DE102014102277B4

DE102014102277B4 - Charging device for generating electrical energy and supplying implants in and electronic devices to living beings

Info

Publication number: DE102014102277B4
Application number: DE102014102277.7A
Authority: DE
Inventors: Tatjana Popp; Reinhard J. Schuler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-02-21
Filing date: 2014-02-21
Publication date: 2016-03-24
Anticipated expiration: 2034-02-22
Also published as: DE102014102277A1

Abstract

Ladevorrichtung zur Ladung eines, sich in einem Implantat befindlichen Akkumulators, zur Versorgung des Implantates in Lebewesen mit elektrischer Energie mit einer Spule (3) und drehbar angeordneten Dauermagneten (5), die über den Umfang verteilt auf einer Magnetträgerplatte (6) befestigt sind, gekennzeichnet durch eine Integrierung der Ladevorrichtung in das Implantat, wobei die Spule (3) als Ring ausgebildet und zwischen unteren und oberen U-förmigen Eisen-Jochen (4a, 4b) angeordnet ist und wobei die Magnetträgerplatte (6) als Unwuchtscheibe ausgebildet ist.Charging device for charging a, located in an implant accumulator, for supplying the implant in living beings with electrical energy with a coil (3) and rotatably arranged permanent magnets (5), which are mounted distributed over the circumference on a magnetic carrier plate (6) characterized by integrating the loading device in the implant, wherein the coil (3) is formed as a ring and between the lower and upper U-shaped iron yokes (4a, 4b) is arranged and wherein the magnetic carrier plate (6) is formed as an imbalance disk.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ladevorrichtung zur Ladung eines sich in einem Implantat befindlichen Akkumulators, zur Versorgung des Implantates in Lebewesen mit elektrischer Energie. The invention relates to a charging device for charging an accumulator located in an implant, for supplying the implant in living beings with electrical energy.

Zum Betrieb von Herzschrittmachern und verschiedene Arten von Sensoren, die bei Lebewesen Messungen oder Steuerungen durchführen oder die biologische Funktion von Lebewesen erfassen sollen, sind Batterie- oder Akkusysteme bekannt. Nachteilig bei den bekannten Systemen ist jedoch, dass sie jeweils nur eine endliche Energiemenge zur Verfügung stellen. Dies bedeutet, sie müssen immer wieder ausgetauscht oder nachgeladen werden. Dies ist häufig kompliziert und insbesondere bei Herzschrittmachern mit Risiken für den Patienten verbunden. In der DE 10 2009 001 042 A1 ist ein aktives medizinisches Implantat, insbesondere ein medizinelektronisches Gerät, wie etwa ein Herzschrittmacher, beschrieben, wobei in das Implantat ein schwingungs- oder rotationsfähiges mechanisches System eingesetzt wird. Hierzu werden Magnete und ein Rotor verwendet. Die vorbekannte Lösung ist jedoch sehr aufwändig und groß. Darüber hinaus sind auch zur Erzeugung der elektrischen Energie mehrere Magnete außerhalb des Körpers angeordnet. For the operation of cardiac pacemakers and various types of sensors that perform measurements or controls in living beings or to detect the biological function of living things, battery or battery systems are known. A disadvantage of the known systems, however, is that they only provide a finite amount of energy. This means they have to be replaced or reloaded over and over again. This is often complicated and in particular associated with cardiac pacemakers with risks to the patient. In the DE 10 2009 001 042 A1 is an active medical implant, in particular a medical electronic device, such as a pacemaker, described, wherein in the implant, a vibratory or rotary mechanical system is used. For this purpose, magnets and a rotor are used. However, the previously known solution is very complex and large. In addition, several magnets are arranged outside the body for the generation of electrical energy.

