声波发射器和植入式接收器

申请号 CN201480025493.2 申请日 2014-05-08 公开(公告)号 CN105378957A 公开(公告)日 2016-03-02
申请人 达尔豪西大学; 发明人 罗伯特·B·A·亚当森; 杰弗里·R·利百特; 杰里米·A·布郎; 马诺哈尔·邦司;
摘要 本 发明 除其他事项外,一般情况下说明声音-机械的换能器以交互转换 电能 及 声波 。此外介绍这种换能器的制造方法。
权利要求

1.一种声音-机械换能器,其使用于主动式植入性医疗装置以转换电能成为声波或反之亦然,其包括具有前端以及后端的压电材料以及只与压电材料周边接触支撑间隔器以保持跨越压电材料后端的空间。
2.根据权利要求1所述的换能器,其中压电材料具有压电材料的柱状物,其被电极化使得每一柱状物在导电隔离区域中。
3.根据权利要求2所述的换能器,其中柱状物由填充材料围绕着。
4.根据权利要求1所述的换能器,其中压电材料亦具有压电材料的柱状物,柱状物由填充材料围绕着。
5.一种声音-机械换能器,其使用于主动式植入性医疗装置以转换电能成为声波或反之亦然,其包括具有前端以及后端的压电材料以及更进一步具有压电材料的柱状物附接至由填充材料围绕着的前端。
6.根据权利要求5所述的换能器,其中柱状物电极化使得每一柱状物在导电隔离区域中。
7.根据权利要求5所述的换能器,其中更进一步包含支撑间隔器,其只在压电材料周边接触压电材料以保持跨越压电材料后端的空间。
8.一种声音-机械换能器,其使用于主动式植入性医疗装置以转换电能成为声波或反之亦然,其包括具有前端以及后端的压电材料以及更进一步具有压电材料的柱状物附接至电极化的前端,使得每一柱状物在导电隔离区域中。
9.根据权利要求8所述的换能器,其中柱状物由填充材料围绕着。
10.根据权利要求8所述的换能器,其中更进一步包含支撑间隔器,其只在压电材料周边接触压电材料以保持跨越压电材料后端的空间。
11.根据权利要求1-10任何一项所述的换能器,其中压电材料包含单晶弛豫-PT电材料。
12.根据权利要求1-10任何一项所述的换能器,其中压电材料包含PMN-PT。
13.根据权利要求1-10任何一项所述的换能器,其中压电材料为弯曲的。
14.根据权利要求1-10任何一项所述的换能器,其中压电材料为球冠形状。
15.根据权利要求3,4,5,或9任何一项所述的换能器,其中填充材料包含环树脂
16.根据权利要求1-4,7,或10任何一项所述的换能器,其中换能器为环形的。
17.根据权利要求1-4,7,或10任何一项所述的换能器,其中支撑间隔器更进一步包含声音间隔器,在顶端具有相等长度的插销,使得声音间隔器插销超越压电材料的前端。
18.根据权利要求16或17项所述的换能器,其中换能器更进一步包含结构支撑,其附接至相对于压电材料后端的支撑间隔器,使得空气袋状物形成于结构支撑与压电材料之间。
19.根据权利要求18所述的换能器,其中支撑结构具有通道以及导电连接由压电材料延伸通过结构支撑中空气袋状物到达换能器外面。
20.根据权利要求18或19所述的换能器,其中换能器更进一步包括声音间隔器,其附加到结构支撑以及其顶部具有相等的长度插销,使得每一声音间隔器的插销超越压电材料的前端。
21.根据权利要求20所述的换能器,其中声音间隔器为圆形的。
22.根据权利要求18-21任何一项所述的换能器,其中结构支撑悬出部份足以接触侧边外壳,侧边外壳附接至支撑结构于其周边四周。
23.根据权利要求22所述的换能器,其中侧边外壳包含
24.根据权利要求22或23所述的换能器,其中侧边外壳为圆形的。
25.根据权利要求22-24任何一项所述的换能器,其中顶部外壳附接至侧边外壳而相对于结构的支撑,形成空腔于顶部外壳及压电材料前端之间,其由侧边外壳围绕着。
26.根据权利要求22所述的换能器,其中顶部外壳为圆形的。
27.根据权利要求26所述的换能器,其中侧边外壳及顶部外壳之间接触形成圆圈以及并无部份顶部外壳悬出圆圈。
28.根据权利要求27所述的换能器,其中顶部外壳厚度小于约50微米。
29.根据权利要求26-28任何一项所述的换能器,其中空腔填充聚合物
30.根据权利要求29所述的换能器,其中聚合物包括胶。
31.根据权利要求29所述的换能器,其中聚合物包括聚对二甲苯
32.根据权利要求29所述的换能器,其中聚合物包含环氧树脂
33.根据权利要求29所述的换能器,其中聚合物包括聚酰亚胺。
34.根据权利要求29所述的换能器,其中使用邻近于组织,聚合物以及顶部外壳的厚度以及组成份预先选择在所选择频率下共振以及在压电材料及组织之间达成预先选择的阻抗匹配。
35.根据权利要求2,3,6,8-10任何一项所述的换能器,其中每一导电隔离区域彼此以串连加以连接。
36.根据权利要求2,3,6,8-10任何一项所述的换能器,其中每一导电隔离区域连接至整流器
37.根据权利要求36所述的换能器,其中整流器为二极体。
38.根据权利要求36所述的换能器,其中整流器为同步切换器。
39.根据权利要求1-38任何一项所述的换能器,其中换能器为传送换能器,其配置成将电能转换成声波。
