聲波發(fā)射器和植入式接收器的制造方法
【專利說明】聲波發(fā)射器和植入式接收器
[0001] 相關(guān)申請案
[0002] 本案請求2013年5月8日的申請美國第61/821，185號臨時專利案為優(yōu)先權(quán)，該 案在此加入作為參考之用。
【背景技術(shù)】
[0003] 越來越多需要電力的主動式醫(yī)療植入物正被開發(fā)出。這類裝置包括人工心律調(diào)節(jié) 器，人工心臟，藥物栗，神經(jīng)刺激器，人工耳蝸植入物，視網(wǎng)膜植入物，和各種其他感應(yīng)器，監(jiān) 視器以及介面醫(yī)療裝置。傳統(tǒng)上低電力裝置（例如〈lmW)情況下這些裝置通過植入電池 提供電力，或在高功率裝置（例如>lmW)的情況下通過磁感應(yīng)連結(jié)。磁感應(yīng)連結(jié)包括兩個 線圈，一個在外部以及一個為植入的。當(dāng)電流驅(qū)動通過外部線圈時，經(jīng)由磁感應(yīng)內(nèi)部線圈， 其能夠使用來對植入裝置供電。磁感應(yīng)線圈遭遇幾個主要缺點。效率低下的主要來源在 于傳輸線圈的歐姆加熱，其只能夠通過增加使用于線圈中電線直徑加以緩和，其通常增加 裝置的尺寸。例如，使用來供應(yīng)30-80mW電力損耗的人工耳蝸植入物感應(yīng)線圈至少為50mm 直徑。沒有植入永久性磁鐵大型的外部線圈單元難以連結(jié)至身體。其在充電期間改善線圈 的握持；不過磁鐵會干擾MRI掃瞄，越來越常見的診斷工具。此外，對于大電力傳輸（例如 >1W)，外部線圈的加熱會使外部單元發(fā)熱，造成病人的不適。
[0004] 作為磁感應(yīng)連結(jié)的替代方法，可以用聲波能量傳送能量至植入裝置。此方法使用 外部傳送換能器將電能轉(zhuǎn)變?yōu)槁暡芰?聲波以及導(dǎo)引該能量經(jīng)由病人的皮膚朝向植入 接收換能器，其將聲波能量轉(zhuǎn)換回電能。接收的電能能用于直接地對醫(yī)療裝置供電，或可能 存儲在電容器或電池供以后使用。幾位研究人員提出使用聲波能量的裝置對植入醫(yī)療裝置 供電。到目前為止，這種裝置受限于他們的低效率，高靈敏度對準(zhǔn)，以及對周圍組織加熱的 安全問題。近年來具有較高本質(zhì)性機電耦合系數(shù)的壓電材料已經(jīng)具備，特別是弛豫-PT材 料。這種材料可能達成高功率效率（>20%)傳輸通過幾個毫米組織的效果，但聲功率傳輸 已經(jīng)仍然不能取代感應(yīng)連結(jié)。其有很多原因：聲學(xué)連結(jié)在發(fā)送和接收換能器之間歷史上需 要高度角度及橫向?qū)?zhǔn)；接收換能器必須封裝在密閉性但仍然能夠透過聲波的方式，其很 難實現(xiàn)；以及負載的阻抗匹配性往往是效率低下。因此，主動性植入式醫(yī)療裝置仍然需要制 造更高效率，可靠性以及容易使用聲連結(jié)電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明公開了高傳輸性效率電能及聲能交互轉(zhuǎn)換的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)?？梢灾圃煲幌?統(tǒng)以產(chǎn)生植入式接收換能器密封性以及聲學(xué)地穿透性包裝。也可以制造一系統(tǒng)以盡量減少 角度度以及橫向?qū)?zhǔn)的問題。本發(fā)明亦公開制造發(fā)送/接收換能器以及電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的方 法。
