RU92798U1

RU92798U1 - IMPLANTED MEDICAL DEVICE

Info

Publication number: RU92798U1
Application number: RU2009137466/22U
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Николаевич Клыпин; Александр Николаевич Лепетаев; Андрей Кириллович Чернышев
Original assignee: Российская Федерация, от имени которой выступает Федеральное Агентство по науке и инновациям
Priority date: 2009-10-12
Filing date: 2009-10-12
Publication date: 2010-04-10

Abstract

1. Имплантируемый медицинский прибор, включающий электронную схему и узел приема индукционной энергии, состоящий из приемной катушки индуктивности, магнитного экрана, выполненного из аморфного сплава и установленного между приемной катушкой и корпусом имплантата, причем в магнитном экране выполнены прорези, расположенные радиально от центра экрана к его периферии, отличающийся тем, что узел приема дополнительно содержит электрический экран, выполненный из металла с высокой электропроводностью, установленный между магнитным экраном и корпусом имплантата, диэлектрическую подложку, расположенную между магнитным экраном и приемной катушкой, и защитное покрытие из биоинертного медицинского диэлектрического материала, покрывающее приемную катушку, причем электрический экран, магнитный экран и приемная катушка индуктивности выполнены в виде металлических покрытий, последовательно наносимых на боковую стенку имплантата, обращенную к приемной катушке. ! 2. Имплантируемый медицинский прибор по п.1, отличающийся тем, что электрический экран выполнен из серебра или меди. !3. Имплантируемый медицинский прибор по п.1, отличающийся тем, что приемная катушка выполнена из серебряных, медных, или посеребренных медных проводников, расположенных на диэлектрической подложке. 1. An implantable medical device, including an electronic circuit and an induction energy reception unit, consisting of a receiving inductor, a magnetic screen made of an amorphous alloy and installed between the receiving coil and the implant body, with slots made radially from the center of the screen to the magnetic screen its periphery, characterized in that the receiving unit further comprises an electric screen made of metal with high electrical conductivity, mounted between the magnetic screen and the implant body, a dielectric substrate located between the magnetic screen and the receiving coil, and a protective coating of bioinert medical dielectric material covering the receiving coil, and the electric screen, magnetic screen and the receiving inductor are made in the form of metal coatings sequentially applied to the side wall of the implant, facing the pickup coil. ! 2. The implantable medical device according to claim 1, characterized in that the electric screen is made of silver or copper. ! 3. The implantable medical device according to claim 1, characterized in that the receiving coil is made of silver, copper, or silver-plated copper conductors located on a dielectric substrate.

Description

Полезная модель относится к медицинской технике, а именно касается чрезкожной беспроводной передачи энергии для заряда аккумулятора имплантата и может быть использована для электропитания или заряда аккумуляторов любых имплантируемых приборов - кардиостимуляторов, кардиовертеров-дефибрилляторов, нейростимуляторов, дозаторов лекарств и т.п. The utility model relates to medical equipment, namely, percutaneous wireless energy transfer for charging the implant battery and can be used to power or charge the batteries of any implantable devices - pacemakers, cardioverter defibrillators, neurostimulators, drug dispensers, etc.

Известны устройства чрезкожной передачи энергии, состоящие из внешнего (носимого) блока передачи энергии по индукционному каналу и внутреннего (имплантируемого) блока приема энергии. Блок передачи энергии состоит из передающей катушки индукционного канала, преобразователя энергии постоянного тока в энергию переменного тока индуцируемой высокой частоты, модуля приемопередатчика данных между внешним и внутренним блоками, модуля индикации позиционирования передающей и приемной катушек, модуля управления. Блок приема энергии состоит из приемной индукционной катушки, преобразователя индуцированной высокой частоты в напряжение постоянного тока, модуля приемопередатчика данных между внешним и внутренним блоками, модуля зарядного устройства, модуля управления.Known devices for percutaneous energy transfer, consisting of an external (wearable) unit for transmitting energy through an induction channel and an internal (implantable) unit for receiving energy. The energy transfer unit consists of a transmitting coil of the induction channel, a converter of direct current energy into induction high-frequency alternating current energy, a data transceiver module between the external and internal blocks, a positioning indication module of the transmitting and receiving coils, and a control module. The energy receiving unit consists of a receiving induction coil, a transducer of induced high frequency into a DC voltage, a data transceiver module between the external and internal blocks, a charger module, and a control module.