40.根据权利要求1-38任何一项所述的换能器,其中换能器为接收换能器,其配置成将声波转换成电能。
41.根据权利要求2,3,6,8-10,35-38,40任何一项所述的换能器,其中每一导电地连接到主动式植入性医疗装置。
42.根据权利要求41所述的换能器,其中医疗装置是助听器
43.根据权利要求41所述的换能器,其中医疗装置是人工蜗植入物。
44.一种功率转换系统,其包括:
权利要求39的传送换能器可选择性地耦合至电负载;以及权利要求2,3,6,8-10,
35-38,40任何一项的接收换能器;
因而当负载被启动时,系统对接收换能器呈现为固定阻抗。
45.根据权利要求44项所述的功率转换系统,其中接收换能器柱状物的体积比以及接收换能器填充材料的体积比是预先选择以与连接至传送换能器的电力负载阻抗匹配。
46.根据权利要求44或45所述的功率转换系统,其中接收换能器顶部外壳的表面积大于传送换能器顶部外壳的表面积。
47.根据权利要求44-46任何一项所述的功率转换系统,其中声波频率约大于200千赫。
48.一种制造弯曲压电复合物的方法,其作为将电能转换为声波或反之亦然,该方法包括:
在压电材料前端以两个方向形成规则性切割,使得柱状物形成于压电材料的前端;
浇置未固化环氧树脂至切割而围绕着柱状物;
对弯曲铸模推压支撑基板;以及附接支撑基板。
49.根据权利要求48所述的方法,其中更进一步包括:
研磨压电材料前端至预定的厚度;以及沉积电极层于柱状物上。
50.根据权利要求44所述的功率转换系统,其中安装传送换能器以插入至主体耳朵内,以及接收换能器可植入于该耳朵的耳道中。
51.根据权利要求44所述的功率转换系统,其中安装传送换能器以插入至主体耳朵的耳廓碗状物内,以及接收换能器可植入于该耳朵的耳廓中。
52.根据权利要求44所述的功率转换系统,其中安装传送换能器以插入至主体耳朵的耳廓后侧,以及接收换能器可植入于该耳朵的耳廓中。
53.根据权利要求44所述的功率转换系统,其中安装传送换能器以插入至主体耳朵的耳廓后侧,以及接收换能器可植入于该耳朵的近端乳突骨中。
54.一种对邻近于组织的主动式植入性医疗装置供电的功率连结,其包含具有压电材料的换能器,其包含位于压电材料上方聚合物的声音匹配层,包含位于声音匹配层上方钛的顶部
外壳,声音匹配层以及顶部外壳的厚度及组成份预先加以选择使其在预先选择频率下产生共振以及在压电材料及组织之间达成预先决定的阻抗匹配。
55.根据权利要求54所述的功率连结,其中声音间隔器由近似环状垫片围绕着。
56.根据权利要求54所述的功率连结,其中具有对准磁铁围绕着压电材料。
57.根据权利要求54所述的功率连结,其中换能器为接收换能器,其植入在主体乳突骨中。
58.根据权利要求57所述的功率连结,其中更进一步包含传送换能器,其具有压电材料以及对准磁铁围绕着压电材料。

说明书全文

声波发射器和植入式接收器

[0001] 相关申请
[0002] 本案请求2013年5月8日的申请美国第61/821,185号临时专利案为优先权,该案在此加入作为参考之用。

背景技术

[0003] 越来越多需要电的主动式医疗植入物正被开发出。这类装置包括人工心律调节器,人工心脏,药物,神经刺激器,人工蜗植入物,视网膜植入物,和各种其他感应器,监视器以及介面医疗装置。传统上低电力装置(例如<1mW)情况下这些装置通过植入电池提供电力,或在高功率装置(例如>1mW)的情况下通过磁感应连结。磁感应连结包括两个线圈,一个在外部以及一个为植入的。当电流驱动通过外部线圈时,经由磁感应内部线圈,其能够使用来对植入装置供电。磁感应线圈遭遇几个主要缺点。效率低下的主要来源在于传输线圈的欧姆加热,其只能够通过增加使用于线圈中电线直径加以缓和,其通常增加装置的尺寸。例如,使用来供应30-80mW电力损耗的人工耳蜗植入物感应线圈至少为50mm直径。没有植入永久性磁大型的外部线圈单元难以连结至身体。其在充电期间改善线圈的握持;不过磁铁会干扰MRI扫瞄,越来越常见的诊断工具。此外,对于大电力传输(例如>1W),外部线圈的加热会使外部单元发热,造成病人的不适。
[0004] 作为磁感应连结的替代方法,可以用声波能量传送能量至植入装置。此方法使用外部传送换能器将电能转变为声波能量/声波以及导引该能量经由病人的皮肤朝向植入接收换能器,其将声波能量转换回电能。接收的电能能用于直接地对医疗装置供电,或可能存储在电容器或电池供以后使用。几位研究人员提出使用声波能量的装置对植入医疗装置供电。到目前为止,这种装置受限于他们的低效率,高灵敏度对准,以及对周围组织加热的安全问题。近年来具有较高本质性机电耦合系数的压电材料已经具备,特别是弛豫-PT材料。这种材料可能达成高功率效率(>20%)传输通过几个毫米组织的效果,但声功率传输已经仍然不能取代感应连结。其有很多原因:声学连结在发送和接收换能器之间历史上需要高度度及横向对准;接收换能器必须封装在密闭性但仍然能够透过声波的方式,其很难实现;以及负载的阻抗匹配性往往是效率低下。因此,主动性植入式医疗装置仍然需要制造更高效率,可靠性以及容易使用声连结电力转换系统。发明内容