Die US 2011/0046693 A1 zeigt eine Ladevorrichtung zur Energieerzeugung, wobei verschiedene elektronische Komponenten von Implantaten in Lebewesen mit Energie versorgt werden. Die vorbekannte Ladevorrichtung umfasst eine Spule und drehbar angeordnete Dauermagnete, die verteilt auf einer Magnetträgerplatte befestigt sind. Hierzu greifen Elektroden der Applikation in die biologischen Strukturen im menschlichen Körper ein. Allerdings müssen diese durch von außen angelegte Induktionssysteme versorgt oder geladen werden. The US 2011/0046693 A1 shows a charging device for power generation, wherein various electronic components of implants are energized in living beings. The known charging device comprises a coil and rotatably arranged permanent magnets which are mounted distributed on a magnetic carrier plate. For this purpose, electrodes of the application engage in the biological structures in the human body. However, these must be supplied or charged by external induction systems.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ladevorrichtung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, bei der die erforderlichen Teile kompakt ausgebildet und angeordnet sind und auf diese Weise komplett, innerhalb eines Implantates befindlich, in das Lebewesen, zum Beispiel die Brust eines Patienten für den Betrieb eines Herzschrittmachers, eingesetzt werden können. The present invention has for its object to provide a loading device of the type mentioned, in which the required parts are compact and arranged and arranged in this way completely, located within an implant, in the living being, for example, the chest of a patient for the Operation of a pacemaker, can be used.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Integrierung in das Implantat, wobei die Spule als Ring ausgebildet und zwischen unteren und oberen U-förmigen Eisen-Jochen angeordnet ist und wobei die Magnetträgerplatte als Unwuchtscheibe ausgebildet ist. According to the invention this object is achieved by an integration in the implant, wherein the coil is formed as a ring and disposed between the lower and upper U-shaped iron yokes and wherein the magnetic carrier plate is formed as an imbalance disk.

Einer der wesentlichen Vorteile der Erfindung besteht darin, dass die elektrische Energie für Herzschrittmacher oder für andere Sensoren oder Speichersysteme allein durch die Bewegung des Trägers bzw. Lebewesens erzeugt wird. Teile außerhalb des Körpers des Lebewesens sind nicht notwendig. Erfindungsgemäß wird die Bewegungsenergie durch die Unwuchtscheibe erzeugt. Für den Träger besteht keine Gefährdung durch die Ladevorrichtung, da sich alle Funktionsteile erfindungsgemäß innerhalb des Gehäuses von Herzschrittmachern befinden und in keiner Weise Körperfunktionen von Lebewesen beeinträchtigen können. One of the significant advantages of the invention is that the electrical energy for pacemakers or for other sensors or storage systems is generated solely by the movement of the wearer. Parts outside the body of the living being are not necessary. According to the invention, the kinetic energy is generated by the imbalance disk. There is no danger to the wearer as a result of the loading device, since all functional parts are according to the invention inside the housing of cardiac pacemakers and can in no way impair bodily functions of living beings.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass für den Träger, zum Beispiel für den Patienten mit einem Herzschrittmacher, die Lebensqualität weitgehend erhalten bleiben kann, da keine von außen anzuwendenden Ladesysteme erforderlich sind. Insbesondere kann dem Patienten gegebenenfalls eine weitere Operation zum Austausch des Energiespeichers erspart werden. Another advantage of the solution according to the invention is that for the wearer, for example for the patient with a cardiac pacemaker, the quality of life can largely be maintained since no externally applicable charging systems are required. In particular, the patient can optionally be spared from a further operation for exchanging the energy store.

Die auf der drehbar gelagerten Magnetträgerplatte sitzenden Permanentmagnete arbeiten mit der Spule in bekannter Weise zur Erzeugung einer elektrischen Spannung zusammen. Durch senkrecht zur Spule wirkende Feldlinien ergibt sich nach dem Lorentz-Prinzip eine Verschiebung der Elektronen in der Spule und somit eine Potentialdifferenz (elektrische Spannung). The sitting on the rotatably mounted magnetic carrier plate permanent magnets work with the coil in a known manner to generate an electrical voltage together. By acting perpendicular to the coil field lines results according to the Lorentz principle, a shift of the electrons in the coil and thus a potential difference (electrical voltage).

Eine sehr vorteilhafte Ausbildung der Erfindung kann darin bestehen, dass die Ausbildung der als Ring ausgebildete Spule wenigstens annähernd eine Mäanderform aufweist. Hierzu kann die Mäanderform entsprechend in Umfangsrichtung verlaufende Abschnitte mit dazwischen liegenden, radial verlaufenden Abschnitten aufweisen. Durch die Mäanderform ergibt sich eine, von der Polzahl abhängige Vervielfachung des wirkenden Querschnittes der Magnetfeldlinien mit den radial verlaufenden Spulenabschnitten, wodurch eine hohe Effektivität zur Spannungserzeugung geschaffen wird. A very advantageous embodiment of the invention may consist in that the formation of the coil designed as a ring has at least approximately a meandering shape. For this purpose, the meandering shape can have correspondingly circumferentially extending sections with radially extending sections therebetween. The meandering shape results in a multiplying of the effective cross-section of the magnetic field lines with the radially extending coil sections, which depends on the number of poles, thereby creating a high degree of effectiveness for generating voltage.