Известно множество устройств, построенных по данному принципу. Главное различие между ними состоит в способах физической реализации индукционного канала, т.е. конструкции передающей и приемной катушек. Оптимизация системы катушек нужна для увеличения эффективности передачи энергии. Де-факто стандартом является устройство, описанное в публикации US 5,279,292 A61N 1/00, в котором используются передающая и приемная катушки, настроенные в резонанс на одной частоте.There are many devices built on this principle. The main difference between them is the physical implementation of the induction channel, i.e. design of transmitting and receiving coils. Optimization of the coil system is needed to increase energy transfer efficiency. The de facto standard is the device described in US publication 5,279,292 A61N 1/00, which uses transmit and receive coils tuned to resonance at the same frequency.

Кроме необходимости получения резонанса, высокую эффективность передачи энергии можно получить только при полной соосности (аксиальности) катушек. В патенте US 5,314,453 A61N 1/08 для индикации достижения соосности в центре передающей катушки установлен датчик магнитного поля, а внутри приемной катушки соосно установлен магнит из керамики. В патенте US 6,212,430 В1 и других подобных фирмы Abiomed (US) для эффективной передачи энергии в тело человека во время сна или во время процедур используется система из нескольких передающих катушек, расположенных в матраце кровати и размещенных под разными углами. Подобные решения значительно усложняют и удорожают устройство. Как правило, о достижении соосности судят по максимуму тока в передающей катушке, возникающего при настройке передающего контура в резонанс, или по величине индуцированного напряжения в приемной катушке, при достижении им максимума во время перемещения передающего блока относительно имплантата.In addition to the need for resonance, high energy transfer efficiency can be obtained only with full coaxial (axial) coils. In US Pat. No. 5,314,453 A61N 1/08, a magnetic field sensor is installed in the center of the transmitting coil to indicate alignment, and a ceramic magnet is coaxially mounted inside the receiving coil. In the patent US 6,212,430 B1 and other similar firms Abiomed (US) for the efficient transfer of energy to the human body during sleep or during procedures, a system of several transmitting coils located in the mattress of the bed and placed at different angles is used. Such solutions greatly complicate and cost the device. As a rule, the achievement of alignment is judged by the maximum current in the transmitting coil that occurs when the transmitting circuit is tuned to resonance, or by the magnitude of the induced voltage in the receiving coil, when it reaches a maximum during the movement of the transmitting unit relative to the implant.

Кроме того, на эффективность передачи оказывает большое воздействие материал, из которого выполнен имплантат. Это, как правило, биоинертный металл - титан или его сплавы. Приемная катушка, для уменьшения габаритов устройства в целом, должна располагаться как можно ближе к корпусу имплантата. Она может находиться перед ним и при этом иметь внешний размер, равный максимальному размеру корпуса, либо находиться вокруг него, при этом иметь внутренний размер, равный внешнему размеру корпуса. В обоих случаях металл корпуса оказывает шунтирующее действие на поле, индуцируемое в катушке, и уменьшает ее добротность. В результате форма резонансной кривой в приемном контуре становится пологой, и эффективность передачи энергии падает. Для устранения этого эффекта используют передачу энергии на частотах, где шунтирующее действие проводимости титана не так сказывается - 8…10 кГц (патент US 7,167,756 В1). Однако габаритные размеры резонансных элементов приемного контура на таких частотах становятся больше размеров самого имплантата.In addition, the material from which the implant is made has a great influence on the transmission efficiency. This is usually a bioinert metal - titanium or its alloys. The receiving coil, to reduce the dimensions of the device as a whole, should be located as close as possible to the implant body. It can be in front of it and at the same time have an external size equal to the maximum size of the body, or be around it, while having an internal size equal to the external size of the body. In both cases, the metal of the casing has a shunting effect on the field induced in the coil and reduces its quality factor. As a result, the shape of the resonance curve in the receiving circuit becomes shallow, and the efficiency of energy transfer decreases. To eliminate this effect, energy transfer is used at frequencies where the shunting effect of titanium conductivity is not so affected - 8 ... 10 kHz (US patent 7,167,756 B1). However, the overall dimensions of the resonant elements of the receiving circuit at such frequencies become larger than the dimensions of the implant itself.

