CN101170271A - 利用人体自身运动动能发电的植入式长寿命微电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用人体自身运动动能发电的植入式长寿命微电池，包括：植入到体内的发电装置与电存储器，其特征在于，所述发电装置包括：发电器的机壳；固定在机壳上的永磁片支架和线圈支架，所述线圈支架为一空心结构，永磁片的两端通过弹簧固定在永磁片支架上且永磁片置于线圈支架的内部；所述线圈支架外绕有线圈；所述机壳采用不锈钢、钛或其合金，或采用聚四氟乙烯材料制作。与现有技术相比，本发明结构简单，产生电能功率更高；特别是，在人体自身运动的情况下，达到了随时充电的效果。

Description

利用人体自身运动动能发电的植入式长寿命微电池

技术领域

本发明涉及一种可对植入式电子器械提供电能的长寿命电池，特别涉及一种借助于人体自身运动诱发植入体内的线圈跟随运动，从而切割磁力线继而输出电量以满足植入体内的电子器件电能需求的植入式长寿命电池。

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，由于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***的研制开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，为减小多次手术的伤害，必须尽量避免定期从病人体内取出相应器件后再予以充电的麻烦。也就是说，借助于人体自身能量或外部非损伤式输入的能量发展出的植入式供能***更具价值。

与体外能源利用明显不同的是，植入式能源***不能在皮肤表面留有接口供充电用，以避免伤口感染或带来其他不利。因此，大多数情况下，器件整体全部置于体内特定组织部位，而且，器件本身应体现为轻便、自给自足且高效。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。比如，基于放射性同位素在核衰变过程中释放的热量驱动热电转换器，研究人员发明了多年来在心脏起博器电源中一直起着关键作用的电能源装置，这类电池的工作寿命可达10年以上。然而，由于这种热电转换器采用了放射性同位素燃料，使整套设备的集成及封装工艺比较复杂，人体使用起来有一定安全风险。为此，人们也在考虑直接利用人体自身热量供电的温差电池，依靠身体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℃温差下可获得微瓦到毫瓦量级的电能输出，已可用于驱动不少微电器件。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。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种可借助于人体自身的运动诱发植入体内的机构跟随运动，从而诱发体内发电器的线圈切割磁力线，输出电量以满足植入医疗器件电能需求的长寿命电池。

为实现上述发明目的，本发明提供的利用人体自身运动动能发电的植入式长寿命微电池，包括：植入到体内的发电装置与电存储器，其特征在于，所述发电装置包括：发电器的机壳4；固定在机壳4上的永磁片支架6和线圈支架7，所述线圈支架7为一空心结构，永磁片5的两端通过弹簧2固定在永磁片支架6上且永磁片5置于线圈支架7的内部；所述线圈支架7外绕有线圈3，该线圈3的两端作为输出端与所述电存储器电连接；所述机壳4采用不锈钢、钛或其合金，或采用聚四氟乙烯材料制作。

上述技术方案中，所述机壳4外壁包装磁屏蔽材料，最外壁镀有与生物组织兼容的钛金属膜；所述机壳4的形状为平片形或圆柱形。

上述技术方案中，所述弹簧2由金属丝绕制而成，弹簧圈直径在1mm到2cm之间，自然状态下的长度为1mm到5cm之间。

上述技术方案中，所述金属丝为不锈钢丝、铜丝或金丝，金属丝直径在100微米到0.5mm之间。

上述技术方案中，所述线圈3的绕线方式为矩形、环状或交叉方式。

上述技术方案中，所述永磁片5采用由钕铁硼、钐钴或铝镍钴材料制作；所述永磁片5的形状为平片形或圆形。

上述技术方案中，所述线圈3的匝数在1到20000之间，绕线金属丝直径在1nm到0.5mm间。

上述技术方案中，所述电存储器采用超级电容器或充电电池。

上述技术方案中，所述电存储器集成在机壳4外侧的一端并与机壳4呈同轴结构。

上述技术方案中，所述电存储器集成在机壳4外并与机壳4呈同轴包覆结构。

本发明的优点在于在人体植入式发电器领域内引入了自激式磁感应发电方式以输出电力，结构简单，体内发电器内运动机构可作平动或更多方式的动作，从而形成切割磁力线运动以达到发电的目的；由此制成的植入式发电器可根据需要随时充电。至今国内外尚无直接利用自身运动诱发体内磁感应发电机产生电力的技术被提出。本发明充分地利用了人体自身动能的驱动，而实现体内磁感应发电的电力输出，因而以无损的方式实现了将人体能量输送到植入体内的医疗装置，它可根据需要随时充电，是一种长寿命能源***，可以应用于生物微电子机械***，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式十分有限，前期方法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；特别是，在人体自身运动的情况下，达到了随时充电的效果。