Die erfindungsgemäße Ladevorrichtung hat aufgrund ihrer Effektivität auch den Vorteil, dass zum Beispiel Akkus kleiner gehalten werden können. Durch den Einbau der erfindungsgemäßen Ladevorrichtung in den Herzschrittmacher vergrößern sich dessen Abmessungen nicht, was insbesondere für das Einsetzen dieser Implantate in die Brust eines Patienten von Bedeutung ist. Due to its effectiveness, the charging device according to the invention also has the advantage that, for example, batteries can be kept smaller. By installing the charging device according to the invention in the pacemaker its dimensions do not increase, which is particularly important for the insertion of these implants in the chest of a patient of importance.

Die Unwucht für eine die Magnetträgerplatte und Jochträger enthaltende Unwuchtscheibe kann auf verschiedene Weise erzeugt werden. Eine mögliche Ausgestaltung kann darin bestehen, dass über den Umfang der Unwuchtscheibe verteilt ein oder mehrere unregelmäßig angeordnete Aussparungen, Löcher, Durchbrechungen oder dergleichen vorgesehen sind. Diese können beispielsweise nur in bzw. auf einer Hälfte der Unwuchtscheibe eingebracht sein. The imbalance for an unbalance disk containing the magnetic carrier plate and yoke carrier can be produced in various ways. One possible embodiment may be that one or more irregularly arranged recesses, holes, openings or the like are provided distributed over the circumference of the imbalance disk. For example, these can only be in or be introduced on one half of the unbalance disk.

Anstelle von Aussparungen, Löchern oder Durchbrechungen oder zusammen mit diesen können auch Zusatzgewichte auf der Unwuchtscheibe zur Ausbildung einer entsprechenden Unwucht vorgesehen sein. Instead of recesses, holes or openings or together with these additional weights may be provided on the unbalance disk to form a corresponding imbalance.

Der Vorteil einer Anordnung der Dauermagnete auf einer rotierenden Unwuchtscheibe und einer demgegenüber feststehenden Spule, die zwischen den Jochen der Magnete mit geringem Abstand angeordnet sind, besteht darin, dass im Betrieb kein Verschleiß auftritt. An der auf einem Spulenträger stationär angeordneten Spule können verschleißfrei Kontaktanschlüsse angeordnet werden. Gesonderte Schleifkontakte sind deshalb nicht erforderlich. Demgegenüber unterliegen die rotierenden Magnete keinem Verschleiß. The advantage of an arrangement of the permanent magnets on a rotating unbalance disk and a coil which is stationary in comparison and which are arranged at a small distance between the yokes of the magnets, is that no wear occurs during operation. At the stationarily arranged on a bobbin spool contact connections can be arranged wear. Separate sliding contacts are therefore not required. In contrast, the rotating magnets are not subject to wear.

Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel, aus dem weitere erfindungsgemäße Vorteile hervorgehen, anhand der Zeichnung prinzipmäßig beschrieben. Below is an embodiment, will emerge from the further advantages of the invention, described in principle with reference to the drawings.

Es zeigt: It shows:

1 einen Schnitt durch die erfindungsgemäße Ladevorrichtung; 1 a section through the charging device according to the invention;

2 eine Draufsicht auf die Ladevorrichtung nach der 1 (ohne Deckplatte). 2 a plan view of the loading device according to the 1 (without cover plate).

Die Ladevorrichtung weist eine Grundplatte 1 auf mit einem darauf angeordneten Spulenträger 2. Auf dem Spulenträger 2 ist eine Spule 3 in Mäanderform angeordnet. Die Spule 3 erstreckt sich mit jeweils sehr geringem Abstand in das Innere einer Vielzahl von U-förmigen Eisen-Jochen, 4 die jeweils paarweise unter 4a und über 4b zylindrischen Permanent-Magneten 5 angeordnet sind. Die zylindrischen Permanent-Magnete 5 sind am äußeren Umfang eines Magnetträgers 6 angeordnet. Der Magnetträger 6 ist als Teil einer Unwuchtscheibe ausgebildet und besitzt zur Rotation ein Präzisionslager 7. Das Präzisionslager 7 ist auf einer Seite in der Grundplatte 1 und auf der gegenüberliegenden Seite in einer Deckplatte 8 gelagert. The loading device has a base plate 1 on with a coil carrier arranged thereon 2 , On the coil carrier 2 is a coil 3 arranged in meandering form. The sink 3 extends at a very small distance in the interior of a variety of U-shaped iron yokes, 4 each in pairs 4a and over 4b cylindrical permanent magnet 5 are arranged. The cylindrical permanent magnets 5 are on the outer circumference of a magnet carrier 6 arranged. The magnet carrier 6 is designed as part of an imbalance disk and has a precision bearing for rotation 7 , The precision bearing 7 is on one side in the base plate 1 and on the opposite side in a cover plate 8th stored.

