植入式醫療電子裝置供電電源原理與設計
0 前言
植入式醫療裝置可分為被動式和主動式兩種。大多數被動式的植入式醫療裝置是非電子產品，如**眼鏡、心臟支架、人造瓣膜、人造關節等組織結構裝置。主動式的植人式裝置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器官的功能，或者**某種疾病。目前，植入式心臟除頗器和心臟起搏器這類裝置維持著上百萬心臟病患者的生命。其它激勵系統也被用於**各式問題.如小便失禁以及慢性疼痛之類的疾病，深度腦激勵裝置也用於**諸如癲痛症、痙攣性震頗和帕金森綜合症等疾病。雖然這些產品目前的應用規模不算大，但肯定會在不久的將來獲得更廣泛的運用。表1列舉了部分植入式電子裝置的功能以及它們的適應症。
植入式醫療電子裝置通常由兩大部分組成，即體內植入部分和體外測控部分。體外部分的任務是人體資訊的測量與控制，從而完成疾病的診斷和**。整個裝置包括資訊的獲取、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儀器相同，系統的特點主要集中在植入部分上，以及體內外資訊和能量的交換上。植入式醫療電子裝置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裝置詳細介紹這兩種能量供給方式的特點。
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。與許多消費電子產品不同，用於植入式醫療電子裝置的電池是不能隨意更換的。在植入式醫療電子裝置密封之前，電池就牢固地固定在其內部。從這以後，在植入式醫療電子裝置的側試階段、儲存階段以及植入人體之後，植入式電池就一直為裝置供電。通常，我們可以確定電池的使用壽命。那麼，作為植入式醫療電子裝置組成部分的植入式電他就限定了植入式醫療電子裝置的使用壽命。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，無任何不良的***。如果醫學技術上的進步使得植入式醫療電子裝置更換比較容易，那麼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裝置的體積盡可能小。乙個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裝置，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)或質量能量密度〔能量質量比)對於植入式電池的設計選擇都是要重點考慮的引數。
為了避免尖銳的稜角可能損害周圍的組織或者穿透**，多數植入式醫療電子裝置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。電池的形狀確定之後才能確定整個植入式醫療電子裝置的幾何尺寸。
1.1早期發展
低功耗或是極少出現高功耗使用情況的植入式醫療電子裝置，通常可以利用內部電池供電。例如，植人式心臟起搏器，電池的一半功率用於心臟刺激，而另一半功率用來完成監測、資料記錄等工作，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採用鎳鎘充電電池作為電源，通過感應充電進行能量的傳遞。單個電池電壓有125v，容量190mah，這種電池的主要問題是壽命短，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售。
在20世紀60年代，鋅汞電池廣泛地應用於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個至6個鋅汞電池串聯可提供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，用這種元素製成的核素電池在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年代中期研製成功了鋰電池，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，可以全密封等特點，替代了鋅汞電池，使植入式起搏器的壽命延長到(5~10)年。新型鈦外殼用於封裝電池及電路，內部則由環氧樹脂及矽橡膠填充。新型鈦外殼以及特殊遮蔽物能夠很好地保護內部物件，並且減少外部電磁干擾。安裝了這類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裝置的能源選擇。鋰碘電池是一種固態離子電池，陽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吒的複合物，在兩級之間是固體電解質。碘化鋰固態電解質的低導電性將電流限制在微安級別，但已經足夠驅動心臟起搏器了。碘化鋰隔膜能夠自動癒合，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步使得植入式電池只有先前的一半大小了。自從2023年以來，大約有50 萬個鋰碘電池成功地應用於植入式心臟起搏器中。
