Development of energy harvesters for powering leadless pacemakers from myocardial motion

本项目研究通过机械转换为无导线心脏起搏器的连续供电 将心脏的能量转化为电能。这种能量转换过程称为振动能量收集。 压电振动能量采集器的核心元件是压电结构。 的 结构响应于环境振荡而共振，并且其机械振荡被转换为 通过压电现象产生电能。振动能产生的能量 收集通常在微瓦的数量级。如果使用EH代替电池为系统供电， 将是永久性的再生电源，不需要更换。EH是永久性的事实 电源对于无引线起搏器是有用的。 与传统起搏器不同， 起搏器在电池耗尽时不能从心脏中取出。大约七年后， 必须将新的无引线起搏器植入心脏中，其占据甚至更远的心室空间。 我们 已经表明，EH可以开发成通过转换为传统起搏器提供再生动力 心脏跳动引起的振动转化为电流。 这可以消除对周期性起搏器的需要 替代手术 无导线起搏器植入心脏，因此体积小得多 比传统的起搏器更好。这种尺寸限制要求微型EH。 我们的初步研究表明，振动EH可以有更大的功率密度比无引线起搏器 电池. 使用EH代替电池不仅会产生潜在的永久性无导线起搏器， 而且能够为起搏器增加更多的功能。该项目涉及系统的建模，设计， 优化、制造和测试无导线起搏器的许多EH设计。 由于典型的 无引线起搏器的形状是圆柱形的，EH元件的形状应该是三维的。这 将本项目中的EH设计与文献中的大多数EH设计（2D）分开。 的 所研究的EH分为两大类线性和非线性EH。 非线性EH更多 更先进更复杂 如果设计得当，非线性EH可以对心率非常鲁棒 变化. 所提出的线性EH是由多个连接梁组成的扇形折叠结构， 一端是自由的，另一端是自由的。 我们使用热屈曲和磁屈曲来诱导非线性， 非线性EH 开发能够准确预测EH响应的机电模型 设计是这个项目的主要目标。 这些模型将被用来优化设计的微型电动自行车。 每个EH设计的制造和实验测试（通过体外和动物测试）都将评估 模型和校准的性能的EH。该项目还包括广泛的可靠性分析， 确保EH的长使用寿命，并确保EH的足够发电量， 患者的心率和心脏收缩力。

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.