[0005] 本发明公开了高传输性效率电能及声能交互转换的能量转换系统。可以制造一系统以产生植入式接收换能器密封性以及声学地穿透性包装。也可以制造一系统以尽量减少角度度以及横向对准的问题。本发明亦公开制造发送/接收换能器以及电力转换系统的方法。
[0006] 一般情况下,在一项目中,说明声能-机械换能器使用于主动性植入式装置,其能够将电能转换成声波或反之亦然,其具有前侧以及后侧压电材料以及接触压电材料于周边支撑间隔器。其实施可包括一个或多个下列功能。这种材料具有柱状物电极,使得每一柱状物在导电隔离的区域中。柱状物周围为填充材料。材料为电极化,使得每一柱状物在导电隔离的地区。
[0007] 一般情况下,在一项目中,说明声能-机械换能器使用于主动性植入式装置,其能够将电能转换成声波或反之亦然,其具有前侧以及后侧压电材料以及由填充材料围绕着的压电材料柱状物。其实施可包括一个或多个下列功能。柱状物为电极化,使得每一柱状物在导电隔离的区域中。柱状物周围为填充材料。存在支撑间隔器,其接触压电材料于周边处。
[0008] 一般情况下,在一项目中,说明声能-机械换能器使用于主动性植入式装置,其能够将电能转换成声波或反之亦然,其具有前侧以及后侧压电材料以及电极化压电材料柱状物,使得每一柱状物在导电隔离的区域中。其实施可包括一个或多个下列功能。柱状物周围为填充材料。存在支撑间隔器,其接触压电材料于周边处。
[0009] 实现任何上述情况可包括一个或多个下列功能。压电材料(以及假如存在柱状物)包括单晶弛豫-PT铁电材料。压电材料包括PMN-PT。压电材料被弯曲。压电材料被成形为球冠形的。填充材料(如果存在)包含环树脂。支撑间隔器(如果存在)是环形。支撑间隔器更进一步包含声音间隔器,配有长度相等的插销,使得每一声音间隔器插销超越压电材料的前端。存在一结构支撑,其连接支撑间隔器相对于压电材料背侧,其产生空气袋状物于两者之间。结构支撑具有通道。通道被填充。存在导电连接,其由压电材料延伸通过空气袋状物以及被填充的通道到达换能器外侧一点。声音间隔器为圆形的。结构支撑突出而连接至侧边外壳,其再连接至结构支撑于周边处。侧边外壳包含。侧边外壳为圆形的。存在顶部外壳,其连接至侧边外壳相对于结构支撑,其形成凹腔于顶部外壳与压电材料前端之间,其由侧边外壳围绕着。顶部外壳为圆形的。侧边外壳及顶部外壳间的接触为圆形的。顶部外壳厚度小于大约50微米。凹腔填充聚合物。聚合物含有树脂。聚合物含有聚对二甲苯。聚合物含有环氧树脂。聚合物含有聚亚酰胺。预先选择聚合物以及顶部外壳在预先选择频率下为音频共振以及在压电材料与组织之间达成预先决定阻抗匹配。每一导电隔离区域(假如存在)串连地彼此连接。每一导电隔离区域连接至整流器。整流器为二极体。整流器为同步开关。换能器为发送感应器,其配置成将电能转换成声波。换能器为接收换能器,配置为将声波转换成电能。换能器导电地连接到主动式植入性医疗装置。
医疗装置是助听器。医疗装置是人工耳蜗植入物。
[0010] 一般情况下,在一项目中,功率转换系统已说明具有上述所说明的发送感应器,有效地耦合至电力负载,以及上述所说明接收换能器,使得当负载启动时系统对接收换能器存在固定阻抗。实施情况可包含一个或多个下列功能。预先选择接收换能器柱状物的容积率以及接收换能器填充材料的容积率以与连接至发送换能器的电力负载阻抗相匹配。接收换能器顶部外壳表面积大于发送换能器顶部外壳表面积。声波频率都大于大约200千赫。发送换能器可插入至主体耳朵的耳廓碗状物,以及接收换能器可植入于该耳朵的耳廓中。
发送换能器可安装于主体耳朵背面以及接收换能器可植入于该耳朵的耳廓中。
[0011] 一般情况下,在一项目中,说明弯曲的压电复合体的制造方法,该方法包括在压电材料前端上在两个方向产生规则的切割,形成柱状物;浇置未固化环氧树脂至围绕着柱状物的切割物,形成填充材料;推移支撑基板靠在弯曲的铸模使其成形;以及附接支撑基板。其实施可包括一个或多个下列功能。研磨压电材料前端至预先决定的厚度。电极层沉积在柱状物上。作为最后一步,环氧树脂可加以固化或让其固化。
[0012] 一般情况下,在一项目中,说明具有换能器的主动性植入式医疗装置供电的电力连结,其包括含有聚合物的声学匹配层以及含有钛的顶部外壳,相匹配层以及顶部外壳的厚度以及组成份为预先选定的以在预先选定频率下为音频共振的以及在压电材料与组织之间达成预先决定阻抗匹配。实施情况可包含一个或多个下列功能。相匹配层由约为环状的间隔物围绕着。存在对准磁铁,其围绕着压电材料。换能器是接收换能器,以及可植入于乳突骨中。
[0013] 本发明先前所提及以及优点以及特性经底下说明变为明显的,本发明的性质通过参考本发明下列详细说明以及申请专利范围变为更加清楚。附图说明
[0014] 图1显示出声音-机械换能器的剖面图。
[0015] 图2显示出声音-机械换能器的部份透视图。
[0016] 图3显示出声音-机械换能器更进一步组装的部份透视图。
[0017] 图4显示出声音-机械换能器更进一步组装的部份透视图(聚合物并未显示出)。