Durch die Deckplatte 8 werden die Grundplatte 1, der Spulenträger 2, die Spule 3 und der Magnetträger 6 mit seinen darauf angeordneten Permanent-Magneten 5 nach außen abgedeckt. Auf diese Weise wird eine geschlossene Einheit gebildet. Die Verbindung zur Einheit kann zum Beispiel durch Verschraubungen zwischen der Grundplatte 1 und der Deckplatte 8 erfolgen. Selbstverständlich sind auch im Rahmen der Erfindung noch andere Verbindungsmittel möglich, wie zum Beispiel Verklebung. Through the cover plate 8th become the base plate 1 , the coil carrier 2 , the sink 3 and the magnet carrier 6 with its permanent magnets on it 5 covered to the outside. In this way, a closed unit is formed. The connection to the unit can, for example, by screwing between the base plate 1 and the cover plate 8th respectively. Of course, other connection means are possible in the context of the invention, such as bonding.

Wie aus der 2 ersichtlich ist, weist die Spule 3 eine Mäanderform auf mit einer Vielzahl von in Umfangsrichtung verlaufenden Bereichen, die abgerundet sind, und dazwischen liegenden in radialer Richtung verlaufenden Bereichen. Die Spule 3 in Mäanderform ist zwischen den unteren und den oberen U-förmigen Eisen-Jochen 4a und 4b mit geringem Abstand zu diesen angeordnet. Die U-förmigen Eisen-Joche 4a, 4b sitzen jeweils auf unterhalb und oberhalb des Magnetträgers 6 angeordneten Jochträgerplatten 9a und 9b. Like from the 2 it can be seen, the coil points 3 a meandering shape having a plurality of circumferentially extending portions that are rounded and intervening radially extending portions. The sink 3 in meandering shape is between the lower and the upper U-shaped iron yokes 4a and 4b arranged at a small distance to these. The U-shaped iron yokes 4a . 4b each sit on below and above the magnet carrier 6 arranged Jochträgerplatten 9a and 9b ,

Die Magnetträgerplatte 6 und Jochträgerplatten 9a, 9b dienen in ihrer Kombination gleichzeitig als Unwuchtscheibe. The magnetic carrier plate 6 and yoke carrier plates 9a . 9b at the same time serve as an imbalance disc in their combination.

Wie weiter aus der 2 ersichtlich ist, sind die vorgenannten Platten 6, 9a und 9b mit Aussparungen 10 versehen. In der 2 sind beispielsweise drei kreisförmige Aussparungen 10 vorgesehen, die sich auf einer Hälfte der vorgenannten Platten 6, 9a und 9b befinden. Selbstverständlich sind auch noch andere Ausführungsformen möglich. Wesentlich ist lediglich, dass durch diese Aussparungen 10, eventuell auch in Verbindung mit Zusatzgewichten, eine Unwucht erzeugt wird, wodurch sich bei Bewegung des Lebewesens entsprechend die gewünschte Spannung induktiv durch das Zusammenwirken der zylindrischen Permanent-Magneten 5 mit der Spule 3 ergibt. How further from the 2 is apparent, are the aforementioned plates 6 . 9a and 9b with recesses 10 Mistake. In the 2 For example, there are three circular recesses 10 provided on one half of the aforementioned plates 6 . 9a and 9b are located. Of course, other embodiments are possible. It is only important that through these recesses 10 , possibly also in conjunction with additional weights, an imbalance is generated, whereby upon movement of the living being according to the desired voltage inductively by the interaction of the cylindrical permanent magnets 5 with the coil 3 results.

