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DE102018206750A1 - Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung in einen menschlichen Körper und deren Verwendung - Google Patents

Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung in einen menschlichen Körper und deren Verwendung Download PDF

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DE102018206750A1
DE102018206750A1 DE102018206750.3A DE102018206750A DE102018206750A1 DE 102018206750 A1 DE102018206750 A1 DE 102018206750A1 DE 102018206750 A DE102018206750 A DE 102018206750A DE 102018206750 A1 DE102018206750 A1 DE 102018206750A1
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conducting
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Ingo Stotz
Samuel Vasconcelos Araujo
Michael Jiptner
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Kardion GmbH
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Kardion GmbH
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (10; 10a) zur induktiven Energieübertragung in einen menschlichen Körper (1), mit einer Sendeeinheit (11) mit einem Gehäuse (12), in dem zumindest eine Sendespule (14) angeordnet ist, wobei das Gehäuse (12) eine Kontaktfläche (23) aufweist, die dazu ausgebildet ist, in Anlagekontakt mit Gewebe (2) des Körpers (1) angeordnet zu werden, und mit einer im Körper (1) positionierbaren Empfangseinheit (20) mit einer Empfangsspule (21).

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung in einen menschlichen Körper mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
  • Aus dem Stand der Technik sind diverse Vorrichtungen zur induktiven Energieübertragung bekannt, mittels derer Akkus geladen werden können. So ist beispielsweise das induktive Laden des Akkus eines Smartphones in einer entsprechenden Ladeeinrichtung bekannt, bei der eine Energieübertragung zwischen einer Sendespule in der Ladeeinrichtung und einer Empfangsspule innerhalb des Mobiltelefons vorgesehen ist. Weiterhin sind derartige induktive Ladevorgänge auch aus der Automobiltechnik beim kontaktlosen Laden einer dem Antrieb des Fahrzeugs dienenden Antriebsbatterie bekannt.
  • Weiterhin ist es aus der Medizintechnik bekannt, in einen menschlichen Körper Geräte zu implantieren, die mittels eines Akkus betrieben werden. Eine derartige gattungsgemäße Vorrichtung ist aus der DE 10 2016 106 683 A1 bekannt. Die bekannte Vorrichtung ist Bestandteil eines sogenannten VAD (Ventricular Assist Device) - Systems, das eine der Unterstützung des Herzens eines Patienten dienende Pumpe aufweist. Da der Energiebedarf einer derartigen Pumpe relativ hoch ist, ist es erforderlich, das der Patient die Sendeeinheit zur Energieübertragung üblicherweise ständig trägt. Dabei ergibt sich neben einem gewünschten hohen Tragekomfort insbesondere bei hohen Energieübertragungsraten die Problematik, dass das zwischen der Sendespule und der Empfangsspule befindliche menschliche Gewebe bzw. die Haut u.a. durch die von der Sende- und Empfangseinheit erzeugte (Verlust-) Wärme erwärmt wird. Aus diesem Grund gibt es beispielsweise im Rahmen von Normen vorgeschriebene Vorgaben, die zum Beispiel eine Erwärmung zum umliegenden Gewebe der Vorrichtung um maximal zwei Kelvin erlauben (ISO 14708-1; 17.1).
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung in einen menschlichen Körper mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass die thermische Belastung des menschlichen Gewebes bzw. der Haut des Patienten zwischen der in dem Körper angeordneten Empfangseinheit und der in Anlagekontakt mit dem Körper angeordneten Sendeinheit reduziert wird. Dadurch ist es möglich, relativ hohe Energieübertragungsraten in Richtung der Empfangseinheit zu ermöglichen. Dies hat insbesondere beim Einsatz bzw. der Verwendung von relativ großen Leistungen aufweisenden Systemen, (beispielsweise im Rahmen eines VAD-Systems) den Vorteil, dass eine relativ kurze Ladedauer erzielbar ist, sodass eine vergrößerte Flexibilität hinsichtlich einer ggf. verringerten Tragedauer der Sendeeinheit am Körper des Patienten ermöglicht wird.
  • Erfindungsgemäß ist es hierzu gemäß der Lehre des Anspruchs 1 vorgesehen, dass zwischen der Sendespule und der Kontaktfläche des Gehäuses zum Körper des Patienten, in der die Sendespule angeordnet ist, ein wärmeisolierendes Element angeordnet ist, das eine schlechtere Wärmeleitfähigkeit aufweist als das Grundmaterial des Gehäuses, und dass zumindest im Bereich der Kontaktfläche auf der der Sendespule abgewandten Seite des wärmeisolierenden Elements ein wärmeleitendes Element an einer Außenfläche des Gehäuses angeordnet ist, wobei das wärmeleitende Element aus einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von 1W/mK oder mehr besteht.