[0018] 图5显示出由填充材料围绕着压电材料柱状物的详细图。
[0019] 图6线路图,其连接压电材料的导电隔离区域。
[0020] 图7显示出连接至主动式植入医疗装置的接收换能器。
[0021] 图8显示出功率转换系统的实施。
[0022] 图9显示出换能器中分离的导电隔离区域的透视图。
[0023] 图10至12显示出连接至主动式植入医疗装置的电力连结,
[0024] 图13显示出声音-机械换能器的断面图。
[0025] 图14显示出声音-机械换能器的分解图。
[0026] 图15显示出声音-机械换能器具有及不具有顶部外壳的透视图。
[0027] 元件数字符号
[0028] 101 基板印刷电路板,PCB基板,结构支撑
[0029] 102 压电材料
[0030] 103 支撑间隔器
[0031] 105 声音-机械换能器
[0032] 107 声音间隔器
[0033] 109 顶部外壳
[0034] 111 空间
[0035] 113 插销
[0036] 115 侧边外壳
[0037] 117 外壳
[0038] 125 压电材料前端
[0039] 127 压电材料后端
[0040] 129 空气袋状物
[0041] 131 通道(填充)
[0042] 133 导电连接
[0043] 141 电子及电力电路
[0044] 201 发送换能器,发射换能器
[0045] 203 接收换能器
[0046] 210 主动性植入式医疗装置
[0047] 212 至植入式装置的电线
[0048] 214 至驱动电路的电线
[0049] 216 声波
[0050] 218 组织
[0051] 220 声音耦合介质
[0052] 301 耳廓
[0053] 303 传送单元,传送换能器
[0054] 305 磁铁
[0055] 307 夹子
[0056] 309 耳廓后侧
[0057] 601 电力负载
[0058] 603 滤波电容器
[0059] 605 整流器
[0060] 607 压电区域
[0061] 609 压电区域
[0062] 611 压电区域
[0063] 613 压电接地面
[0064] 701 共同电极
[0065] 703 导电隔离区域
[0066] 705 压电(区域)
[0067] 801 发送换能器,发射换能器
[0068] 803 接收换能器
[0069] 812 至植入式装置的电线
[0070] 814 至驱动电路的电线
[0071] 816 声波
[0072] 818 组织
[0073] 820 声音耦合介质
[0074] 901 柱状物(压电材料)
[0075] 903 填充材料
[0076] 1001 发送换能器,传送换能器
[0077] 1301 耳廓
[0078] 1303 传送单元,发送换能器
[0079] 1401 馈电通过覆盖
[0080] 1403 顶部外壳
[0081] 1405 匹配层间隔环
[0082] 1407 压电材料
[0083] 1409 对准磁铁
[0084] 1411 柔软基板
[0085] 1413 外壳
[0086] 1415 馈电通过
[0087] 1417 底部外壳
[0088] 所谓"球形帽"是指类似被一平面切开之中空球体部份。
[0089] 本发明换能器的特定项目显示于图1-4中。声音-机械换能器105组装于结构支撑101上,其由例如印刷电路板(PCB),部份外壳,或任何固体以及扁平支撑材料制造出而适合于应用。在一些实施例中,PCB 101是圆形的。在一些实施例中,连接到支撑是支撑间隔器103,以及连接至支撑间隔器103是压电材料102。在一些实施例中,支撑间隔器103以及压电材料102是圆形的以及支撑间隔器103内径等于压电材料102及小的重迭。通过只在周边102处接触压电材料102,支撑间隔器103保持空气袋状物或间隙129于压电材料102之后以提供低阻抗的条件,其为良好性能所需要的;此外,支撑间隔器103形成密封于压电材料102及结构支撑101之间,防止流体例如封装环氧树脂填充压电材料102的后面127。在其余的围护结构(即PCB101)之间由支撑间隔器103所界定出的空间129为平面的以及具有均匀的厚度横越压电材料102的后侧。
[0090] 连接至结构支撑101为声音间隔器107,其使用来维持压电材料102前端125及顶部外壳109之间正确的空间111。空间111的大小决定了很多换能器105的声学性能。声音间隔器107特征为插销113,其在制造过程中允许聚合物例如封装环氧树脂流动到压电材料102前端125。该封装环氧树脂作为装置性能的声学相匹配层以及对声学穿透性铸造顶部109提供强度。声音间隔器107径向地向外地与压电材料周边分隔均匀的径向距离,使得压电材料周边之间所产生的环形间隙是均匀的。声音间隔器107更进一步排列以支撑顶部铸件109,使得压电材料的前侧及其余外围结构(顶部铸件109)之间空间111为平面的以及均匀的厚度横越压电材料102的前侧。