[0006] -般情況下，在一項目中，說明聲能-機械換能器使用于主動性植入式裝置，其能 夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)換成聲波或反之亦然，其具有前側(cè)以及后側(cè)壓電材料以及接觸壓電材料于周邊 支撐間隔器。其實施可包括一個或多個下列功能。這種材料具有柱狀物電極，使得每一柱 狀物在導(dǎo)電隔離的區(qū)域中。柱狀物周圍為填充材料。材料為電極化，使得每一柱狀物在導(dǎo) 電隔離的地區(qū)。
[0007] -般情況下，在一項目中，說明聲能-機械換能器使用于主動性植入式裝置，其能 夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)換成聲波或反之亦然，其具有前側(cè)以及后側(cè)壓電材料以及由填充材料圍繞著的 壓電材料柱狀物。其實施可包括一個或多個下列功能。柱狀物為電極化，使得每一柱狀物 在導(dǎo)電隔離的區(qū)域中。柱狀物周圍為填充材料。存在支撐間隔器，其接觸壓電材料于周邊 處。
[0008] -般情況下，在一項目中，說明聲能-機械換能器使用于主動性植入式裝置，其能 夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)換成聲波或反之亦然，其具有前側(cè)以及后側(cè)壓電材料以及電極化壓電材料柱狀 物，使得每一柱狀物在導(dǎo)電隔離的區(qū)域中。其實施可包括一個或多個下列功能。柱狀物周 圍為填充材料。存在支撐間隔器，其接觸壓電材料于周邊處。
[0009] 實現(xiàn)任何上述情況可包括一個或多個下列功能。壓電材料（以及假如存在柱狀 物）包括單晶弛豫-PT鐵電材料。壓電材料包括PMN-PT。壓電材料被彎曲。壓電材料被成 形為球冠形的。填充材料（如果存在）包含環(huán)氧樹脂。支撐間隔器（如果存在）是環(huán)形。 支撐間隔器更進一步包含聲音間隔器，配有長度相等的插銷，使得每一聲音間隔器插銷超 越壓電材料的前端。存在一結(jié)構(gòu)支撐，其連接支撐間隔器相對于壓電材料背側(cè)，其產(chǎn)生空氣 袋狀物于兩者之間。結(jié)構(gòu)支撐具有通道。通道被填充。存在導(dǎo)電連接，其由壓電材料延伸 通過空氣袋狀物以及被填充的通道到達換能器外側(cè)一點。聲音間隔器為圓形的。結(jié)構(gòu)支撐 突出而連接至側(cè)邊外殼，其再連接至結(jié)構(gòu)支撐于周邊處。側(cè)邊外殼包含鈦。側(cè)邊外殼為圓 形的。存在頂部外殼，其連接至側(cè)邊外殼相對于結(jié)構(gòu)支撐，其形成凹腔于頂部外殼與壓電材 料前端之間，其由側(cè)邊外殼圍繞著。頂部外殼為圓形的。側(cè)邊外殼及頂部外殼間的接觸為 圓形的。頂部外殼厚度小于大約50微米。凹腔填充聚合物。聚合物含有硅樹脂。聚合物 含有聚對二甲苯。聚合物含有環(huán)氧樹脂。聚合物含有聚亞酰胺。預(yù)先選擇聚合物以及頂部 外殼在預(yù)先選擇頻率下為音頻共振以及在壓電材料與組織之間達成預(yù)先決定阻抗匹配。每 一導(dǎo)電隔離區(qū)域（假如存在）串連地彼此連接。每一導(dǎo)電隔離區(qū)域連接至整流器。整流器 為二極體。整流器為同步開關(guān)。換能器為發(fā)送感應(yīng)器，其配置成將電能轉(zhuǎn)換成聲波。換能 器為接收換能器，配置為將聲波轉(zhuǎn)換成電能。換能器導(dǎo)電地連接到主動式植入性醫(yī)療裝置。 醫(yī)療裝置是助聽器。醫(yī)療裝置是人工耳蝸植入物。
