植入式醫療電子設備供電電源原理與設計

　　植入式醫療設備可分為被動(dòng)式和主動(dòng)式兩種。大多數被動(dòng)式的植入式醫療設備是非電子產(chǎn)品，如隱形眼鏡、心臟支架、人造瓣膜、人造關(guān)節等組織結構裝置。主動(dòng)式的植人式設備如植入式心臟除頗器和心臟起搏器等各種激勵系統，需要能量供給才能代替或提高某個(gè)器官的功能，或者治療某種疾病。目前，植入式心臟除頗器和心臟起搏器這類(lèi)裝置維持著(zhù)上百萬(wàn)心臟病患者的生命。其它激勵系統也被用于治療各式問(wèn)題.如小便失禁以及慢性疼痛之類(lèi)的疾病，深度腦激勵設備也用于治療諸如癲痛癥、痙攣性震頗和帕金森綜合癥等疾病。雖然這些產(chǎn)品目前的應用規模不算大，但肯定會(huì )在不久的將來(lái)獲得更廣泛的運用。表1列舉了部分植入式電子設備的功能以及它們的適應癥。

點(diǎn)擊看原圖

　　植入式醫療電子設備通常由兩大部分組成，即體內植入部分和體外測控部分。體外部分的任務(wù)是人體信息的測量與控制，從而完成疾病的診斷和治療。整個(gè)裝置包括信息的獲取、處理、存檔、控制、指令、顯示與記錄功能。體外部分與一般的醫學(xué)儀器相同，系統的特點(diǎn)主要集中在植入部分上，以及體內外信息和能量的交換上。植入式醫療電子設備需要能量供給才能工作，它的能量供給方式有植入式電池供電和外部電源供電兩種方式。本文結合具體的植入式醫療電子設備詳細介紹這兩種能量供給方式的特點(diǎn)。

　　1、植入式電池供電

　　使用植入式電池的重要原因是因為它的高可靠性。與許多消費電子產(chǎn)品不同，用于植入式醫療電子設備的電池是不能隨意更換的。在植入式醫療電子設備密封之前，電池就牢固地固定在其內部。從這以后，在植入式醫療電子設備的側試階段、儲存階段以及植入人體之后，植入式電池就一直為設備供電。通常，我們可以確定電池的使用壽命。那么，作為植入式醫療電子設備組成部分的植入式電他就限定了植入式醫療電子設備的使用壽命。一般，植入式電池要工作(5~10)年。在此期間，植入式電池要具有極小的輸出電壓降，無(wú)任何不良的副作用。如果醫學(xué)技術(shù)上的進(jìn)步使得植入式醫療電子設備更換比較容易，那么就不再需要考慮電池自身的使用狀況了，目前這只是一種理想的情況。

　　醫生和患者都希望植入式醫療電子設備的體積盡可能小。一個(gè)植入式心臟起搏器體積大約20ml，植入式除顫器體積大約是心臟起搏器提及的（3~4)倍。不管是哪一種植入式醫療電子設備，幾乎一半的體積是被內部電池占用了。因此，體積能量密度(能量體積比)或質(zhì)量能量密度〔能量質(zhì)量比)對于植入式電池的設計選擇都是要重點(diǎn)考慮的參數。

　　為了避免尖銳的棱角可能損害周?chē)慕M織或者穿透皮膚，多數植入式醫療電子設備的形狀為圓形或橢圈形，植入式電池的形狀一般設計成圓形。電池的形狀確定之后才能確定整個(gè)植入式醫療電子設備的幾何尺寸。

　　1.1早期發(fā)展

　　低功耗或是極少出現高功耗使用情況的植入式醫療電子設備，通?？梢岳脙炔侩姵毓╇?。例如，植人式心臟起搏器，電池的一半功率用于心臟刺激，而另一半功率用來(lái)完成監測、數據記錄等工作，這些工作耗能不高。以植入式心臟起搏器的電源為例，植入式心臟起搏器最初采用鎳鎘充電電池作為電源，通過(guò)感應充電進(jìn)行能量的傳遞。單個(gè)電池電壓有125v，容量190mAh，這種電池的主要問(wèn)題是壽命短，充電的可靠性依靠患者本人。目前鎳鎘充電電池供電的植入式心臟起搏器已不再銷(xiāo)售。

　　在20世紀60年代，鋅汞電池廣泛地應用于植入式心臟起搏器中。這種電池有很高的電荷體積密度和穩定的電壓，3個(gè)至6個(gè)鋅汞電池串聯(lián)可提供4V‘SV電壓。但這種電池不能做到完全密封，易使液體滲人起搏器引起短路和故障。另外，鋅汞電池在電池耗盡過(guò)程中電壓變化很小，因此也很難估計電池的使用情況。目前已經(jīng)不再使用這種電池作為植入式心臟起搏器的電源。

　　放射性核素電池也曾經(jīng)用作植入式心臟起搏器的電源。放射性元素釙具有87 年的半衰期，用這種元素制成的核素電池在10年內輸出電壓下降只有1%。放射性核素電池具有相當長(cháng)的使用壽命，但體積大、毒性、放射性等諸多間題限制了它的應用。

　　1.2鋰電池

　　20世紀70年代中期研制成功了鋰電池，這種電池具有高能量密度，高可靠性，自放電小以及應用固體電解質(zhì)，可以全密封等特點(diǎn)，替代了鋅汞電池，使植入式起搏器的壽命延長(cháng)到(5~10)年。新型鈦外殼用于封裝電池及電路，內部則由環(huán)氧樹(shù)脂及硅橡膠填充。新型鈦外殼以及特殊屏蔽物能夠很好地保護內部物件，并且減少外部電磁干擾。安裝了這類(lèi)新型起搏器的病人可以安全地使用微波爐及其它家用或辦公室內的常用電器。

　　目前，鋰碘電池廣泛地成為植入式醫療電子設備的能源選擇。鋰碘電池是一種固態(tài)離子電池，陽(yáng)極即電池的負極是由鋰做的，陰極即電池的正極由碘和聚合物如聚一2一乙烯基毗咤的復合物，在兩級之間是固體電解質(zhì)。碘化鋰固態(tài)電解質(zhì)的低導電性將電流限制在微安級別，但已經(jīng)足夠驅動(dòng)心臟起搏器了。碘化鋰隔膜能夠自動(dòng)愈合，這樣使得鋰碘電池非常安全、可靠是植入式心臟起搏器供電能源的最佳選擇。電池和控制電路工程上的進(jìn)步使得植入式電池只有先前的一半大小了。自從1972年以來(lái)，大約有50 萬(wàn)個(gè)鋰碘電池成功地應用于植入式心臟起搏器中。

1.3 體內充電電池

　　廣泛用于植入式醫療電子設備中的充電電池有鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰離子充電電池(二次鋰電池)。三種電池的部分性能指標參見(jiàn)表2。

　　鋰離子充電電池以其高工作電壓、高循環(huán)壽命和高能量密度等優(yōu)異性能而備受世人青睞，被認為是目前綜合性能最好的電池體系。