[0091] 在一些实施例中,声音间隔器107及插销113结合支撑间隔器103。该组合支撑及声音间隔器含有项目103,107,113的结构及功能。该组合式支撑及声音间隔器可以安装结构支撑101上以及接触压电材料102的周边,从而形成空气袋状物129于101和102之间。组合式支撑及声音间隔器亦接触顶部外壳109以形成装置声学性能的正确的空间111。请参见图13。
[0092] 外壳117的侧边115约在换能器周边以及在一些实施例中为圆形的。通常,侧边115厚度是指顶部109的厚度。该排列提供沿着侧边的结构强固性,而顶板仍然是最佳的声学性能。就其自身而言,顶部109可能不是相当坚固以承受严格使用条件;但是,聚合物增加其劲度。
[0093] 压电材料102连接至支撑间隔器103,然后连接至结构支撑101。在PCB101中压电材料102后面使用通道131,形成连接至后端127的导电连接133以及再密封通道131,其提供永久性空气间隙129于压电材料102之后。包含额外的电子和电力电路141的槽室位于PCB 101下方(相对于空气间隙129),作为连接至换能器及电力组件的空间。声音间隔器107再连接至结构支撑101。顶部外壳109连接(例如通过焊接)至侧边外壳115以形成外壳117。在一些实施例中,外壳通过倒置外壳而连接至换能器的托架上,通过声音间隔器107按压靠在顶部外壳109将组件插入至外壳。外壳再填充包封环氧树脂,其提供所需要性能声音匹配的层以及完整声音-机械换能器所需要的强度。
[0094] 如在本发明特定实施例中压电材料分离为柱状物901能够使材料为柔韧的以及能够加以弯曲以及因而集中(参阅图5)。利用填充材料903例如环氧树脂填充截口后,但是在环氧树脂固化之前通过弯曲复合换能器于所需要形状铸模四周能够达成集中。甚至于在凝固后,特定环氧树脂在加热时变为柔软以及可塑性的,因而弯曲由该环氧树脂制造出复合换能器的方法为加热固化的环氧树脂,弯曲环氧树脂于铸模周围以及让其冷却以保持新的形状。压电材料体包含连续性地以及未中断部份,其横越后侧,柱状物由其中突出。压电材料体连续性地部份由后侧横越整个宽度具有均匀的厚度以及压电材料体的长度相当薄,假如在需要情况下能够作一些弯曲成为非平面性形状。柱状物901在压电材料体后侧处由材料连续性地部份突出至压电材料102物体前侧,使得柱状物在垂直于压电材料物体前侧以及后侧的方向延伸。除此所有柱状物901的前端终止于实质上共同表面,其共同地界定出压电材料物体的前侧。在前侧处共同表面为平面,凸面,凹面,或形成例如圆柱体表面部分。柱状物901排列为均匀网格图案或阵列以在侧向(宽度)以及纵向(长度)方向彼此均匀地分隔,其沿着共同表面彼此相互垂直。柱状物901由压电材料前侧至连续性地部份彼此完全地隔离,其完全地跨越压电材料物体后侧。
[0095] 为了达成声音能量由换能器一个表面单向传送,换能器另外一个表面通常接触一种材料,其声音阻抗与换能器材料非常不同。最常见的选择是提供"空气支撑",因为空气的声音阻抗(在物体温度下为403Rayl)非常不同于主要铅为主的压电材料(20-30MRayl)。在空气背面处一般反射系数超过99.99%。然而,为了保持植入接收单元的机械强度,特别是薄的外壳,通过铸件体积连续性并非需要的,因为在外部荷载作用下铸件容易变形弯曲。
从制造和机械强固性性的观点,换能器支撑或支撑系列为优先的,但是当该支撑接触换能器时,其提供声音能量的声音路径经由背面离开换能器以及其呈现为损耗来源。为了防止该情况,在一些实施例中,使用支撑将与压电材料背面的接触面积减为最低。在一些实施例中,支撑由一组多个插销提供,其与换能器只在非常小的点处接触。这些插销作为防止弯曲以及确保机械强固性同时使声音能量损失所在的面积减为最低。在另外一个实施例中,换能器由刚性环形的圆环支撑,由于环的形状,其只沿着狭窄接触圆圈支撑压电材料,其提供支撑防止外壳弯曲。
[0096] 在一些实施例中,电力转换系统包括两个换能器,一个配置为发送单元,另一端为接收单元。在一些实施例中,用来发射功率通过两个单元之间的声波约为200千赫及大约5兆赫之间。在一些实施例中,功率要求在大约10mW及大约100mW之间。在一些实施例中,功率要求大约在10mW及大约500mW之间。在一些实施例中,功率要求在大于约500mW。
[0097] 为了达成高效率,超音波功率连结或功率转换系统是理想地作为将声能及电能损耗减为最低。在组织中声音损耗是由于细胞散射以及吸收声音所致以及以dB/cm衰减系数来表示。皮肤,脂肪组织和肌肉在1MHz下衰减系数值分别为0.35,0.40以及0.74dB/cm。衰减值随着频率增加以幂次关系增加,其幂次决定于组织种类组织(皮肤为0.6)。如果在
1MHz下由发射器产生的声音能量完美地被5mm远的接收器吸收,因而由于组织导致功率损耗约为4-10%,该组织包含脂肪,肌肉和皮肤。然而,在许多系统中,接收换能器并不是
100%吸收入射声音功率以及有倾向反射一部份。这些被反射的声音能量回到发射器,在该处再次被吸收或反射。双反射声音在接收器处具有被吸收的另一个机会,但是运行距离为被组织直接吸收声音能量的距离三倍。超音波功率连结效率最大化通常包括设计成尽可能地第一次通过组织的声音能量以及将接收器的反射能量减为最低。