[0010] 一般情況下，在一項目中，功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)已說明具有上述所說明的發(fā)送感應(yīng)器，有 效地耦合至電力負載，以及上述所說明接收換能器，使得當(dāng)負載啟動時系統(tǒng)對接收換能器 存在固定阻抗。實施情況可包含一個或多個下列功能。預(yù)先選擇接收換能器柱狀物的容積 率以及接收換能器填充材料的容積率以與連接至發(fā)送換能器的電力負載阻抗相匹配。接收 換能器頂部外殼表面積大于發(fā)送換能器頂部外殼表面積。聲波頻率都大于大約200千赫。 發(fā)送換能器可插入至主體耳朵的耳廓碗狀物，以及接收換能器可植入于該耳朵的耳廓中。 發(fā)送換能器可安裝于主體耳朵背面以及接收換能器可植入于該耳朵的耳廓中。
[0011] 一般情況下，在一項目中，說明彎曲的壓電復(fù)合體的制造方法，該方法包括在壓電 材料前端上在兩個方向產(chǎn)生規(guī)則的切割，形成柱狀物；澆置未固化環(huán)氧樹脂至圍繞著柱狀 物的切割物，形成填充材料；推移支撐基板靠在彎曲的鑄模使其成形；以及附接支撐基板。 其實施可包括一個或多個下列功能。研磨壓電材料前端至預(yù)先決定的厚度。電極層沉積在 柱狀物上。作為最后一步，環(huán)氧樹脂可加以固化或讓其固化。
[0012] -般情況下，在一項目中，說明具有換能器的主動性植入式醫(yī)療裝置供電的電力 連結(jié)，其包括含有聚合物的聲學(xué)匹配層以及含有鈦的頂部外殼，相匹配層以及頂部外殼的 厚度以及組成份為預(yù)先選定的以在預(yù)先選定頻率下為音頻共振的以及在壓電材料與組織 之間達成預(yù)先決定阻抗匹配。實施情況可包含一個或多個下列功能。相匹配層由約為環(huán)狀 的間隔物圍繞著。存在對準(zhǔn)磁鐵，其圍繞著壓電材料。換能器是接收換能器，以及可植入于 乳突骨中。
[0013] 本發(fā)明先前所提及以及優(yōu)點以及特性經(jīng)底下說明變?yōu)槊黠@的，本發(fā)明的性質(zhì)通過 參考本發(fā)明下列詳細說明以及申請專利范圍變?yōu)楦忧宄?br>【附圖說明】
[0014] 圖1顯示出聲音-機械換能器的剖面圖。
[0015] 圖2顯示出聲音-機械換能器的部份透視圖。
[0016] 圖3顯示出聲音-機械換能器更進一步組裝的部份透視圖。
[0017] 圖4顯示出聲音-機械換能器更進一步組裝的部份透視圖（聚合物并未顯示出）。
[0018] 圖5顯示出由填充材料圍繞著壓電材料柱狀物的詳細圖。
[0019] 圖6線路圖，其連接壓電材料的導(dǎo)電隔離區(qū)域。
[0020] 圖7顯示出連接至主動式植入醫(yī)療裝置的接收換能器。
[0021] 圖8顯示出功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的實施。
[0022] 圖9顯示出換能器中分離的導(dǎo)電隔離區(qū)域的透視圖。
[0023] 圖10至12顯示出連接至主動式植入醫(yī)療裝置的電力連結(jié)，
[0024] 圖13顯示出聲音-機械換能器的斷面圖。
[0025] 圖14顯示出聲音-機械換能器的分解圖。
[0026] 圖15顯示出聲音-機械換能器具有及不具有頂部外殼的透視圖。
[0027] 元件數(shù)字符號
[0028] 101基板印刷電路板，PCB基板，結(jié)構(gòu)支撐
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