Eine reine Mäanderform ist selbstverständlich nicht unbedingt erforderlich. Auch strahlen- oder sternförmige Ausbildungen oder andere Formen der ringförmigen Spule sind möglich, um eine möglichst hohe Effizienz für die Spannungserzeugung zu erreichen. A pure meander shape is of course not absolutely necessary. Radial or star-shaped formations or other forms of the annular coil are also possible in order to achieve the highest possible efficiency for the generation of voltage.

Da die Richtung der induzierten Spannung abhängig ist von der Bewegungsrichtung der durch Magnetträgerplatte 6 und den Jochträgerplatten 9a, 9b ausgebildeten Unwuchtscheibe, muss noch eine Gleichrichtung erfolgen, auf welche jedoch hier nicht näher eingegangen wird. Since the direction of the induced voltage is dependent on the direction of movement of the magnetic carrier plate 6 and the yoke carrier plates 9a . 9b formed unbalance disk, a rectification still has to be done, which will not be discussed here.

Die vorstehend beschriebene Ladevorrichtung ist insbesondere als induktives Selbstladesystem für Herzschrittmacher geeignet. Durch die erfindungsgemäße Ladevorrichtung kann eine Zyklusverlängerung für Herzschrittmacher erreicht und gegebenenfalls sogar eine weitere Operation zum Austausch des Herzschrittmachers für einen Batterie- oder Akkuwechsel mit allen damit verbundenen Risiken eingespart werden. The charging device described above is particularly suitable as an inductive self-charging system for pacemakers. By means of the charging device according to the invention, a cycle extension for pacemakers can be achieved and possibly even a further operation for replacing the pacemaker for a battery or rechargeable battery change with all the associated risks can be saved.

Der Einsatzbereich der induktiven Selbstladevorrichtung ist jedoch nicht nur auf die Anwendung in der Kardiologie beschränkt. Ein weiteres Einsatzgebiet der erfindungsgemäßen Ladevorrichtung sind auch Implantate für erblindete Personen. Dabei werden Kameramodule in das erblindete Auge eingesetzt, wobei anschließend eine Umwandlung in elektronische Impulse derart erfolgt, dass diese vom Nervensystem im Gehirn aufgenommen werden können, um dem Patienten einen Bildeindruck zu vermitteln. Auch hierbei könnte zur Energieversorgung des Kameramoduls und der weiteren erforderlichen Teile das erfindungsgemäße Ladegerät verwendet werden. However, the field of application of the inductive self-charging device is not limited only to the application in cardiology. Another application of the charging device according to the invention are implants for blind people. In this case, camera modules are inserted into the blinded eye, wherein subsequently a conversion into electronic pulses takes place in such a way that they can be recorded by the nervous system in the brain in order to give the patient a picture impression. Again, the charger according to the invention could be used to power the camera module and the other required parts.

Ähnliches gilt für Hörgeräte von Patienten. The same applies to hearing aids of patients.

Claims

Charging device for charging an accumulator located in an implant, for supplying the implant in living beings with electrical energy with a coil ( 3 ) and rotatably arranged permanent magnets ( 5 ) distributed over the circumference on a magnetic carrier plate ( 6 ), characterized by an integration of the loading device in the implant, wherein the coil ( 3 ) formed as a ring and between lower and upper U-shaped iron yokes ( 4a . 4b ) is arranged and wherein the magnetic carrier plate ( 6 ) is designed as an imbalance disk.

Loading device according to claim 1, characterized by an integration in an implanted cardiac pacemaker.

Loading device according to claim 1 or 2, characterized in that the coil ( 3 ) has at least approximately a meandering shape.

Loading device according to claim 3, characterized in that the meandering shape has circumferentially extending portions with radially extending portions therebetween.

Loading device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the unbalance disk with irregularly distributed over the circumference arranged one or more recesses, holes, openings or the like ( 10 ) is provided.

Loading device according to claim 5, characterized in that the unbalance disk with recesses ( 10 ), which are located substantially on one half of the unbalance disk.

Loading device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the unbalance disk is provided with unevenly distributed over the circumference arranged additional weights.

Loading device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the coil ( 3 ) on a bobbin carrier ( 2 ) is arranged stationary and provided with contact terminals.

Loading device according to claim 8, characterized in that the coil carrier ( 2 ) on a base plate ( 1 ) is arranged.

Loading device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the base plate ( 1 ), the coil carrier ( 2 ), the sink ( 3 ) and the magnetic carrier ( 6 ) with the magnets ( 5 ) by a cover plate ( 8th ) and connected together as a closed unit.