  • Die erfindungsgemäß vorgesehene Kombination eines wärmeisolierenden Elements auf der Seite des Gehäuses der Vorrichtung und eines wärmeleitenden Elements, das in Kontakt mit dem menschlichen Körper angeordnet ist, bewirkt zweierlei: Einerseits wird die Wärmeeinkopplung von den Gehäuse der Sendeeinheit durch die Eigenerwärmung der Sendeeinheit in den menschlichen Körper dadurch verringert, dass durch das wärmeisolierende Element der Wärmeübergang in Richtung der Haut bzw. des Gewebes des menschlichen Körpers erschwert bzw. verringert wird. Andererseits wird ein Wärmepfad von dem erwärmten menschlichen Gewebe an die Umgebung bereitgestellt, der die Erwärmung des menschlichen Gewebes reduziert bzw. verringert.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung in einen menschlichen Körper sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
  • Eine erste bevorzugte konstruktive Ausgestaltung der Vorrichtung sieht vor, dass das wärmeisolierende Element in Form einer Wärmeisolierfolie, vorzugsweise auf Basis eines Aerogels, ausgebildet ist. Die Verwendung einer derartigen Wärmeisolierfolie mit einer relativ geringen Dicke und hohen Flexibilität hat insbesondere den Vorteil, dass diese eine einfache, platzsparende Anordnung im Gehäuse ermöglicht.
  • Eine konstruktive Ausgestaltung des zuletzt gemachten Vorschlags sieht vor, dass das wärmeisolierende Element als ein von dem Gehäuse separates Element ausgebildet und an einer Innenfläche des Gehäuse angeordnet ist. Dadurch können sowohl für das wärmeisolierende Element, als auch für das Material des Gehäuses jeweils optimierte Materialien verwendet werden.
  • Alternativ ist es auch denkbar, dass das wärmeisolierende Element in Form eines mehrschichtig ausgebildeten, Feinstrukturen aufweisenden Textils ausgebildet ist. Eine derartiges Textil hat insbesondere den Vorteil, dass eine Wärmeübertragung von dem Gehäuse in den Körper erschwert wird. Weiterhin hat eine derartige Ausbildung in Form eines Textils den Vorteil, dass dadurch eine besonders gute Integration der Vorrichtung bzw. des Gehäuses in eine Trageeinrichtung ermöglicht wird. Insgesamt gesehen findet durch das wärmeisolierende Element hauptsächlich eine Wärmeabgabe in Richtung der Umgebung statt, was zu einer Entlastung des (menschlichen) Gewebes führt.
  • Eine erste konstruktive Anordnung bzw. Ausbildung des wärmeleitenden Elements sieht vor, dass das wärmeleitende Element außerhalb der Kontaktfläche zum Körper in Anlagekontakt mit dem Gehäuse angeordnet ist, sodass das wärmeleitende Element dort in Wirkverbindung mit der Umgebungsluft angeordnet ist. In der Praxis wird dies dadurch erzielt, dass beispielsweise das wärmeleitende Element nicht nur im unmittelbaren Bereich der Kontaktfläche zum menschlichen Körper am Gehäuse angeordnet ist, sondern beispielsweise an von dem menschlichen Körper beabstandeten Bereichen des Gehäuses, beispielsweise im Bereich von Seitenwänden des Gehäuses.
  • In Weiterbildung dieses Vorschlags ist es zur Realisieriung einer effektiven und kostengünstigen Herstellung des Gehäuses der Sendeeinheit vorgesehen, dass das Gehäuse als Spritzgußteil aus Kunststoff ausgebildet ist, und dass das wärmeleitende Element als Einlegeteil in ein Formwerkzeug ausgebildet ist, sodass der Kunststoff an das Material des wärmeleitenden Elements angespritzt ist.
  • Alternativ hierzu kann es auch vorgesehen sein, dass das wärmeleitende Element außerhalb der Kontaktfläche zum Gehäuse beabstandet ist, und dass das wärmeleitende Element flexibel ausgebildet ist, sodass das wärmeleitende Element sich an den Körper anschmiegen kann. Es wird dadurch eine Wärmeabstrahlungsfläche an die Umgebung außerhalb des Überdeckungsbereiches des Körpers mit dem Gehäuse erzielt, was für eine verbesserte Wärmeabfuhr sorgt.
  • Als mögliches Material für das wärmeleitende Element können keramikgefüllte Polyurethane vorgesehen sein.
  • Um zusätzliche Verluste aufgrund magnetischer Induktion zu vermeiden, ist es darüber hinaus vorgesehen, dass das wärmeleitende Element aus einem nichtmetallischen und nicht elektrisch leitfähigen Material besteht und eine Permeabilität von weniger als 100 aufweist.