Ослабить влияние металлического корпуса имплантата на приемную катушку иначе можно установкой между ними прокладки из материала с большой магнитной проницаемостью - магнитного экрана. Такой экран фокусирует в себе магнитное поле, уменьшая напряженность поля за своими пределами и, тем самым, уменьшая влияние проводимости корпуса имплантата. Чем выше относительная магнитная проницаемость материала экрана, тем лучше концентрация магнитного поля и качество экранирования. В патенте US 2005/0075693 А1 таким магнитным материалом является феррит. Лучшими характеристиками обладает материал из аморфного магнитомягкого сплава CoBSiCrFe, который имеет самую высокую магнитную проницаемость среди магнитных материалов, низкую коэрцитивную силу и малые потери при перемагничивании в широком диапазоне частот. Подобный материал используется в патенте US 2007/0167997 А1 для создания магнитного экрана.To weaken the effect of the metal body of the implant on the receiving coil, otherwise it is possible to install between them gaskets made of a material with high magnetic permeability - a magnetic screen. Such a screen focuses the magnetic field in itself, reducing the field strength beyond its limits and, thereby, reducing the effect of the conductivity of the implant body. The higher the relative magnetic permeability of the screen material, the better the concentration of the magnetic field and the quality of the shielding. In US 2005/0075693 A1, such a magnetic material is ferrite. The best characteristics are possessed by the material from the amorphous soft magnetic alloy CoBSiCrFe, which has the highest magnetic permeability among magnetic materials, low coercive force, and low losses during magnetization reversal over a wide frequency range. A similar material is used in US 2007/0167997 A1 to create a magnetic screen.

При расположении приемной катушки перед корпусом имплантата магнитное поле приложено перпендикулярно поверхности корпуса и индуцирует в нем аксиальные (кольцевые) вихревые токи. Поскольку титан не идеальный проводник (его удельная электрическая проводимость σ_ti=3.6·10⁶Cм/м), эти токи приводят к возникновению потерь в корпусе имплантата и его нагрев. По медицинским требованиям температура любого имплантата не должна превышать 40°C, поэтому передача больших мощностей в такой конструкции невозможна.When the receiving coil is located in front of the implant body, a magnetic field is applied perpendicular to the surface of the body and induces axial (ring) eddy currents in it. Since titanium is not an ideal conductor (its specific electrical conductivity is σ _ti = 3.6 · 10 ⁶ cm / m), these currents lead to losses in the implant body and its heating. According to medical requirements, the temperature of any implant should not exceed 40 ° C, so the transfer of high power in this design is impossible.

Таким образом, изготовление корпуса имплантата из титана приводит к двум отрицательным последствиям - с одной стороны, электропроводность титана шунтирует приемную катушку и этим уменьшает эффективность передачи энергии, с другой стороны, из-за низкой проводимости титана возникают тепловые потери в корпусе, что дополнительно ухудшает коэффициент полезного действия индукционной передачи энергии.Thus, the manufacture of a titanium implant body leads to two negative consequences - on the one hand, the conductivity of titanium shunts the receiving coil and this reduces the energy transfer efficiency, on the other hand, due to the low conductivity of titanium, heat losses occur in the case, which further worsens the coefficient beneficial effects of induction energy transfer.

