Устройство чрезкожной передачи энергии
Полезная модель предназначена для электропитания медицинских имплантатов или зарядки встроенных в них аккумуляторов. Устройство состоит из передающей катушки, намотанной на стандартном П-образном сердечнике из аморфного сплава, приемной катушки, намотанной на стандартном пластинчатом сердечнике из аморфного сплава, и магнитного экрана, причем передача энергии происходит на частотах выше 100 кГц. Применение магнитного экрана и сердечников из аморфного сплава способствует уменьшению рассеяния энергии и увеличению коэффициента полезного действия передачи индукционной энергии, а использование сердечников стандартных форм упрощает изготовление устройства. Устройство чрезкожной передачи энергии имеет улучшенные показатели по эффективности передачи индукционной энергии, снижению температуры корпуса имплантата в процессе передачи энергии, а также высокую технологичность изготовления. 3 з.п.ф., 1 ил.
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.
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.
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 плоские передающая и приемная катушки, расположенные параллельно и соосно друг другу и параллельно поверхности корпуса имплантата.
Недостатком такой конструкции является сильное воздействие на эффективность передачи материала, из которого выполнен имплантат. Это, как правило, титан как лучший биоинертный металл, или его сплавы. Приемная катушка, для уменьшения габаритов устройства в целом, должна располагаться как можно ближе к корпусу имплантата. В конструкции с плоскими соосными катушками поверхность металлического корпуса расположена перпендикулярно магнитному потоку, при этом возникает эффект «выталкивания» магнитного поля из приемной катушки и результирующее уменьшение добротности приемной катушки, что ведет к ухудшению эффективности передачи энергии. Кроме того, перпендикулярный магнитный поток индуцирует на поверхности корпуса кольцевые вихревые токи, которые, из-за невысокой электропроводности титана (его удельная электрическая проводимость 
ti=3.6·106 См/м), вызывают тепловые потери в корпусе и недопустимый нагрев имплантата.
Радикально решить проблему влияния титанового корпуса можно исключением вихревых токов за счет разворота приемной катушки на 90. В этом случае линии магнитного поля будут идти не перпендикулярно, а параллельно корпусу имплантата и не вызывать вихревых токов.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является патент US 5,741,316 A61N 1/378. В данном патенте рассмотрены различные конструкции передающей и приемной катушек для индукционной передачи энергии, причем приемная катушка располагается перпендикулярно поверхности тела пациента, а приемная и передающая катушки намотаны на сердечниках специальной формы, выполненных из материала с высокой магнитной проницаемостью.
Недостатком данного патента является то, что авторами не учитывается влияние корпуса имплантата на приемную катушку.
Также недостатком патента является то, что передача энергии происходит на относительно низких частотах - менее 500 Гц. В соответствии с формулой (1) Планка [Кухлинг X. Справочник по физике: пер. с нем. - М.: Мир, 1982. - 520 с., с.404] энергия излучения электромагнитного поля W прямо пропорциональна значению несущей частоты излучения, поэтому для увеличения эффективности передачи энергии нужно использовать как можно более высокие частоты:
где 
- частота излучения,
h - постоянная Планка.
Также недостатком использования таких низких частот являются большие значения индуктивностей передающей и приемной катушек, необходимых для получения резонанса. В соответствии с формулой (2) Томсона [Кухлинг X. Справочник по физике: пер. с нем. - М.: Мир, 1982. - 520 с., с.399] резонансная частота контура Fрез обратно пропорциональна квадратному корню из индуктивности:
где L - индуктивность контура,
С - емкость контура.
При значении емкости С=1 мкФ индуктивность контура на частоте резонанса 500 Гц составит L=0,1 Гн. Элементы с такими номиналами имеют размеры, недопустимые для установки в имплантаты.
Задачей создания полезной модели является повышение эффективности беспроводной передачи энергии в имплантаты, а также повышение технологичности изготовления передающей и приемной катушек устройства чрезкожной передачи энергии.
Поставленная задача достигается тем, что устройство чрезкожной передачи энергии, состоящее из передающей и приемной катушек с сердечниками из материала с высокой магнитной проницаемостью, согласно заявляемому техническому решению, устройство дополнительно содержит магнитный экран, установленный между приемной катушкой и корпусом имплантата, причем магнитный экран выполнен в виде металлического покрытия из металла с высокой электропроводностью, нанесенного на боковую стенку имплантата "А", обращенную к приемной катушке.
Магнитный 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.
Сердечники передающей и приемной катушек могут быть выполнены из аморфных магнитомягких сплавов, имеющих частотные свойства, достаточные для работы на частотах выше 100 кГц. Сердечник передающей катушки может иметь стандартную П-образную форму, сердечник приемной катушки может иметь стандартную пластинчатую форму.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг.1 изображено устройство чрезкожной передачи энергии в разрезе.
Устройство содержит: передающую катушку 1, намотанную на сердечнике 2, приемную катушку 3, намотанную на сердечнике 4, магнитный экран 5, корпус имплантата 6, причем сердечники 2 и 4 выполнены из аморфного сплава, а магнитный экран 5, расположен на боковой стенке имплантата "А", обращенной к приемной катушке 3, выполнен в виде металлического покрытия из металла с высокой электропроводностью. Передача энергии происходит через кожу пациента 7.
Передача энергии в устройстве осуществляется следующим образом: в передающей катушке 1 возбуждается переменное магнитное поле с частотой выше 100 кГц, это поле проникает через кожу пациента 7 и наводит переменное напряжение в приемной катушке 3. При этом магнитный экран 5 отражает магнитное поле, уменьшая проникновение данного поля в металл корпуса имплантата 6 и уменьшая этим рассеивание индукционной энергии, приводя к повышению амплитуды напряжения, наводимого в приемной катушке 3. Сердечники передающей катушки 2 и приемной катушки 3, выполненные из материала с высокой магнитной проницаемостью, усиливают и фокусируют магнитное поле, увеличивая тем самым магнитную связь между катушками и улучшая эффективность передачи энергии.
Положительный эффект в предлагаемой полезной модели основан на комбинации физических принципов взаимодействия электромагнитных полей с материалами разных электрических и магнитных свойств. Применение магнитного экрана устраняет возникновение вихревых токов в корпусе имплантата, уменьшая тепловые потери и рассеяние индукционной энергии, что повышает эффективность передачи энергии и снижает температуру корпуса имплантата. Применение сердечников, выполненных из аморфного сплава, и использование для передачи энергии высоких частот повышает эффективность передачи энергии, а использование стандартных сердечников и технологии нанесения экрана непосредственно на корпус имплантата увеличивает технологичность изготовления имплантата.
Дополнительный положительный эффект при использовании данной полезной модели выражается в сокращении времени вредного воздействия электромагнитных полей на пациента при процедуре заряда аккумулятора имплантата, что является результатом достигнутого улучшения КПД устройства чрезкожной передачи энергии.
1. Устройство чрезкожной передачи энергии, состоящее из передающей и приемной катушек с сердечниками из материала с высокой магнитной проницаемостью, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит магнитный экран, установленный между приемной катушкой и корпусом имплантата, причем магнитный экран выполнен в виде металлического покрытия из металла с высокой электропроводностью, нанесенного на боковую стенку имплантата "А", обращенную к приемной катушке.
2. Устройство чрезкожной передачи энергии по п.1, отличающееся тем, что магнитный экран выполнен из серебра или меди.
3. Устройство чрезкожной передачи энергии по п.1, отличающееся тем, что сердечники передающей и приемной катушек выполнены из аморфного магнитомягкого сплава.