[0098] 减少反射的功率具有一些额外的好处,因为在组织中入射以及被反射声波的重迭倾向形成具有比发射波波峰强度高的的驻波。高波峰强度的区域吸收较多的声音能量以及因而加热,也是造成较大气穴现象的险。因此,假如在接收器处反射减为最低,能够安全地传送通过超音波功率连结的最大功率为较高。
[0099] 在接收器处的反射能够以许多方式减为最低。声学匹配层可涂覆于换能器表面以产生多个表面边界反射波而产生破坏性干涉。例如,匹配层1/4厚度为波长以及包含一层材料,其声音阻抗为压电材料声音阻抗的几何平均值以及在特殊波长下组织并不会产生反射。
[0100] 如果声波能量进入压电材料以及于离开材料之前并不转换为电能,也会出现反射。这种反射能够通过参阅高机电耦合效率的压电材料而减小,通常称以下标k表示,其取决于换能器的特殊几何形状。声音能量完全地转换为电能的材料k值为1。对于远宽于厚度的板换能器,相关的机电耦合为kt。对于许多弛豫-PT材料,kt超过0.6,相较于类似PZT陶瓷的传统压电材料为0.5。
[0101] 机电耦合效率k可进一步增加,只要接收换能器的反射进一步通过切割压电材料板为一系列柱状物而减小,其中每一柱状物具有较小的宽度尺寸而小于厚度尺寸。柱状物间的间隙能够填充较低劲度材料而低于压电材料情况。在一些实施例中,这种低劲度材料是环氧树脂。在其它实施例中,它可能是另一种聚合物。然而在其它实施例中,它可能是空气。存在用低劲度材料填充间隙而允许压电材料横向收缩同时横向扩展,因而对于施加相同数量能量,其允许较大程度移动。该较大移动转变为较大的机电转换效率,因而较高k值。通过选择压电材料以及柔软填充材料的体积比,机电转换效率可提高接近高达k33的最大值,PZT情况约为0.7以及弛豫-PT材料能够超过0.9。
[0102] 切割压电材料柱状物以增加机电耦合效率的技术先前已经使用在超音波影像系统,但迄今并未使用于功率转换系统在接收换能器处提高声音功率的吸收。
[0103] 在一些实施例中,功率转换系统可通过切割压电材料为一组柱状物-62达成更高效率,间隙之间填充柔软性材料(在一项优先实施例中为环氧树脂),其允许压电材料在负载情况下横向地自由扩展。在一些实施例中,压电体使用切割以及填充的技术制造出。首先,固态PMN-PT试样连接至基板以及使用微切割锯片切割为柱状物。封装环氧树脂再浇置于柱状物之间以及让其固化。一旦固化,填充的复合体研磨至设计厚度以及铬及金的电极层使用热蒸发过程沉积出。在一个实施例中,柱状物宽度为440微米以及在其之间切割宽度为100微米。切割尺寸的选择能够对其各别较佳性能的体积比制造出,参阅底下说明。
[0104] 在一些实施例中,声音功率连结对于侧向以及角度对准的灵敏度将减小。对准的灵敏度可通过合并声音能量聚集,接收以及传送换能器尺寸产生不相匹配以及接收换能器的不同区域彼此导电地隔离而减小。另一种反射可能发生于超音波功率连结中,特别是在接收换能器为不均匀地声能穿透。假如接收以及传送单元的形状以及尺寸不同或传送单元聚集而在接受换能器上聚集波束的尺寸小于换能器情况时会发生不均匀地声能穿透。在该情况下,不均匀地声能穿透由于压电效应产生不均匀表面电荷。由于存在单一电极覆盖压电体的表面,电荷将流过换能器表面使得各处为相等的电压。在低声能穿透的区域中,该电荷将产生机械应力,此由于逆压电效应所致,该效应产生应变以及促使声音能量由换能器再发射出。该再发射声音能量并不转变为电能量以及为损耗的来源,其将减小连结效率。
[0105] 在一些实施例中,可以设计系统尽可能在接收换能器处通过将传送声音能量失去聚集而达成均匀声能穿透。在其他实施例(参阅图9)中,接收换能器的表面电极可区分为较小导电隔离区域703,其大小大约等于接收换能器上聚集超音波波束大小。每一区域配对电极为一般电极701。每一界定出压电区域为均匀的声能穿透,因为波束将到达该区域。在接收单元电子部份能够使用来由每一隔离区域提取电能。
[0106] 不同区域的导电隔离将防止侧向电荷流过换能器表面以及亦防止声波再发射出。具有不同的导电隔离区域,接收器能够制造为较大而大于传送器,其有用于减小系统对于侧向不对准的灵敏度(参阅底下说明)。
[0107] 在一些实施例中(见图6)电子部份具有整流器605连接到每一导电隔离区域607,609,611以及接地平面,使得电荷只能够由每一区域流到负载601而不是由一个区域流到另外一个区域。在一些实施例中,滤波电容603置于负载601和整流器605之间。在一个实施例中整流器包括二极体为主的整流器,以及Schottky二极体为主整流器于优先实施例中。在其他实施例中整流可利用场效应电晶体,双极接合电晶体或其他切换元件达成,该切换元件与入射声能辐射频率同步切换,只允许电荷单方向流动通过负载。在另一个实施例中,使用电晶体切换以串连导电区域以提高负载所显示的电压。在一些实施例中,使用电压检测电路来控制整流电路内切换。在一个可能的实施例中,使用电压检测电路来决定出那些区域是最高声能穿透(因为这些区域具有最大电压),以及将这些区域连接到负载。在另一个实施例中电压检测电路使用来比较负载电压与不同声能穿透区域以及依电压大小顺序连接各区域至负载。例如,具有最高电压区域连接至负载持续到其电压下降至第二高区域,该区域再连接至负载以及依此类推。在另一个实施例中,较低的声能穿透地区可连接到切换电感升压模式转换器以提高该区域产生电压值至最高声能穿透区域的电压。在一些实施例中使用电压检测电路以控制升压模式转换器的切换。然而在其它实施例中其通过压电变压器达成。