Наиболее близка к заявляемой полезной модели публикация US 6,850,803 B1 A61N 1/40 (прототип). В данном патенте сделана попытка уменьшить влияние обоих отрицательных составляющих влияния титана -уменьшения добротности приемной катушки и возникновения тепловых потерь за счет индуцируемых вихревых токов.Closest to the claimed utility model publication US 6,850,803 B1 A61N 1/40 (prototype). In this patent, an attempt is made to reduce the influence of both negative components of the effect of titanium — a decrease in the quality factor of the receiving coil and the occurrence of heat loss due to induced eddy currents.

Для уменьшения шунтирования приемной катушки в данном патенте использован магнитный экран - фольга из аморфного сплава. Этот экран отделен от приемной катушки и от титанового корпуса имплантата изоляторами из диэлектрика. Для улучшения магнитного экранирования может быть использован многослойный экран, состоящий из чередующихся слоев фольги из аморфного сплава и диэлектрика.To reduce the bypass of the receiving coil in this patent, a magnetic screen is used - an amorphous alloy foil. This screen is separated from the pickup coil and from the titanium body of the implant by dielectric insulators. To improve magnetic shielding, a multilayer screen consisting of alternating layers of an amorphous alloy and a dielectric foil can be used.

Для того, чтобы уменьшить тепловые потери в титановом корпусе из-за возникновения аксиальных вихревых токов, в данном патенте в магнитном экране сделаны радиальные прорези от центра к краям. Такие прорези уменьшают амплитуду индуцируемых вихревых токов и, как следствие, тепловые потери.In order to reduce heat loss in the titanium case due to the occurrence of axial eddy currents, in this patent, radial slots are made in the magnetic screen from the center to the edges. Such slots reduce the amplitude of the induced eddy currents and, as a consequence, heat loss.

Недостатком данного патента является недостаточное подавление индуцируемых вихревых токов, даже при использовании многослойного экрана. Максимальный КПД, достигнутый авторами публикации, составил 28%.The disadvantage of this patent is the insufficient suppression of induced eddy currents, even when using a multilayer screen. The maximum efficiency achieved by the authors of the publication was 28%.

Недостаток узла приема энергии, предложенного в данном патенте, заключается также в больших габаритах, соизмеримых с размерами самого имплантата. Структура узла, состоящая из корпуса приемной катушки, самой приемной катушки с проволочными выводами, чередующихся слоев фольги из аморфного сплава и диэлектрических пластин, заключенная в отдельный корпус, имеет толщину, практически равную толщине имплантата.The disadvantage of the node receiving energy proposed in this patent is also in large dimensions, commensurate with the size of the implant. The structure of the assembly, consisting of the housing of the receiving coil, the receiving coil itself with wire leads, alternating layers of amorphous alloy foil and dielectric plates, enclosed in a separate housing, has a thickness almost equal to the thickness of the implant.

Кроме того, недостаток патента заключается в низкой технологичности изготовления узла приема энергии. Данная структура узла сложна в изготовлении и монтаже на корпус имплантата, и, соответственно, имеет низкую технологичность и высокую стоимость.In addition, the disadvantage of the patent is the low manufacturability of the power receiving unit. This node structure is difficult to manufacture and install on the implant body, and, accordingly, has low manufacturability and high cost.

Задачей создания полезной модели является повышение эффективности беспроводной передачи энергии в имплантируемые приборы, а также повышение технологичности изготовления узла приема индукционной энергии имплантата.The task of creating a utility model is to increase the efficiency of wireless energy transfer to implantable devices, as well as to increase the manufacturability of the manufacturing unit for receiving the induction energy of the implant.

