植入式医疗电子设备供电电源原理与设计

0 简介

植入式医疗器械可分为被动式和主动式两种。大多数被动式植入式医疗器械都是非电子产品，例如隐形眼镜、心脏支架、人工瓣膜、人工关节和其他组织结构。主动式植入式器械如植入式心脏复律除颤器和起搏器需要能量来替代或改善器官的功能或治疗疾病。目前，植入式心脏复律除颤器和起搏器等器械维持着数百万心脏病患者的生命。其他刺激系统也用于治疗各种问题。例如，尿失禁和慢性疼痛等疾病，深部脑刺激装置也用于治疗癫痫、痉挛性抽搐和帕金森氏症等疾病。虽然这些产品目前还没有大规模使用，但在不久的将来肯定会得到更广泛的应用。表1列出了一些植入式电子设备的功能及其适应症。

植入式医用电子设备通常由两大部分组成，即体内植入部分和体外测控部分。体外部分的任务是对人体信息进行测量和控制，从而完成疾病的诊断和治疗，整个装置包括信息采集、处理、归档、控制、指令、显示和记录等功能。体外部分与一般医疗器械相同，系统的特点主要集中在植入部分和体内外信息和能量的交换上。植入式医用电子设备需要能量供给才能工作，其能量供给方式有植入式电池供电和体外电源供电两种，本文结合具体的植入式医用电子设备详细介绍这两种能量供给方式的特点。

1. 植入式电池电源

使用植入式电池的一个重要原因是由于其可靠性高。与许多消费电子产品不同，植入式医疗电子设备中使用的电池不能随意更换。在植入式医疗电子设备密封之前，电池是牢牢固定在其内部的。从那时起，在植入式医疗电子设备的侧测阶段、存储阶段以及植入人体后，植入式电池一直为该设备供电。通常，我们可以确定电池的使用寿命。那么，作为植入式医疗电子设备组成部分的植入式电池限制了植入式医疗电子设备的使用寿命。通常，植入式电池应工作（5~10）年。在此期间，植入式电池应具有非常小的输出电压降，并且没有不良副作用。如果医疗技术的进步使得更换植入式医疗电子设备变得更加容易，那么就无需考虑电池本身的使用，目前这只是理想情况。

医生和患者都希望植入式医疗电子设备的体积尽可能的小。植入式心脏起搏器的体积约为20ml，植入式除颤器的体积约为心脏起搏器的（3~4）倍。无论何种类型的植入式医疗电子设备，几乎一半的体积都被内部电池所占据。因此，体积能量密度（能量与体积之比）或质量能量密度（能量与质量之比）是植入式电池设计和选型需要考虑的关键参数。

为了避免可能损伤周围组织或者刺破皮肤的锐利边缘，大多数植入式医疗电子设备的形状为圆形或者椭圆形，而植入式电池的形状一般也设计为圆形。只有确定了电池的形状，才能确定整个植入式医疗电子设备的几何尺寸。

1.1 早期发展

功耗较低或极少有大功耗的植入式医疗电子设备，通常可采用内置电池供电。例如在植入式起搏器中，一半电池电量用于心脏刺激，另一半用于完成监测、数据记录等工作，这些工作消耗的能量并不多。以植入式起搏器的电源为例，植入式起搏器最初采用镍镉充电电池作为电源，通过感应充电传输能量。单块电池电压为125V，容量为1000W。这类电池的主要问题是寿命短，充电的可靠性取决于患者自己。目前，采用镍镉充电电池供电的植入式起搏器已不再销售。

20 世纪 60 年代，锌汞电池被广泛用于植入式心脏起搏器。这种电池的电荷体积密度高，电压稳定，三至六节锌汞电池串联起来，可以提供 4V SV 电压。但这种电池无法完全密封，液体很容易渗入起搏器内部，造成短路和故障。另外，锌汞电池在电池耗尽时电压变化很小，因此很难估计电池使用量。这种电池现在已不再用作植入式心脏起搏器的电源。

核素电池还被用作植入式心脏起搏器的电源。放射性元素钋的半衰期为87年，用该元素制成的核素电池的输出电压在10年内仅下降1%。核素电池的使用寿命较长，但体积大、毒性、放射性等诸多问题限制了其应用。

1.2 锂电池

20世纪70年代中期，锂电池研制成功。该型电池具有能量密度高、可靠性高、自放电小、固体电解质、可全密封等特点，取代了锌汞电池，使植入式起搏器的使用寿命延长到（5~10）年。采用新型钛外壳封装电池和电路，内部填充环氧树脂和硅橡胶。新型钛外壳和特殊的屏蔽层能很好地保护内部物体，减少外界电磁干扰。安装这种新型起搏器的患者可以在家里或办公室里安全地使用微波炉等常用电器。

目前，锂碘电池被广泛用作植入式医疗电子设备的首选能源。锂碘电池属于固态离子电池，其阳极，即电池的负极由锂制成，阴极，即电池的正极，是碘和聚合物（如聚-2-乙烯基吡咯烷酮）的复合物。两个电极之间有固体电解质。碘化锂固体电解质的低电导率将电流限制在微安级，但足以驱动起搏器。碘化锂隔膜可以自我修复，使锂碘电池非常安全可靠，是植入式起搏器供电的最佳选择。电池和控制电路工程的进步使植入式电池的体积只有以前的一半。自1972年以来，已有约50万块锂碘电池成功应用于植入式起搏器。