  • Zuletzt umfasst die Erfindung auch die Verwendung einer soweit beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Energieübertragung in einen menschlichen Körper, insbesondere als Bestandteil eines VAD-Systems.
    Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
  • Diese zeigt in:
    • 1 eine vereinfachte schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur induktiven Energieübertragung bei einer ersten konstruktiven Gestaltung eines wärmeleitenden Elements, bei der dieses vollständig im Bereich eines Gehäuses der Vorrichtung angeordnet ist und
    • 2 eine Darstellung ähnlich der 1, bei der das wärmeleitende Element das Gehäuse der Vorrichtung seitlich überragt und in Anlagekontakt mit einem menschlichen Körper angeordnet ist.
  • Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
  • In der 1 ist eine erste Vorrichtung 10 zur induktiven Energieübertragung in einen menschlichen Körper 1 stark vereinfacht dargestellt. Die Vorrichtung 10 ist insbesondere Bestandteil eines im Einzelnen nicht dargestellten VAD-Systems 100, das zum Antreiben einer die Herzfunktion eines Patienten unterstützenden Pumpe mittels eines Akkus dient. Der in der 1 nicht dargestellte Akku wird mittels der Vorrichtung 10 geladen. Dabei kann der Akku entweder Bestandteil der Vorrichtung 10 sein, oder aber von dieser örtlich getrennt, beispielsweise in Herznähe, angeordnet sein.
  • Die Vorrichtung 10 weist eine Sendeeinheit 11 mit einem vorzugsweise aus Kunststoff bestehenden und als Spritzgußteil ausgebildeten, üblicherweise mehrteiligen Gehäuse 12 auf. Im Innenraum des einen schalenförmigen Grundkörper 13 aufweisenden Gehäuses 12 sind u.a. eine vereinfacht dargestellte Sendespule 14, bestehend aus einem scheibenförmigen Magnetkern 16 und Drahtwicklungen 18 angeordnet. Selbstverständlich sind innerhalb des Gehäuses 12 noch weitere Bauteile angeordnet, die jedoch der Einfachheit halber nicht dargestellt sind.
  • Die Sendespule 14 wirkt mit einer innerhalb des Körpers 1 angeordneten Empfangseinheit 20 zusammen, die im Körper 1 implantiert ist. Die Empfangseinheit 20 umfasst u.a. eine lediglich symbolisch dargestellte Empfangsspule 21, in die mittels der Sendespule 14 Energie zum Löaden des Akkus induziert wird.
  • Die Sendeeinheit 11 bzw. das Gehäuse 12 weist einen Kontaktbereich 23 auf, in dem das Gehäuse 12 zumindest mittelbar in Kontakt mit dem Körper 1 des Patienten angeordnet ist, wobei sich zwischen der Empfangseinheit 20 und der Sendeeinheit 11 menschliches Gewebe 2 bzw. Haut befindet.
  • Das Gehäuse 12 der Sendeeinheit 11 weist vorzugsweise einen aus gut wärmeleitenden Material bestehenden Gehäusedeckel 24 auf, um die durch Eigenerwärmung der Sendeeinheit 11 entstehende Wärme durch Wärmeabstrahlung an die Umgebung zu verbessern, was durch die Pfeile 3 verdeutlicht sein soll. Weiterhin ist beispielhaft an einer Innenfläche 25 des Gehäuses 12 zwischen der Sendespule 14 und dem Kontaktbereich 23 ein wärmeisolierendes Element 26 angeordnet. Das wärmeisolierende Element 26 ist vorzugsweise in Form einer wärmeisolierenden Folie, besonders bevorzugt basierend auf einem Aerogel, ausgebildet. Es ist auf der dem Kontaktbereich 23 zugewandten Seite in vollständiger Überdeckung mit der Sendespule 14 angeordnet und ragt beispielhaft seitlich bis in Seitenwandbereiche des Gehäuses 12. Insbesondere ist es vorgesehen, dass das Material des wärmeisolierenden Elements 26 eine schlechtere Wärmeleitfähigkeit aufweist als das Grundmaterial des Kunststoffes des Gehäuses 12.