Поставленная задача достигается тем, что имплантируемый медицинский прибор, включающий электронную схему и узел приема индукционной энергии, состоящий из приемной катушки индуктивности, магнитного экрана, выполненного из аморфного сплава и установленного между приемной катушкой и корпусом имплантата, причем в магнитном экране выполнены прорези, расположенные радиально от центра экрана к его периферии, согласно заявляемому техническому решению, узел приема дополнительно содержит электрический экран, выполненный из металла с высокой электропроводностью, установленный между магнитным экраном и корпусом имплантата, диэлектрическую подложку, расположенную между магнитным экраном и приемной катушкой, и защитный слой биоинертного диэлектрического материала, покрывающий приемную катушку, кроме того, электрический экран, магнитный экран и приемная катушка индуктивности выполнены в виде металлических покрытий, последовательно наносимых на боковую стенку имплантата, обращенную к приемной катушке.This object is achieved in that the implantable medical device, which includes an electronic circuit and an induction energy receiving unit, consisting of a receiving inductor, a magnetic screen made of an amorphous alloy and installed between the receiving coil and the implant body, with cuts located radially in the magnetic screen from the center of the screen to its periphery, according to the claimed technical solution, the receiving unit further comprises an electric screen made of metal with high electrical conductivity installed between the magnetic screen and the implant body, a dielectric substrate located between the magnetic screen and the receiving coil, and a protective layer of bioinert dielectric material covering the receiving coil, in addition, the electric screen, the magnetic screen and the receiving inductor are made in the form of metal coatings, sequentially applied to the side wall of the implant facing the receiving coil.

Электрический экран может быть выполнен из серебра или меди как металлов с самой высокой электропроводностью. Экран может быть нанесен на боковую стенку корпуса имплантата любым химическим или механическим способом.The electric screen can be made of silver or copper as metals with the highest electrical conductivity. The screen can be applied to the side wall of the implant body in any chemical or mechanical way.

Приемная катушка может быть выполнена из серебряных, медных, или посеребренных медных проводников, расположенных на диэлектрической подложке. Подложка может быть выполнена из любого изолирующего материала и нанесена на магнитный экран любым химическим или механическим способом. Токоведущие проводники приемной катушки на поверхности диэлектрической подложки также могут быть изготовлены любым химическим или механическим способом.The receiving coil can be made of silver, copper, or silver-plated copper conductors located on a dielectric substrate. The substrate can be made of any insulating material and applied to the magnetic screen in any chemical or mechanical way. The current-carrying conductors of the receiving coil on the surface of the dielectric substrate can also be manufactured by any chemical or mechanical method.

Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг.1 изображен имплантируемый прибор с интегрированным узлом приема энергии в разрезе.The essence of the utility model is illustrated in the drawing, where Fig. 1 shows an implantable device with an integrated section for receiving energy in a section.

Имплантат содержит: корпус 1 с электронной схемой, электрический экран 2, выполненный из металла с высокой электропроводностью, магнитный экран 3, выполненный из аморфного сплава с прорезями, изолирующую диэлектрическую подложку 4, приемную катушку 5, покрытие из биоинертного медицинского диэлектрика 6.The implant contains: a housing 1 with an electronic circuit, an electric shield 2 made of metal with high electrical conductivity, a magnetic shield 3 made of an amorphous alloy with slots, an insulating dielectric substrate 4, a receiving coil 5, a coating of a bioinert medical dielectric 6.

Общая толщина всех покрытий, нанесенных на корпус имплантата, составляет доли миллиметра, и примерно равна толщине стенки корпуса. Толщина каждого покрытия выбирается, исходя из рабочей частоты передачи энергии и значения передаваемых мощностей, а также технологических возможностей производства.The total thickness of all coatings applied to the implant body is a fraction of a millimeter, and approximately equal to the wall thickness of the body. The thickness of each coating is selected based on the operating frequency of energy transfer and the value of the transmitted capacities, as well as the technological capabilities of production.