1.3 體內充電電池
廣泛用於植入式醫療電子裝置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)。三種電池的部分效能指標參見表2。
鋰離子充電電池以其高工作電壓、高迴圈壽命和高能量密度等優異效能而備受世人青睞，被認為是目前綜合性能最好的電池體系。
二次鋰電池是一類以金屬鋰為負極(陽極)，以適合於鋰離子遷移的鋰鹽溶液為電解質，以具有通道結構，鋰離子可以方便地嵌人、脫出，但嵌人、脫出過程中結構變化小的材料為正極(陰極)的新型電池體系。目前.用作鋰二次電池的正極材料有鋰鈷氧化物，鋰鎳氧化物，鋰釩氧化物，鋰鐵氧化物，鋰錳氧化物等，不同的正級材料組成的二次鋰電池的體積能量密度不同，參見表3所示。
鋰鈷氧化物是現階段商品化鋰離子電池中應用最成功的正極材料。目前，相比其他正極材料，licoo2在可逆性、放電容量、充電效率和電壓穩定性等方面綜合性能最佳，但鋰鈷氧化物**較貴，且對環境有汙染。鋰鎳氧化物的效能較鋰鈷化合物類似，但由於其**便宜，故有利於大量推廣。鋰錳氧化物**便宜，無毒且汙染小，對環境影響小。鋰釩氧化物具有高容量，特別是近幾年又開發出v2o3凝膠，它的能量密度遠遠超過其它材料，在大幅的提高鋰離子電池的使用時間的同時由於其成本低，且對環境無汙染，便於大量的推廣。
總之，不同型別的植入式醫療電子裝置對電池的要求差別較大，選擇植入式電池時要綜合考慮。如植入式除顫器，它能夠提供幅值大於起搏器脈衝幅值6個數量級的電脈衝，但這種情況並不頻繁出現。因為電池不可能突然產生電脈衝，電能在向心臟釋放之前，電池先向內部電容充電20秒，能量儲存在內部電容中。在充電階段，需要1a~za電流。鋰碘電池不能提供較大的電流，因而，植入式除顫器一般採用鋰銀釩氧化物電池。有些裝置比如藥物幫浦它利用電化學反應器在幫浦腔中產生高壓，從而將藥物從儲室注入目標。幫浦入藥物的動作是不連續的，可定期動作或由患者觸發。
當幫浦開啟時需要幾個毫安電流。這種情況，可以選擇具有低內阻的電池，如理氯化亞硫醯電池，鋰氟化碳電池，鋰銀釩氧化物電池等。
2外部電源供電
某些植入式醫療電子裝置也可以用便攜的外部電源供電，既可以通過直接的電氣連線也可以通過無線射頻連線。文中主要介紹無線射頻方式，無線射頻供電示意圖如圖1所示。
這種供電方式是將乙個由體外電池供電的射頻振盪器的
輸出經射頻功率放大器後加至體外初級射頻感應線圈，該線圈貼在**表面，植入系統的小型次級感應線圈則平行置於體表線圈之下，並從中感應出射頻電壓。該射頻電壓經整流、濾波、穩壓後產生穩定的直流電壓，或對體內充電電池充電，或直接供給體內電子電路工作。
為保證植入式醫療電子裝置的高可靠性，採用外部電源供電方式時一般都有後備電池。外部裝置的維護成本相對增加，另外由於無線射頻引起的干擾和區域性組織熱效應也是不容忽視的問題。儘管如此，對於某些植入式醫療電子裝置來說，採用外部電源供電方式仍是其最佳選擇。
某些植入裝置體積非常小，無法容納電池。如人工耳蝸，它是需要手術植入替代內耳毛細胞發揮作用的一項電子裝置。它的植入部分包括植入體和植入電極，體外部分包括麥克風、語言處理器、傳輸電纜、感測線圈，兩部分配合使用。電源和資料都是通過發射射頻範圍內的電磁波進行傳遞。
另外一些植入裝置如左心室輔助裝置lvad)是一種應用於心臟外科的機械迴圈裝置，它的主要作用是減輕左心室負荷，降低心肌耗氧量，提高舒張壓改善冠狀動脈灌注，以及提高心輸出量。目前，lvad在臨床上主要用來幫助心臟手術病人脫離體外迴圈和作為過渡性心臟移植的橋梁。lvad由電源、控制系統和幫浦組成，控制系統和電源是外接的，而幫浦既可以內建，也可外接。左心室輔助裝置有電動的和氣動的。一些電動式的lvad裝有植入式可充電電池，由外部電源為其充電。氣動的lvad通常體積很小，採用外部充電電池產生壓縮空氣。
採用外部電源供電方式能為植入式醫療電子裝置連續提供高電能;利用無線射頻連線，不但可以實現能量的傳遞，同時也可以對植入式醫療電子裝置進行控制和查詢;另外，植入式醫療電子裝置的使用壽命和儲存壽命也不再受電池的限制。
3 展望
關於植入式醫療電子裝置能量供給的研究不斷有令人振奮的新突破和新進展。充電電池技術上的進步促進了由體內充電電池供電的各種植入式醫療電子裝置的發展;高能量密度的鋰聚合物電池和薄膜電池有可能成為未來植入式電池的首選;利用體內其他能量轉換實現能量供給(如生物燃料電池、人體溫差電池、利用生物體自身機械能以及直接從神經上提取電能等)方面的研究也時有報道。總之，能夠研究一種更安全、能長期提供能源、無需外界輻射強能量(電磁波或近紅外線)的供能方式，
將是植入式醫療電子裝置供電電源的發展方向。
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