植入式医疗电子设备供电电源原理与设计

1 前言

植入式医疗设备可分为被动式和主动式两种。大多数被动式的植入式医疗设备是非电子产品，如隐形眼镜、心脏支架、人造瓣膜、人造关节等组织结构装置。主动式的植人式设备如植入式心脏除颇器和心脏起搏器等各种激励系统，需要能量供给才能代替或提高某个器官的功能，或者治疗某种疾病。目前，植入式心脏除颇器和心脏起搏器这类装置维持着上百万心脏病患者的生命。其它激励系统也被用于治疗各式问题.如小便失禁以及慢性疼痛之类的疾病，深度脑激励设备也用于治疗诸如癫痛症、痉挛性震颇和帕金森综合症等疾病。虽然这些产品目前的应用规模不算大，但肯定会在不久的将来获得更广泛的运用。表1列举了部分植入式电子设备的功能以及它们的适应症。



植入式医疗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。体外部分的任务是人体信息的测量与控制，从而完成疾病的诊断和治疗。整个装置包括信息的获取、处理、存档、控制、指令、显示与记录功能。体外部分与一般的医学仪器相同，系统的特点主要集中在植入部分上，以及体内外信息和能量的交换上。植入式医疗电子设备需要能量供给才能工作，它的能量供给方式有植入式电池供电和外部电源供电两种方式。本文结合具体的植入式医疗电子设备详细介绍这两种能量供给方式的特点。

2、植入式电池供电

使用植入式电池的重要原因是因为它的高可靠性。与许多消费电子产品不同，用于植入式医疗电子设备的电池是不能随意更换的。在植入式医疗电子设备密封之前，电池就牢固地固定在其内部。从这以后，在植入式医疗电子设备的侧试阶段、储存阶段以及植入人体之后，植入式电池就一直为设备供电。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他就限定了植入式医疗电子设备的使用寿命。一般，植入式电池要工作(5~10)年。在此期间，植入式电池要具有极小的输出电压降，无任何不良的副作用。如果医学技术上的进步使得植入式医疗电子设备更换比较容易，那么就不再需要考虑电池自身的使用状况了，目前这只是一种理想的情况。

医生和患者都希望植入式医疗电子设备的体积尽可能小。一个植入式心脏起搏器体积大约20ml，植入式除颤器体积大约是心脏起搏器提及的（3~4)倍。不管是哪一种植入式医疗电子设备，几乎一半的体积是被内部电池占用了。因此，体积能量密度(能量体积比)或质量能量密度〔能量质量比)对于植入式电池的设计选择都是要重点考虑的参数。

为了避免尖锐的棱角可能损害周围的组织或者穿透皮肤，多数植入式医疗电子设备的形状为圆形或椭圈形，植入式电池的形状一般设计成圆形。电池的形状确定之后才能确定整个植入式医疗电子设备的几何尺寸。

2.1 早期发展

低功耗或是极少出现高功耗使用情况的植入式医疗电子设备，通常可以利用内部电池供电。例如，植人式心脏起搏器，电池的一半功率用于心脏刺激，而另一半功率用来完成监测、数据记录等工作，这些工作耗能不高。以植入式心脏起搏器的电源为例，植入式心脏起搏器最初采用镍镉充电电池作为电源，通过感应充电进行能量的传递。单个电池电压有125v，容量190mAh，这种电池的主要问题是寿命短，充电的可靠性依靠患者本人。目前镍镉充电电池供电的植入式心脏起搏器已不再销售。

在20世纪60年代，锌汞电池广泛地应用于植入式心脏起搏器中。这种电池有很高的电荷体积密度和稳定的电压，3个至6个锌汞电池串联可提供4V‘SV电压。但这种电池不能做到完全密封，易使液体渗人起搏器引起短路和故障。另外，锌汞电池在电池耗尽过程中电压变化很小，因此也很难估计电池的使用情况。目前已经不再使用这种电池作为植入式心脏起搏器的电源。

放射性核素电池也曾经用作植入式心脏起搏器的电源。放射性元素钋具有87 年的半衰期，用这种元素制成的核素电池在10年内输出电压下降只有1%。放射性核素电池具有相当长的使用寿命，但体积大、毒性、放射性等诸多间题限制了它的应用。

2.2 锂电池

20世纪70年代中期研制成功了锂电池，这种电池具有高能量密度，高可靠性，自放电小以及应用固体电解质，可以全密封等特点，替代了锌汞电池，使植入式起搏器的寿命延长到(5~10)年。新型钛外壳用于封装电池及电路，内部则由环氧树脂及硅橡胶填充。新型钛外壳以及特殊屏蔽物能够很好地保护内部物件，并且减少外部电磁干扰。安装了这类新型起搏器的病人可以安全地使用微波炉及其它家用或办公室内的常用电器。

目前，锂碘电池广泛地成为植入式医疗电子设备的能源选择。锂碘电池是一种固态离子电池，阳极即电池的负极是由锂做的，阴极即电池的正极由碘和聚合物如聚一2一乙烯基毗咤的复合物，在两级之间是固体电解质。碘化锂固态电解质的低导电性将电流限制在微安级别，但已经足够驱动心脏起搏器了。碘化锂隔膜能够自动愈合，这样使得锂碘电池非常安全、可靠是植入式心脏起搏器供电能源的最佳选择。电池和控制电路工程上的进步使得植入式电池只有先前的一半大小了。自从1972年以来，大约有50 万个锂碘电池成功地应用于植入式心脏起搏器中。
　
2 .3 体内充电电池

