北京市发明专利奖掠影 二等奖:清华大学、品驰医疗——拯救生命的电流

时间:2019-09-22 13:00:01 来源:通信世界 当前位置:教育新助手 > 分析 > 手机阅读
北京市发明专利奖掠影 二等奖:清华大学、品驰医疗——拯救生命的电流

“北京市发明专利奖掠影”系列之6

“你在我身体里,我却不能为你充电”——这曾经是多少植入了心脏起搏器、脑起搏器患者的隐忧。别怕!有我们的国产对位自动提示无线充电系统加持,充电什么的,这都不事儿!笔者今天带来满满元气的故事--拯救生命的电流。

本文涉及第五届北京市发明专利二等奖

专利号:ZL201010580899.0

专利名称:植入式医疗仪器用具有对位自动提示功能的无线充电方法

专利权人:清华大学;北京品驰医疗设备有限公司

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2012年,美国FDA曾召回St. Jude Medical公司生产的植入式脊髓刺激器系统,理由是充电系统可能在充电时过热,进而烫伤植入部位的皮肤。自此,可体外充电的植入式医疗器械的充电安全性在全社会受到广泛关注。今天笔者要介绍的获奖专利,就可以解决这一棘手问题。

众所周知,植入式医疗器械,例如脑起搏器、植入式脊髓刺激器、心脏起搏器等,是通过植入大脑或心脏的电极传导电脉冲,达到治疗诸如心力衰竭、帕金森等疾病的目的。以脑起搏器为例,通过下图,我们可以直观地看到脑起搏器在体内的植入方式。电极被植入大脑,脉冲发生器被植入胸部皮下,二者通过皮下导线连接。通过在脑内特定的神经核团植入电极,释放高频电刺激,从而抑制多巴胺能神经元,减少过度兴奋,以减轻帕金森症状。

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植入式医疗器械的能源一直是决定其使用寿命的重要因素之一。前不久,新闻还曾报道过一位年逾70的老人完成了其人生中第22次心脏起搏器植入手术,在过去的46年间,老人共接受过22次心脏起搏器植入术。而被更换下来的第21台起搏器就是因为电池电量即将耗尽。

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脑起搏器也同样面临电源寿命问题,一旦电量耗尽,就要通过手术更换被埋于胸大肌下的脉冲发生器。但凡手术就有风险,而且手术为病人带来的痛苦不言而喻。因此,从上世纪末到本世纪初,科研人员一直致力于解决这类植入式医疗器械的体外充电问题。目前应用比较成熟的经皮无线充电方式是采用电磁耦合原理,利用电磁场穿透人体皮肤向植入式医疗仪器传递电能。然而这种充电方式会在充电过程中使植入部位组织发热,当病人在充电过程中感觉到发热时,其往往已经被烫伤了。因此,便有了开篇提到的St. Jude Medical公司召回事件。

事实上,电磁耦合充电的发热问题早在上世纪末就已经被关注了,为了应对这一问题,各大医疗器械生产厂商都提出过不同的解决方案。如Sulzer Intermedics公司的专利申请(US5991665A),提出通过在体外充电部分安装电风扇实现对体内充电部位降温,下图中的26是风扇安装位置。

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Medtronic公司在其专利申请(US2013105115A1)中也对植入装置充电发热问题提出了自己的解决方案,其应用了相变材料。如下图所示,在体外充电装置上连接散热装置28,通过散热装置28内的相变材料感应并吸收充电时产生的热量。

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这些技术都是在热量产生后才设法散热,属于被动地应对问题,而不能主动地从根源上解决问题。

此外,经皮无线充电的另一大难点就是充电对位问题,对位不准充电效率就会降低,发热增加,甚至无法充电。真可谓“世界上最遥远的距离就是你在我身体里,我却没法给你充上电”。

然而,即使是这样的技术,也都已被国外少数大型医疗器械生产厂商所垄断。在这样的背景下,清华大学航天航空学院的研发团队用了近10年的时间填补了国内的这项空白。由该团队研发的应用于植入式医疗器械具有对位自动提示功能的无线充电方法(ZL201010580899.0),同时解决了充电发热和充电对位困难的问题。(下图是本专利的充电系统示意图)

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与现有技术相比,获奖专利在体外充电器和体内脉冲发生器上各增加了体外控制系统和体内控制系统,内/外控制系统中分别设置第一/二微处理器。在充电过程中,采用类似手机信号强度的表征方法展示耦合状态。通过位于体内的第二微处理器和体内通信线圈向体外充电器反馈体内能量接收情况;通过位于体外控制部分的第一微处理器和体外充电?线圈实现自动调整体外发射功率,以保证体内接收能量恒定。这样就实现了有效控制体内植入式医疗仪器发热在合理的范围内。

除此之外,该充电系统还具有充电过程中对位提示功能,如下图所示,42代表可正常充电的区域,各个方向上的箭头代表体外充电装置的移动方向。体外充电装置通过第一微处理器对各个位置充电效率变化的计算结果,指导用户按箭头指示方向将体外充电器抵近圆心位置,以达到最佳充电效率。

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作为共同专利权人的北京品驰医疗设备有限公司通过专利许可合同,以这项技术为依托,制造的脑起搏器于2014年7月开始销售。下图为该公司生产的体外充电器。

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下图为双通道可充电植入式神经刺激器。

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凭借安全可靠且高效的性能以及相比于进口产品更低廉的价格,该产品很快占领了国内市场,打破了美国产品在中国市场对脑起搏器领域的垄断。

自此,清华大学的这支脑起搏器研发团队便未停止过创新的脚步。在整个神经调控领域中,可充电技术是一项关键技术,围绕获奖专利技术,清华大学共申请了十余件可充电相关专利,并获得了专利权,构建了专利池,进而围绕充电技术的应用和推广,申请了一系列外围技术专利和应用该专利的系统专利。从下面的授权时间轴,我们可以深切感受到这支研发团队的创新活力。

北京市发明专利奖掠影 二等奖:清华大学、品驰医疗——拯救生命的电流

清华大学航天航空学院脑起搏器研发团队十九年来励精图治,不但填补了国内脑起搏器相关产品的技术空白,更形成了自身技术特色,极大推动了中国神经调控产业的发展。这股拯救生命的电流,不仅是患者的福音,更彰显了大国创造力。

本文作者:

国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心

乐文清

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