  • Zwischen dem Gehäuse 12 und dem Körper 1 ist darüber hinaus an der Außenseite des Gehäuses 12 ein wärmeleitendes Element 30 angeordnet. Das wärmeleitende Element 30, das sich im Kontaktbereich 23 in unmittelbarem Anlagekontakt mit dem Körper 1 befindet, besteht aus einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von mehr als 1 W/mK. Das wärmeleitende Element 30 dient der Ableitung von beim induktiven Ladevorgang in dem Körper 1 bzw. dem Gewebe 2 entstehender Wärme aus dem Körper 1. Hierzu ist es bei der Vorrichtung 10 vorgesehen, dass das wärmeleitende Element 30, das beispielsweise aus einem keramikgefüllten Polyurethan besteht, die Bereiche, in denen es in direktem Anlagekontakt mit dem Körper 1 ist, seitlich überragt. Konkret ist es vorgesehen, dass das wärmeleitende Element 30 außen bis an Seitenwände 32 des Gehäuses 12 geführt ist. Von dort ist eine direkte Wärmeübertragung bzw. Konvektion an die Umgebungsluft möglich, was ebenfalls durch die Pfeile 3 verdeutlicht sein soll. Zusätzlich kann durch nicht dargestellte Modifikationen des Elements 30 dessen Oberfläche vergrößert werden, was die Konvektion an die Umgebungsluft verbessert.
  • Die in der 2 dargestellte Vorrichtung 10a unterscheidet sich von der Vorrichtung 10 dadurch, dass ein wärmeleitendes Element 30a verwendet wird, das den Kontaktbereich 23 bzw. das Gehäuse 12 seitlich überragt und in direktem Anlagekontakt mit dem Körper 1 angeordnet ist bzw. sich an den Körper 1 anschmiegt. Dadurch ist eine direkte Wärmeübertragung und Konvektion von dem Gewebe 2 außerhalb des Kontaktbereichs 23 des Gehäuses 12 an die Umgebungsluft möglich.
  • Die soweit beschriebene Vorrichtung 10, 10a kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102016106683 A1 [0003]

Claims (10)

  1. Vorrichtung (10; 10a) zur induktiven Energieübertragung in einen menschlichen Körper (1), mit einer Sendeeinheit (11) mit einem Gehäuse (12), in dem zumindest eine Sendespule (14) angeordnet ist, wobei das Gehäuse (12) eine Kontaktfläche (23) aufweist, die dazu ausgebildet ist, in Anlagekontakt mit Gewebe (2) des Körpers (1) angeordnet zu werden, und mit einer im Körper (1) positionierbaren Empfangseinheit (20) mit einer Empfangsspule (21), dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Sendespule (14) und der Kontaktfläche (23) ein wärmeisolierendes Element (26) angeordnet ist, das eine schlechtere Wärmeleitfähigkeit aufweist als ein Grundmaterial des Gehäuses (12), und dass zumindest im Bereich der Kontaktfläche (23) auf der der Sendespule (14) abgewandten Seite des wärmeisolierenden Elements (26) ein wärmeleitendes Element (30; 30a) an einer Außenseite des Gehäuses (12) angeordnet ist, wobei das wärmeleitende Element (30; 30a) aus einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von 1W/mK oder mehr besteht.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wärmeisolierende Element (26) in Form einer Wärmeisolierfolie, vorzugsweise auf Basis eines Aerogels, ausgebildet ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das wärmeisolierende Element (26) als ein von dem Gehäuse (12) separates Element (26) ausbildet und an einer Innenfläche (25) des Gehäuses (12) angeordnet ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wärmeisolierende Element (26) in Form eines mehrschichtig ausgebildeten, Feinstrukturen aufweisenden Textils ausgebildet ist.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das wärmeleitende Element (30) außerhalb der Kontaktfläche (23) in Anlagekontakt mit dem Gehäuse (12) angeordnet ist, sodass das wärmeleitende Element (30) dort in Wirkverbindung mit der Umgebungsluft angeordnet ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (12) als Spritzgußteil aus Kunststoff ausgebildet ist, und dass das wärmeleitende Element (30; 30a) als Einlegeteil in ein Formwerkzeug ausgebildet ist, sodass der Kunststoff des Gehäuses (12) an das Material des wärmeleitenden Elements (30; 30a) angespritzt ist.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das wärmeleitende Element (30a) außerhalb der Kontaktfläche (23) zum Gehäuse (12) beabstandet ist, und dass das wärmeleitende Element (30a) flexibel ausgebildet ist, sodass sich das wärmeleitende Element (30a) an das Gewebe (2) des Körpers (1) anschmiegen kann.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das wärmeleitende Element (30; 30a) keramikgefülltes Polyurethan aufweist.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das wärmeleitende Element (30; 30a) aus einem nichtmetallischen und nicht elektrisch leitfähigen Material besteht und eine Permeabilität von weniger als 100 aufweist.
  10. Verwendung einer Vorrichtung (10; 10a), die nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet ist, zur Energieübertragung in einen menschlichen Körper (1), insbesondere als Bestandteil eines VAD-Systems (100)
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