广泛用于植入式医疗电子设备中的充电电池有镍镉电池、镍氢电池和锂离子充电电池(二次锂电池)。三种电池的部分性能指标参见表2。

锂离子充电电池以其高工作电压、高循环寿命和高能量密度等优异性能而备受世人青睐，被认为是目前综合性能最好的电池体系。

二次锂电池是一类以金属锂为负极(阳极)，以适合于锂离子迁移的锂盐溶液为电解质，以具有通道结构，锂离子可以方便地嵌人、脱出，但嵌人、脱出过程中结构变化小的材料为正极(阴极)的新型电池体系。目前.用作锂二次电池的正极材料有锂钴氧化物，锂镍氧化物，锂钒氧化物，锂铁氧化物，锂锰氧化物等，不同的正级材料组成的二次锂电池的体积能量密度不同，参见表3所示。

锂钴氧化物是现阶段商品化锂离子电池中应用最成功的正极材料。目前，相比其他正极材料，LiCoO2在可逆性、放电容量、充电效率和电压稳定性等方面综合性能最佳，但锂钴氧化物价格较贵，且对环境有污染。锂镍氧化物的性能较锂钴化合物类似，但由于其价格便宜，故有利于大量推广。锂锰氧化物价格便宜，无毒且污染小，对环境影响小。锂钒氧化物具有高容量，特别是近几年又开发出V2O3凝胶，它的能量密度远远超过其它材料，在大幅的提高锂离子电池的使用时间的同时由于其成本低，且对环境无污染，便于大量的推广。

总之，不同类型的植入式医疗电子设备对电池的要求差别较大，选择植入式电池时要综合考虑。如植入式除颤器，它能够提供幅值大于起搏器脉冲幅值6个数量级的电脉冲，但这种情况并不频繁出现。因为电池不可能突然产生电脉冲，电能在向心脏释放之前，电池先向内部电容充电20秒，能量储存在内部电容中。在充电阶段，需要1A~ZA电流。锂碘电池不能提供较大的电流，因而，植入式除颤器一般采用锂银钒氧化物电池。有些装置比如药物泵它利用电化学反应器在泵腔中产生高压，从而将药物从储室注入目标。泵入药物的动作是不连续的，可定期动作或由患者触发。

当泵打开时需要几个毫安电流。这种情况，可以选择具有低内阻的电池，如理氯化亚硫酰电池，锂氟化碳电池，锂银钒氧化物电池等。

3 外部电源供电

某些植入式医疗电子设备也可以用便携的外部电源供电，既可以通过直接的电气连接也可以通过无线射频连接。文中主要介绍无线射频方式，无线射频供电示意图如图1所示。



这种供电方式是将一个由体外电池供电的射频振荡器的输出经射频功率放大器后加至体外初级射频感应线圈，该线圈贴在皮肤表面，植入系统的小型次级感应线圈则平行置于体表线圈之下，并从中感应出射频电压。该射频电压经整流、滤波、稳压后产生稳定的直流电压，或对体内充电电池充电，或直接供给体内电子电路工作。

为保证植入式医疗电子设备的高可靠性，采用外部电源供电方式时一般都有后备电池。外部装置的维护成本相对增加，另外由于无线射频引起的干扰和局部组织热效应也是不容忽视的问题。尽管如此，对于某些植入式医疗电子设备来说，采用外部电源供电方式仍是其最佳选择。

某些植入装置体积非常小，无法容纳电池。如人工耳蜗，它是需要手术植入替代内耳毛细胞发挥作用的一项电子装置。它的植入部分包括植入体和植入电极，体外部分包括麦克风、语言处理器、传输电缆、传感线圈，两部分配合使用。电源和数据都是通过发射射频范围内的电磁波进行传递。

另外一些植入装置如左心室辅助装置LVAD)是一种应用于心脏外科的机械循环装置，它的主要作用是减轻左心室负荷，降低心肌耗氧量，提高舒张压改善冠状动脉灌注，以及提高心输出量。目前，LVAD在临床上主要用来帮助心脏手术病人脱离体外循环和作为过渡性心脏移植的桥梁。LVAD由电源、控制系统和泵组成，控制系统和电源是外置的，而泵既可以内置，也可外置。左心室辅助装置有电动的和气动的。一些电动式的LVAD装有植入式可充电电池，由外部电源为其充电。气动的LVAD通常体积很小，采用外部充电电池产生压缩空气。

采用外部电源供电方式能为植入式医疗电子设备连续提供高电能;利用无线射频连接，不但可以实现能量的传递，同时也可以对植入式医疗电子设备进行控制和查询;另外，植入式医疗电子设备的使用寿命和储存寿命也不再受电池的限制。

4  展望

关于植入式医疗电子设备能量供给的研究不断有令人振奋的新突破和新进展。充电电池技术上的进步促进了由体内充电电池供电的各种植入式医疗电子设备的发展;高能量密度的锂聚合物电池和薄膜电池有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量供给(如生物燃料电池、人体温差电池、利用生物体自身机械能以及直接从神经上提取电能等)方面的研究也时有报道。总之，能够研究一种更安全、能长期提供能源、无需外界辐射强能量(电磁波或近红外线)的供能方式，
将是植入式医疗电子设备供电电源的发展方向。