附图说明

附图1a为基于人体自身运动诱发产电的圆柱形体内磁感应发电器的外观图；

附图1b为基于人体自身运动诱发产电的平片形体内磁感应发电器的外观图；

附图1c为基于人体自身运动诱发产电的体内磁感应发电器内部结构的横截面示意图；

附图2a为存储器置于机壳外且与其呈同轴结构的人体自身运动诱发产电的体内磁感应发电器的外观图

附图2b为存储器置于机壳外且与其呈同轴结构的人体自身运动诱发产电的体内磁感应发电器的结构剖面示意图。

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。

实施例1：

附图1c为基于人体自身运动诱发产电的体内磁感应发电器的结构示意图。由图可知，本发明提供的机构包括：发电器机壳4；永磁片5；永磁片支架6；缠绕在永磁片支架6上的线圈3；用于固定永磁体的弹簧2，弹簧可由直径在100微米到0.5mm的不锈钢丝、铜丝、金丝等材料绕制而成，弹簧圈直径可在1mm到2cm之间，自然状态下的长度为1mm到5cm之间，其运动方式为沿弹簧圈轴向运动。在本实施例中，弹簧直径为0.3mm，弹簧圈直径为0.6cm，自然状态下的长度为3cm。该发电器的特点在于，永磁片5的两端由弹簧2固定在发电器机壳4上，由于弹簧的弹性作用，永磁片5易于在弹簧的限制范围内出现来回振动，而人体运动过程中，高低起伏的肢体运动，必然会诱发永磁片5的运动，从而与四周缠绕在支架上的线圈3发生相对运动，此即典型的切割磁力线运动。于是，电能即由线圈持续输出或存储到电容器中。以上方案中，体内线圈绕线方式可为矩形、环状或交叉方式，均是本领域公知的绕线方式。机壳4的形状可为平片形，如图1b所示，也可为如附图1a所示的圆柱形，甚至更多形式，机壳4材料可为不锈钢、钛或其合金等，也可视需要采用聚四氟乙烯等医用材料。本实施例中，采用如附图1a所示的圆柱形机壳4，其横截面半径可在1mm到10cm之间，在本实施例中，采用1cm；长度可在1mm到10cm之间，在本实施例中，采用5cm。

线圈匝数可在1到20000之间，绕线金属丝直径可在1nm到0.5mm间，本实施例中，匝数为3000，绕线金属丝直径为0.1mm；甚至，尺寸小到纳米量级的纳米磁体及纳米线圈组合后，可以形成纳米磁感应发电机。

本发明中提供的装置中所用的永磁片可由钕铁硼、钐钴、铝镍钴等材料作成；线圈或其余部件的金属材料可采用铜、钛等甚至合金制成。机壳4外壁包装磁屏蔽材料如生铁，最外壁镀有与生物组织兼容的材料如钛金属膜等。

上述发电装置可设置电存储器1，采用超级电容器结构或充电电池制成。此处超级电容器型号的电压幅度2.5V，电容量1F，但不限于此；充电电池可采用型号100mAh但不限于此。该电容器设置在机壳4外侧的一端，与机壳4之间呈同轴结构，二者彼此集成到一起。发电机的线圈两端分别与电存储器的正负极电连接，使发电机构产生的电能随时储存于电存储器中，供需要时使用。本实施例中，电存储器可采用在输入端接有整流器的电存储器。

永磁片5的形状可呈方形、圆形等多种形状，其相对于机座的运动方式可为直线运动，在弹簧2的牵引下作往复运动，从而发生切割磁力线运动，而产生电能。以上机构如永磁片、线圈支架等在长度、宽度和高度方向上的尺寸均可在100nm到5cm范围；且横截面形状可为正方形、三角形或圆形等。

上述集成化的发电器1可带动多个辅助性的植入式医疗器件，他们之间的电连通方式可为串联或并联。内部磁感应器机壳4外壁镀有与生物组织兼容的材料如钛金属膜等。发电器机壳4的外壁可通过焊接导磁材料实现磁屏蔽，以免永磁片5的磁场过强而对生物组织造成不利，相应的磁屏蔽材料可采用表面涂覆防锈膜如钛等材料后的生铁充当。

