技术领域
本发明涉及一种植入关节内压电陶瓷间歇供电装置，尤其涉及压电陶瓷供电电路设计和 低功耗电压调节电路设计，属于医用植入关节内压电陶瓷供电装置技术领域。
背景技术
肢体伤残是影响残疾人生活质量的重要疾病之一，人工关节以及义肢是为关节损伤的人 重新建立运动机能的重要手段。人工关节植入人体后，处于长期工作状态下，采用集成电路 技术在人体植入关节与外部世界之间建立一个信号传输的物理通道，对植入关节的工作条件、 压力、错位等情况进行早期检测，帮助医生及早发现问题进行诊断，是减少病人痛苦的一个 有效手段。
采集植入关节的压力数据，需要在植入关节承受压力的情况时利用其内的集成电路将压 力数据保存下来。为了实现数据的采集，首先为集成电路提供工作电源。由于植入关节内空 间狭小，放置电池不太现实，并且电池的寿命有限，而植入关节的工作寿命一般在二十年左 右，因此必须采用其它的供电方式。
植入关节在人日常活动过程中会产生压力，而压电陶瓷在压力情况下可以产生电流，利 用此特性将压电陶瓷元件置于植入关节内，将它们在压力情况下产生的电流首先经过整流并 经过储能元件储能，然后经过电压调节电路输出稳定电压为供集成电路供电。
目前，申请者还没有看到国内关于植入关节内供电装置的研究。
发明内容
本发明的目前在于在植入关节内采用压电陶瓷装置，利用其在压力条件下产生的能量为 集成电路供电，从而实现压力数据的采集以帮助医生对病人的植入关节进行及时诊断。
植入关节内压电陶瓷间歇供电装置，其特征在于，该供电装置包括以下四个部分：
(1)压电陶瓷装置，置于植入关节内，包括3个压电陶瓷元件，它们一方面在压力条件 下产生电流，另一方面它们还作为压力传感器，传输压力数据；压电陶瓷元件的三个输出端和 下面整流电路装置的三个输入端相连；
(2)整流电路装置，用于将压电陶瓷元件在压力条件下产生的电流进行整流。整流电路 装置包括三个二极管桥整流电路，分别为输入的每路电流进行整流，将交流电转换为直流电； 整流电路装置的输出端接能量存储电路装置的输入端；
(3)能量存储电路装置，用于存储电能，包括一个大容量的电解电容，通过电解电容的 充电过程和放电过程为后续电路供电；它的输出和电压调节器的输入端相连；
(4)电压调节器，用于调节输入电压输出稳定电压为负载供电。
本发明提出了一种医用植入关节内压电陶瓷间歇供电装置，它是一种利用压电陶瓷在压 力情况下产生的能量转换为电能的技术，装置包括压电陶瓷装置、整流电路、储能元件电容 以及电压调节电路。压电陶瓷受压时产生的电流经过整流电路后将能量存储到能量存储电路 中，储能电容提供电压给电压调节电路，电压调节电路输出稳定的电压供后续电路工作。由 于位于植入关节内的压电陶瓷装置受压时间是不连续的，所以装置供电方式也是间歇式的。
本发明利用置于植入关节内的压电陶瓷在压力条件下产生电能经过整流、储能和电压调 节器为集成电路供电，这样为实现生物体植入关节双向数字无线压力监视系统的提供了有效 的供电方式。
附图说明
图1为本发明的逻辑结构示意图。
图2为本发明压电陶瓷元件示意图。
图3为本发明中储能电容工作示意图。
具体实施方式
图1为本发明的逻辑结构示意图。其中1为压电陶瓷装置、2为整流电路装置、3为能量 存储电路装置、4为电压调节器。三个压电陶瓷元件在压力情况下产生电流，压电陶瓷装置 (1)的输出端和整流电路装置(2)的输入端相连，整流电路装置(2)的输出端与能量存储 电路装置(3)的输入端相连；能量存储电路装置(3)的输出端与电压调节器装置(4)的输 入端相连。
图2为本发明压电陶瓷元件的示意图，其中5为压力分散金属板，6为轴承，7为压电陶 瓷元件，元件个数可以根据需要而定，应用在生物体植入关节双向数字无线压力监视系统中 可以采用4个，个数越多产生的能量越大。此图中包括了3个压电陶瓷元件。压力分散金属 板(5)在最上方，压电陶瓷元件(7)在中间，轴承(6)位于最下方。来自上方的压力经过 压力分散金属板(5)分散到各个压电陶瓷元件上，压电陶瓷元件在压力下产生电流可以通过 导线输出。轴承(6)支撑整个关节。导线可以通过轴承(6)引出来。
图3为本发明中储能电容工作示意图。其中8为压电陶瓷设备的等效电容Cp，9为能量 存储电路里的储能电容Cs，10为电路负载。压电陶瓷设备的等效电容(8)与能量存储电路里 的储能电容(9)并联再与负载(10)相连。
下面给出了储能电容Cs大小的选择，当Cs＝Cp时，Cs能得到最大的能量，其中Cp为压 电陶瓷设备的等效电容。储存电容获得的电荷大小为：
ΔQ＝Cs·(V1-V2) (1)
其中ΔQ为Cs在其两端电压从V1到V2(V1＞V2)变化过程中释放的电荷大小，而电荷 也可以按下式描述
ΔQ＝I·Δt (2)
其中Δt为由电压从V1到V2变化经历的时间，I为此段时间产生的电流大小。根据公式(1) 和公式(2)可以得到：
Δt = C s · ( V 1 - V 2 ) I - - - ( 3 ) ]]>
根据公式(3)可得到Cs两端电压变化时可以为后续电路提供电流的时间。由于储能电 容Cs本身存在充电和放电过程，所以压电陶瓷的供电过程是间歇式的。
压电陶瓷装置(1)包括3个压电陶瓷元件(7)、压力分散金属板(5)和轴承(6)，压 电陶瓷元件(7)既是传感器传输压力数据又能在压力下产生能量，压力通过压电陶瓷装置(1) 转化为电能输出给整流电路(2)，所述的整流电路(2)采用二极管桥整流电路，每个压电陶 瓷元件(7)产生的电流都经过一个二极管桥整流电路进行桥整流。整流后输送给能量存储电 路装置(3)；所述的能量存储电路装置(3)为大容量的电解电容(9)，压电陶瓷装置(1) 产生的电流为其充电，当储能电容(9)中的能量足以供负载(10)工作时，储能电容(9) 则放电，即储能电容(9)处于充电和放电两个过程中。储能电容(9)大小等于压电陶瓷压 电陶瓷装置(1)的等效电容(8)时，储能电容(9)能存储最大能量；所述的电压调节器(4) 用来调节电容输入来的电压，输出稳定的电压供负载工作。
本发明是一种用在植入关节内的、利用关节活动时产生的压力经过压电陶瓷设备进行间 歇供电的装置，利用压电陶瓷在压力情况下产生的能量转换为电能的技术，含有压电陶瓷装 置、全波桥整流电路、储能元件电容以及电压调节电路。压电陶瓷受压时产生的电流经过全 波桥整流后将能量存储到储能电容里，储能电容提供电压给电压调节电路，电压调节电路输 出稳定的电压供后续电路工作。为实现生物体植入关节双向数字无线压力监视系统的提供了 有效的供电方式。