[0108] 在过去超音波或感应式功率连结设计中一项主要困难在于需要相关于侧向平移以及角度准确地对准传送及接收换能器以达成高效率功率传输。在超音波连结中换能器直径很大一部分的横向错位会导致接收器溢失显著部份的传送能量以及因此不被转换成电能。此可通过使用大直径换能器而有所缓解,但是从包装,外形和植入的观点来看为不方便的。
[0109] 角度偏差也会导致效率降低。如果接收器和传送器有相同的直径以及未聚集以及由传送器所发射的波束与表面法线方向相差角度φ,则在换能器相对边缘处波束相位相差数量为
[0110] sinφ=λ/(2w)
[0111] 其中λ是波长以及w是接收换能器上声能穿透区域的尺寸,假如波束未聚集其大约等于传送器换能器的直径。假如在表面上声波相位不同,其将导致不均匀声能穿透,因为在任何时刻在换能器不同边缘处看到的压力为不同的。如果角度相当大,有可能部分表面会看到负的压力,同时其余部份看到正的压力。这将导致小的净表面位移以及大部分的输入声波能量被反射,而不被吸收。
[0112] 对准灵敏度可通过聚集传送超音波束而减少,使得接收换能器只有小的区域为声能穿透的。假如达到该情况,公式1中w被减小以及需要较大角度不对准,在接收换能器表面上压力相位产生显著的差异。
[0113] 假如接收换能器显著地大于传送换能器,聚集有助于侧向平移不灵敏性,因为传送换能器能够平移几乎接收换能器的全部直径同时保持全部传送声音功率入射于接收器上。因此,在一些实施例中存在小型聚集传送器以及大的接收器,其使用先前所说明的技术以界定出导电隔离区域,其中由入射声音压力产生的电荷被集中。该功率连结呈现出高度地对准不灵敏性同时保持保持高效率。
[0114] 在一些实施例中,接收换能器的阻抗通过改变压电以及柔软材料的体积比而加以调整。为了将传输到电力负载的功率数量最大化,功率来源的阻抗必需与负载阻抗相匹配。对于实际数值负载,当来源及负载阻抗完全地相匹配时将达到最大功率转移。虽然阻抗匹配能够利用变压器达成,该装置大又笨重以及通常不适合使用于植入装置。在一些实施例中,在传送以及接收换能器中压电复合体使用不同的体积比。接收换能器的供应源电力阻抗部份通过压电体与填充材料的体积比决定出。
[0115] 声音换能器的有效电力供应源阻抗为其在共振频率下操作以及完美地声学耦合至中。
[0116]
[0117] 其中Ra0是辐射电阻,kt机电耦合效率,f0是中心频率以及C0是受夹电容。受夹电容由体积比决定出。分数决定的。如果x为压电材料比值以及(1-x)为填充料比值,电容是
[0118]
[0119] 其中εsp是压电材料受夹介电常数,εf为填充料的介电常数,A是换能器的面积以及t是其厚度。近似值可适用,因为大多数压电体的介电常数是远高于大多数填充料的介电常数。
[0120] 因为这两个方程式,一个可以通过选择体积比x适当数值而达成不同的辐射电阻。在特定的应用中选择适当的x以达成Ra0以与被驱动的负载电阻匹配。
[0121] 在一些实施例中,选择换能器外壳以及外壳与压电体之间的空间以达成密闭性以及声学可透性。密封材料的范例是钛。具有薄的顶部外壳(大约小于50微米)的钛外壳(侧边以及顶部外壳)可以形成声音窗口,其将使进入外壳的声音损耗减为最低同时保持支撑结构。植入式医疗装置需要包装在生物相容性和高度耐用的材料中,其可以留存在体内很多年而不会渗漏或产生裂缝。许多植入物设计作为长期使用,其由钛制造出,为一种众所周知表现出优良的生物相容性,强度及耐久性的金属。理想情况下,声音功率连结的植入部分也由钛制造出。然而钛声音阻抗约为14.06MRayl,而人体组织约为1.5MRayl。在具有不同声音阻抗的两个主体材料间的边界处声音功率反射由下列公式表示:
[0122]
[0123] 其中Z1以及Z2为两种材料的阻抗。对于钛和组织,反射率为65%,其难以传送声音能量通过一般厚度的钛。然而,如果钛层由与波长相比非常薄的制造出,则反射系数可以减少。反射系数也可以通过使用反射干涉而减小,该反射来自换能器-钛以及钛-组织的界面在反射方向中产生破坏性干涉。
[0124] 保持整个钛整个外壳厚度为25微米通常并不实际。该薄的外壳具有不良的机械强度以及无法使用标准密闭性制造处理过程例如雷射焊接制造出,通常在焊接位置需要150微米或更厚的钛。为了克服该问题,外壳能够由厚的钛制造出以及直接地在换能器区域中使钛变薄。在一些实施例中在最后组装之前通过冲压进行变薄。在其它实施例中,其通过进行精密铣削达成。在其他实施例中进行化学腐蚀达成。然而其它实施例中进行镭射烧蚀达成。