Передача энергии в имплантируемый прибор происходит следующим образом: в передающей катушке возбуждается переменное магнитное поле, это поле проникает через кожу пациента и наводит переменное напряжение в приемной катушке 5, далее это напряжение выпрямляется в электронной схеме имплантата и служит для питания электрических узлов или для зарядки аккумулятора имплантата. При этом магнитный экран 3 фокусирует в себе магнитное поле, уменьшая проникновение данного поля в металл корпуса имплантата 1 и уменьшая этим рассеивание индукционной энергии, приводя к повышению амплитуды напряжения, наводимого в приемной катушке 5. Прорези в магнитном экране 3 уменьшают амплитуду индуцируемых полем вихревых токов, приводя к уменьшению тепловых потерь в корпусе имплантата 1. Электрический экран 2 отражает остаточное магнитное поле и уменьшает тепловые потери от вихревых токов за счет высокой электропроводности.The energy is transferred to the implantable device as follows: an alternating magnetic field is excited in the transmitting coil, this field penetrates the patient’s skin and induces an alternating voltage in the receiving coil 5, then this voltage is rectified in the electronic circuit of the implant and serves to power electrical components or to charge the battery implant. In this case, the magnetic screen 3 focuses the magnetic field in itself, reducing the penetration of this field into the metal of the implant housing 1 and thereby reducing the dissipation of induction energy, leading to an increase in the amplitude of the voltage induced in the receiving coil 5. Slots in the magnetic screen 3 reduce the amplitude of the eddy currents induced by the field , leading to a decrease in heat loss in the implant body 1. The electric screen 2 reflects the residual magnetic field and reduces heat loss from eddy currents due to high electrical conductivity.

Положительный эффект в предлагаемой полезной модели основан на комбинации физических принципов взаимодействия электромагнитных полей с материалами разных электрических и магнитных свойств.The positive effect in the proposed utility model is based on a combination of physical principles of the interaction of electromagnetic fields with materials of different electrical and magnetic properties.

Применение электрического экрана вместе с магнитным экраном, имеющим радиальные прорези, значительно понижает тепловые потери в корпусе имплантата и рассеяние индукционной энергии, что повышает эффективность передачи энергии и снижает температуру корпуса имплантата.The use of an electric screen together with a magnetic screen having radial slots significantly reduces heat loss in the implant body and the dissipation of induction energy, which increases the energy transfer efficiency and reduces the temperature of the implant body.

В предлагаемой полезной модели достигается дополнительный положительный эффект, состоящий в том, что при повышении эффективности передачи энергии становится возможным передача больших мощностей, что ведет к уменьшению времени процедуры для пациента, подвергающегося вредному воздействию электромагнитного поля.In the proposed utility model, an additional positive effect is achieved, consisting in the fact that with an increase in the efficiency of energy transfer it becomes possible to transfer large powers, which leads to a reduction in the procedure time for a patient exposed to the harmful effects of an electromagnetic field.

Кроме того, предлагаемая конструкция имплантата позволяет отказаться от автономного узла приема энергии и значительно упростить технологию его изготовления.In addition, the proposed design of the implant allows you to abandon the autonomous node receiving energy and greatly simplify the technology of its manufacture.

Claims

1. An implantable medical device, including an electronic circuit and an induction energy reception unit, consisting of a receiving inductor, a magnetic screen made of an amorphous alloy and installed between the receiving coil and the implant body, with slots made radially from the center of the screen to the magnetic screen its periphery, characterized in that the receiving unit further comprises an electric screen made of metal with high electrical conductivity, mounted between the magnetic screen and the implant body, a dielectric substrate located between the magnetic screen and the receiving coil, and a protective coating of bioinert medical dielectric material covering the receiving coil, and the electric screen, magnetic screen and the receiving inductor are made in the form of metal coatings sequentially applied to the side wall of the implant, facing the pickup coil.

2. The implantable medical device according to claim 1, characterized in that the electric screen is made of silver or copper.

3. The implantable medical device according to claim 1, characterized in that the receiving coil is made of silver, copper, or silver-plated copper conductors located on a dielectric substrate.