实施例2：

本实施例与实施例1的差别在于，电存储器1设置于机壳4外，但与机壳4呈同轴包覆结构，其余结构及产电方式均相同。本实施例中，电能存储器仍采用超级电容器结构或充电电池。此处超级电容器型号采用电压幅度2.5V，电容量1F，但不限于此；充电电池可采用型号100mAh但不限于此。由发电机构产生的电能即可随时储存于电存储器中，供需要时使用。与实施例1相比，实施例2结构更为紧凑一些。

本发明具有很多优点，发电器尺寸可以作得很小。采用了人体自身运动能驱动，具有随时发电并储能的特点，最有有价值的地方在于以人体自身运动供能的无损方式实现了对体内机构进行充电；这种方式保证了整个植入式发电器的工作过程完全封闭，无泄露现象，因而使用起来十分方便。

本发明的发电器可灵活地对植入体内的微器件提供电力。使用本发明专利的方式如下：将发电器植入病人体内；根据待需求电力多少，确定人体运动强度，或选择外部振动机构，人体可躺或坐于其上，于是，在自身运动或特定强度的诱导机构驱动下，已预先植入体内的特定机构得以运动从而发生切割磁力线行为而产生所需要的电力。此外，植入体内的超级电容器可预先充电，这样，本发明装置提供的发电器可随时提供能量需求，又能随时储备电能。本发明提供的发电模块可在许多植入式医疗器械工作场合下发挥作用。

本发明提供的发电装置结构，并不限于以上所述的情形。原则上，任何人体自身运动诱发的体内电磁感应效应，均可用于发展出可随时充电的内置式发电装置，在此基础上可实现结构及外观形式多样化的微型体内发电器。比如，采用外部主动引入的振动机构，可诱发人体内的磁体切割磁力线，从而持续不断地产生电力；这也是一种可行的充电方式。若发电装置尺寸进一步减小后，还可引申出微型化的电磁式发电器件。而且，本发明专利技术也易于发展出与其他发电方式相结合的复合电池，如：电磁感应+热电发电，电磁感应+光电发电，电磁感应+化学电池，电磁感应+超声电机等。

Claims (10)

1.一种利用人体自身运动动能发电的植入式长寿命微电池，包括：植入到体内的发电装置与电存储器，其特征在于，所述发电装置包括：发电器的机壳(4)；固定在机壳(4)上的永磁片支架(6)和线圈支架(7)，所述线圈支架(7)为一空心结构，永磁片(5)的两端通过弹簧(2)固定在永磁片支架(6)上且永磁片(5)置于线圈支架(7)的内部；所述线圈支架(7)外绕有线圈(3)，该线圈(3)的两端作为输出端与所述电存储器电连接；所述机壳(4)采用不锈钢、钛或其合金，或采用聚四氟乙烯材料制作。

2.按权利要求1所述的利用人体自身运动动能发电的植入式长寿命微电池，其特征在于，所述机壳(4)外壁包装磁屏蔽材料，最外壁镀有与生物组织兼容的钛金属膜；所述机壳(4)的形状为平片性或圆柱形。

3.按权利要求1所述的利用人体自身运动动能发电的植入式长寿命微电池，其特征在于，所述弹簧(2)由金属丝绕制而成，弹簧圈直径在1mm到2cm之间，自然状态下的长度为1mm到5cm之间。

4.按权利要求3所述的利用人体自身运动动能发电的植入式长寿命微电池，其特征在于，所述金属丝为不锈钢丝、铜丝或金丝，金属丝直径在100微米到0.5mm之间。

5.按权利要求1所述的利用人体自身运动动能发电的植入式长寿命微电池，其特征在于，所述线圈(3)的绕线方式为矩形、环状或交叉方式。

6.按权利要求1所述的利用人体自身运动动能发电的植入式长寿命微电池，其特征在于，所述永磁片(5)采用由钕铁硼、钐钴或铝镍钴材料制作；所述永磁片(5)的形状为平片形或圆形。

7.按权利要求1所述的利用人体自身运动动能发电的植入式长寿命微电池，其特征在于，所述线圈(3)的匝数在1到20000之间，绕线金属丝直径在1nm到0.5mm间。

8.按权利要求1所述的利用人体自身运动动能发电的植入式长寿命微电池，其特征在于，所述电存储器采用超级电容器或充电电池。

9.按权利要求1所述的利用人体自身运动动能发电的植入式长寿命微电池，其特征在于，所述电存储器集成在机壳(4)外侧的一端并与机壳(4)呈同轴结构。

10.按权利要求1所述的利用人体自身运动动能发电的植入式长寿命微电池，其特征在于，所述电存储器集成在机壳(4)外并与机壳(4)呈同轴包覆结构。

Images