[0125] 在本发明一些实施例中我们制造众多弹簧系统,包括厚度为tp以及杨氏模数为E的"弹簧"聚合物层与换能器接触。在一项实施例中该聚合物层由环氧树脂所构成。在另一个实施例中由聚对二甲苯所构成。聚合物层附加到"众多"层,其构成外壳的钛壳。选择外壳厚度tm以产生众多弹簧系统的正确数目,其具有所需要的共振频率以及匹配阻抗。假如换能器具有谐振频率ω0以及特性阻抗Zp,则选择聚合物层的厚度以及钛外壳的厚度将满足以下式子:
[0126]
[0127] 其中ZR为水的辐射阻抗以及ρ为钛的密度
[0128] 在PMN-PT复合物换能器实施例中,其换能器声能阻抗为12MRayl以及中心频率为1MHz,弹簧层包括197微米厚度的聚对二甲苯-C以及钛外壳厚度为127微米。换能器载入水时,研究该弹簧层,换能器共振的声音阻抗为12.7MRayl,与其特性阻抗良好地匹配。一般情况下,该层厚度界于50及300微米之间,其能够经由汽相沉积及/或喷涂技术容易地制造出。
[0129] 本发明换能器可以使用于对许多不同的植入装置供电。在一些实施例中,该装置是人工耳蜗植入物。在一些实施例中,该装置是植入式的助听器。在一些实施例中,该装置是心律调节器。这种装置的电源要求各不相同;在一些实施例中,装置通常利用相对较低的功率,在几个mW范围内。参阅图8一般功率连结制造,在该应用中其中传送换能器801由适当的声学耦合介质820围绕着,该换能器通过导线814连接到驱动电路(未显示)。传送换能器801产生声波816,其通过人体组织818到达接收换能器803,其再将声音能量转变为电能,其再由导线812传送至一个或多个植入式装置(未显示)。
[0130] 人工耳蜗植入物包含两部分,一个为插入到耳蜗的电极以及一个单元包含功率连结以及内部解调以及信号处理电子元件。对于感应连结,功率连结单元植入于头骨后部凹处中与植入物同侧。该单元包含植入式永久磁铁,以及外部单元,其具有磁铁附接至头骨外侧,其通过磁铁固定在该位置。该单元通常包含25-50mm直径感应线圈,以及因而尺寸必需为25-50mm。
[0131] 利用声音功率连结,连结的植入以及外部零件能够制造为相当小。例如,在一些实施例中传送器直径为5mm以及接收器直径为8mm。这些尺寸相当小足以在耳道后侧颞骨中。图7显示出可能植入位置,接收单元203通过电线212导电地连接到植入式装置210。通过上述所公开的技术制造出与对准不灵敏的连结,有可能对准传送以及接收单元只依靠解剖学的特性而并不需要植入磁铁。
[0132] 参阅图10-12其他可能植入位置。
[0133] 在一个实施例中传送器位于"耳后"的耳朵单元中,其通过挂钩挂在耳廓上以及接收器直接植入到耳后的乳突骨上。这两种装置由于耳廓和乳突骨的解剖形状而对准。
[0134] 在另一个实施例中传送器位于耳廓的外耳廓(conchal bowl)单元中。该单元通过位于耳廓三角窝突出物固定在该位置。该单元形状对每一病人模造出。接收单位使用后方接近手术方式植入于耳廓中以及沿着耳廓的电线使用来连接到耳蜗植入物的电子元件。
[0135] 在另一个实施例中,传送器位于耳道内的单元中以及通过插入物上所产生的压力对耳道后方壁面向上按压。植入单元植入于耳道后方壁面上。在该实施例中系统能够设计成为对使用者提供反馈于达成对准之时。这种反馈可能是声波,传输通过人工耳蜗植入物或触觉传输例如当达成良好对准时传送单元产生振动。
[0136] 这三个实施例的任何一个适合作为对异于耳蜗植入物的植入式助听器提供电力。其它实施例也是可能的,例如心律调节器或其它主动性植入式医疗装置的供电。
[0137] 在一些实施例中,对准磁铁存在于功率连结每一换能器组件中以改善传送换能器相对于接收换能器的位置。选择每一磁铁的大小取决于每一组件大小,当安装时保持对准所需要吸引力量,当安装时两个磁体之间组织的数量,以及电脑断层摄影品质的程度,或磁共振影像将受到磁铁存在的影响。在优先实施例中,对准磁铁置于压电材料周围,避免干扰声音通路,其由置放材料前面所导致。在一些实施例中,对准磁铁为该厚度以及深度以作为内部外壳,支撑压电材料以及保持空气支撑。
[0138] 功率连结的一个实施例显示于图14和15中,在其中每一换能器组件包含对准磁铁。压电材料1407顶上放置间隔环1405,其声学地与材料匹配以及具有顶部外壳1403,其位于环1405上方。间隔环1405亦制造成让聚合物例如为封装环氧树脂(并未显示出)在制造过程中流动至压电材料1407前端。该封装环氧树脂作为声音匹配层,在组装后由间隔环1405围绕着,以及深度约等于间隔环1405顶部边缘与前端1407之间的距离,使得其与环齐平,以及对声音可穿透性顶部外壳1403提供强度。材料1407由对准磁铁围绕着,其再由外壳1413围绕着。柔软性基板1411具有换能器组件进及出导电连接的洞孔,闭合材料1407底下的空腔同时允许连接接触材料。底部外壳1417附接至外壳1413于其周边处。在外壳1413中存在洞孔足以容纳导电连接的馈电通过。馈电通过覆盖1401制作成附接至顶部以及外壳。通过焊接得到换能器的密闭性密封。
QQ群二维码
意见反馈