1.3 内置可充电电池

植入式医疗电子设备中广泛使用的充电电池包括镍镉电池、镍氢电池、锂离子充电电池（二次锂电池），三种电池的部分性能指标如表2所示。

锂离子充电电池以其高工作电压、高循环寿命、高能量密度等优异性能受到世界各国的青睐，被认为是目前综合性能最好的电池体系。

二次锂电池是以锂金属为负极（阳极）、以适合锂离子迁移的锂盐溶液为电解液、以具有通道结构的正极（阴极）材料，锂离子可以轻易地嵌入和脱出，但在嵌入和脱出过程中结构变化不大的一种新型电池体系。目前，锂二次电池所用的正极材料有钴酸锂、镍酸锂、钒酸锂、铁酸锂、锰酸锂等。不同正极材料组成的二次锂电池体积能量密度不同，如表3所示。

钴酸锂是现阶段商业化锂离子电池应用最成功的正极材料，目前与其他正极材料相比，其在可逆性、放电容量、充电效率、电压稳定性等方面的综合性能最优，但钴酸锂价格昂贵，且对环境有污染。镍酸锂性能与钴酸锂化合物相近，但由于价格低廉，有利于大规模推广。锰酸锂价格便宜，无毒无污染，对环境影响较小。钒酸锂容量高，特别是近年来V2O3凝胶得到发展，其能量密度远超其他材料，同时大大提高锂离子电池的使用寿命，由于其成本低廉，对环境无污染，易于大规模推广。

综上所述，不同类型的植入式医疗电子设备对电池的要求不同，选择植入式电池时应综合考虑。例如，植入式除颤器可以提供幅度比起搏器脉冲幅度大6个数量级的电脉冲，但这种情况并不经常发生。由于电池不能突然产生电脉冲，电池对内部电容器充电20秒后再向心脏释放电能，并将电能储存在内部电容器中。在充电阶段，需要1A~ZA的电流。锂碘电池不能提供大电流，因此植入式除颤器一般采用锂银钒氧化物电池。有些设备，如药物泵，利用电化学反应器在泵腔内产生高电压，从而将药物从储液器中注入目标。泵送药物的动作是不连续的，可以定期进行，也可以由患者触发。

水泵启动时需要几毫安的电流，这种情况下可以选择内阻小的电池，如亚硫酰氯电池、碳氟化锂电池、锂银钒氧化物电池等。

2外部电源

一些植入式医疗电子设备也可以通过便携式外部电源供电，既可以通过直接电连接，也可以通过无线射频连接。本文主要介绍无线射频方式，无线射频供电原理图如图1所示。

这种供电方式是将由外部电池供电的射频振荡器连接到

输出经过射频功率放大器后加到体外的初级射频感应线圈，该线圈贴在皮肤表面，植入系统的小型次级感应线圈与体表线圈平行放置，从中感应出射频电压，射频电压经过整流、滤波、稳压后，产生稳定的直流电压，可用来给体内的充电电池充电或直接供给体内的电子电路工作。

为保证植入式医疗电子设备的高可靠性，使用外部电源时一般需配备备用电池，相对增加了外部设备的维护成本，此外无线射频干扰、局部组织热效应等也是不容忽视的问题。尽管如此，对于一些植入式医疗电子设备来说，使用外部电源仍是最佳选择。

有些植入物太小，无法容纳电池。例如人工耳蜗是一种需要通过手术植入以替代内耳毛细胞的电子设备。它的植入部分包括植入物和植入电极，外部部分包括麦克风、语音处理器、传输线缆和传感器线圈。两部分配合使用。电力和数据都是通过发射射频范围内的电磁波来传输的。

其他植入式器械，如左心室辅助装置（LVAD），是心脏外科手术中使用的机械循环装置，主要作用是减轻左心室负荷、降低心肌耗氧量、增加舒张压、改善冠状动脉灌注、增加心输出量。目前，LVAD在临床上主要用于帮助心脏外科手术患者脱离体外循环，以及作为过渡性心脏移植的桥梁。LVAD由电源、控制系统和泵组成，控制系统和电源为外置式，泵可以内置，也可以外置。左心室辅助装置有电动和气动两种，电动LVAD有部分内置充电电池，由外置电源充电，气动LVAD通常体积很小，使用外置充电电池产生压缩空气。

使用外部电源可以为植入式医疗电子设备持续提供大功率;利用无线射频连接不仅能实现能量传输，还能对植入式医疗电子设备进行控制、查询;另外，植入式医疗电子设备的使用寿命和储存寿命不再受到电池的限制。

3 展望

植入式医用电子设备的能源供应研究不断有令人振奋的新突破和进展。充电电池技术的进步，推动了各种以体内充电电池供电的植入式医用电子设备的发展；高能量密度的锂聚合物电池和薄膜电池很可能成为未来植入式电池的首选；利用体内其他能量转换实现能源供应的研究(如生物燃料电池、人体温差电池、利用人体自身的机械能以及直接从神经中提取电能等)也时有报道。总之，可以研究一种能够长时间提供能量，并且不需要外界强辐射能量(电磁波或近红外线)的更安全的能源供应方式。