Development of energy harvesters for powering leadless pacemakers from myocardial motion

本研究项目旨在研究无铅心脏起搏器的持续供电问题，通过对其机械性能的转换。 人们心中的能源就是电能，这种能源的转化和过程也被称为振动、能量和收获。 在压电式振动和能量采集机(EHS)中的核心元件是一种新型的压电式结构。 它的结构引起了人们对周围环境振动的响应，它的主要机械振动也被转换成了空气。 电能是通过压电式振动现象产生的。这种振动产生的电能是由电能产生的。 通常情况下，收割能源是使用100微瓦的电力。如果使用EHS系统，而不是使用电池为电力系统供电，他们会这样做。 EHS能源将是永久性的，而不是完全需要更换的。事实是，EHS是永久性的。 电源是无铅心脏起搏器的辅助设备。与传统的心脏起搏器不同，无铅心脏起搏器 当心脏起搏器的电池耗尽时，不能只从心脏取出起搏器。因此，大约七年后，心脏起搏器被取出。 新的无铅心脏起搏器必须植入心脏，这将占据更多的心室空间。 已经证明，可以开发一种新型的EH起搏器，通过这种转换来为传统的心脏起搏器提供可再生的电力。 心脏跳动引起的心脏振动与电力有关。这项技术可能会消除对定期心脏起搏器的需求。 替代手术。无引线心脏起搏器通常被植入心脏，因此它们被大大缩小。 而不是传统的心脏起搏器。这一尺寸和限制要求EHS使用微型心脏起搏器。 我们的初步研究表明，与传统的无铅心脏起搏器相比，EHS的振动具有更大的功率密度。 电池。使用普通EH起搏器而不是普通电池起搏器不仅会导致可能出现永久性的无铅心脏起搏器。 但也使得为心脏起搏器增加更多的功能成为可能。这项新的项目涉及到系统的心脏建模、设计和测试。 为无铅心脏起搏器提供了大量的EH设计方案的优化、制造、测试和测试。自那以来，它们是最典型的。 无铅心脏起搏器的形状是圆柱形的，所以EH心脏起搏器的形状应该是三维的。 在这个新项目中设置了EH的设计方案，除了大多数的方案文献中的EH方案外，这些方案都是2D的。 被调查的EHS问题被分为两大类：线性问题和非线性问题。更多的是非线性问题。 先进的技术和更复杂的技术。如果设计得当，一个非线性的EHS系统可以非常稳健地提高心率。 变化。建议的线型EH结构是一种扇形折叠结构，由多根相互连接的梁组成，并固定在一起。 一端是自由的，另一端是自由的。我们可以使用热效应和磁致屈曲效应来诱导结构中的非线性。 机电一体化模型的发展表明，它可以准确地预测出未来EH的反应速度。 设计是这个项目的一个主要目标。这些新模型将被用来对最小的微型EHS进行优化设计。 每一项EH生物设计实验的制造和实验测试(通过体外实验和动物实验)都将进行评估。 这些模型测试和校准了美国EHS的最新性能指标。此外，该项目还包括广泛的可靠性和可靠性分析。 确保EH工厂的较长使用寿命和时间，并确保确保EH工厂有足够的电力和生产成本，尽管有许多变化。 在这些患者中，心率和心脏的收缩能力都不同。

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.