基于上腔静脉搏动能量采集的植入式设备供能技术研究

本文创新性地提出利用聚偏二氟乙烯（PVDF）压电传感器从上腔静脉（SVC）搏动血流中采集能量，通过液压实验系统模拟生理血流速度（60-120 bpm），实测最高输出功率达35 nW（1.7 V）。研究结合有限元仿真与MATLAB建模，为延长心脏起搏器等植入设备电池寿命提供了新思路。

　　

Highlight

这项研究揭示了从上腔静脉（Superior Vena Cava, SVC）搏动血流中获取能量的突破性潜力。通过巧妙设计的液压实验系统模拟人体血流动力学特征，我们首次实现了利用柔性压电材料（PVDF）将血管脉动转化为电能的技术验证。

Experimental system

实验系统精准复现了SVC的解剖结构——采用18-22 mm锥形流道模拟静脉形态，通过凸轮机构驱动液压系统产生生理性脉动波形（对应60-120次/分钟心率）。PVDF压电悬臂梁在流体作用下产生谐波形变，其位移量随心率提升显著增加（120 bpm时达3.07 mm）。

Energy harvesting data

实测数据显示：当心率从60 bpm升至120 bpm时，输出功率呈指数级增长（0.5 nW→35 nW），稳态电压同步提升（0.3 V→1.7 V）。每个心动周期产生双峰电压波形，完美对应心脏射血动力学特征。

Harvester deformation

有限元分析揭示了形变-能量转化机制：PVDF梁端部位移与血流速度正相关，在120 bpm时产生最大3.07 mm位移。仿真与实验数据高度吻合（R²>0.95），验证了模型的可靠性。

Discussion

尽管当前单模块输出功率（32 nW）暂不能满足起搏器需求，但通过阵列式布置、几何优化及采用锆钛酸铅（PZT）等高性能材料，该技术有望实现μW级能量采集。相较于心脏贴附式方案，SVC路径采集具有手术兼容性优势。

Conclusion

本研究为植入式医疗电子设备的自供能技术开辟了新路径。未来通过多学科协同优化，SVC能量采集技术或将成为解决植入设备"电池焦虑"的革命性方案。