Development of energy harvesters for powering leadless pacemakers from myocardial motion

点击翻译按钮获取中文摘要

This  project  investigates  continuous  powering  of  leadless  cardiac  pacemakers  by  conversion  of  mechanical  energy of the heart to electrical energy. This energy conversion process is called vibration energy harvesting.  The  central  element  in  piezoelectric  vibration  energy  harvesters  (EHs)  is  a  piezoelectric  structure.  The  structure  resonates  in  response  to  the  ambient  oscillations,  and  its  mechanical  oscillations  are  converted  to  electrical energy through the piezoelectric phenomenon. The amounts of energy produced by vibration energy  harvesting are typically in the order of microwatts. If EHs are used instead of batteries to power a system, they  will be permanent regenerative power sources and will not need replacement. The fact that EHs are permanent  power  sources  is  instrumental  for  leadless  pacemakers.  Unlike  conventional  pacemakers,  leadless  pacemakers cannot be extracted from the heart when their batteries deplete. Thus after about seven years a  new  leadless  pacemaker  must  be  implanted  in  the  heart  which  occupies  even  further  ventricular  space.  We  have shown that an EH can be developed to regeneratively power the conventional pacemakers by conversion  of  heart  beat  induced  vibrations  to  electricity.  This  could  eliminate  the  need  for  periodic  pacemaker  replacement  surgeries.  Leadless  pacemakers  are  implanted  in  the  heart  and  are  thus  substantially  smaller  than conventional pacemakers. This size limit demanded miniature EHs.   Our  preliminary  studies  show  that  vibration  EHs  can  have  larger  power  density  than  the  leadless  pacemaker  batteries.  Using  an  EH  instead  of  a  battery  will  not  only  result  in  potentially  permanent  leadless  pacemakers  but also enables adding more functions to the pacemaker. This project involves systematic modeling, design,  optimization,  fabrication,  and  testing  of  a  number  of  EH  designs  for  leadless  pacemakers.  Since  the  typical  shape of a leadless pacemaker is cylindrical, the shape of the EH element should be three-­dimensional. This  sets  the  EH  designs  in  this  project  aside  from  the  majority  of  the  EH  in  the  literature,  which  are  2D.  The  investigated  EHs  are  divided  into  two  large  categories  of  linear  and  nonlinear  EHs.  Nonlinear  EHs  are  more  advanced  and  more  complicated.  If  properly  designed,  nonlinear  EHs  can  be  very  robust  to  heart  rate  variations.  The  proposed  linear  EH  is  a  fan-­folded  structure  composed  of  multiple  linked  beams  clamped  at  one  end  and  free  at  the  other  end.  We  use  thermal  and  magnetic  buckling  to  induce  nonlinearity  in  the  nonlinear  EH.  Development  of  electromechanical  models  that  can  accurately  predict  the  response  of  the  EH  designs  is  a  major  goal  of  this  project.  These  models  will  be  used  to  optimally  design  the  miniature  EHs.  Fabrication  and  experimental  testing  of  each  EH  design  (through  in  vitro  and  animal  tests)  will  both  evaluate  the models and calibrate the performance of the EHs. The project also includes extensive reliability analyses to  ensure the long life time of the EH and to ascertain sufficient power production of the EH despite variations of  heart rate and heart contractility among patients.