极相连；充电电池的输出电极通过检测电路相连的控制开关与植入式医疗器械相连。本发明可采取微创方式将电极插入人体组织内，或贴附在人体表面，使在人体组织内形成电场，对植入式医疗器件进行无次数限制的充电；可作为各类植入式微医疗及监测器件的能量来源，且结构简单，使用方便。
文档编号A61N1/372GK101219257SQ20071006260
公开日2008年7月16日 申请日期2007年1月11日 优先权日2007年1月11日
发明者静 刘, 韦晓娟 申请人:中国科学院理化技术研究所