0 前言
植入式醫(yī)療設(shè)備可分為被動式和主動式兩種。大多數(shù)被動式的植入式醫(yī)療設(shè)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(jié)等組織結(jié)構(gòu)裝置。主動式的植人式設(shè)備如植入式心臟除頗器和心臟起搏器等各種激勵系統(tǒng)，需要能量供給才能代替或提高某個器官的功能，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裝置維持著上百萬心臟病患者的生命。其它激勵系統(tǒng)也被用于治療各式問題.如小便失禁以及慢性疼痛之類的疾病，深度腦激勵設(shè)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(yīng)用規(guī)模不算大，但肯定會在不久的將來獲得更廣泛的運(yùn)用。表1列舉了部分植入式電子設(shè)備的功能以及它們的適應(yīng)癥。
植入式醫(yī)療電子設(shè)備通常由兩大部分組成，即體內(nèi)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(yī)學(xué)儀器相同，系統(tǒng)的特點(diǎn)主要集中在植入部分上，以及體內(nèi)外信息和能量的交換上。植入式醫(yī)療電子設(shè)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(jié)合具體的植入式醫(yī)療電子設(shè)備詳細(xì)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(fèi)電子產(chǎn)品不同，用于植入式醫(yī)療電子設(shè)備的電池是不能隨意更換的。在植入式醫(yī)療電子設(shè)備密封之前，電池就牢固地固定在其內(nèi)部。從這以后，在植入式醫(yī)療電子設(shè)備的側(cè)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(shè)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(yī)療電子設(shè)備組成部分的植入式電他就限定了植入式醫(yī)療電子設(shè)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，無任何不良的副作用。如果醫(yī)學(xué)技術(shù)上的進(jìn)步使得植入式醫(yī)療電子設(shè)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(yī)生和患者都希望植入式醫(yī)療電子設(shè)備的體積盡可能小。一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(yī)療電子設(shè)備，幾乎一半的體積是被內(nèi)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(shè)計選擇都是要重點(diǎn)考慮的參數(shù)。
為了避免尖銳的棱角可能損害周圍的組織或者穿透皮膚，多數(shù)植入式醫(yī)療電子設(shè)備的形狀為圓形或橢圈形，植入式電池的形狀一般設(shè)計成圓形。電池的形狀確定之后才能確定整個植入式醫(yī)療電子設(shè)備的幾何尺寸。
1.1早期發(fā)展
低功耗或是極少出現(xiàn)高功耗使用情況的植入式醫(yī)療電子設(shè)備，通常可以利用內(nèi)部電池供電。例如，植人式心臟起搏器，電池的一半功率用于心臟刺激，而另一半功率用來完成監(jiān)測、數(shù)據(jù)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，通過感應(yīng)充電進(jìn)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(jì)60年代，鋅汞電池廣泛地應(yīng)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(wěn)定的電壓，3個至6個鋅汞電池串聯(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(nèi)輸出電壓下降只有1%。放射性核素電池具有相當(dāng)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(yīng)用。
1.2鋰電池
20世紀(jì)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(yīng)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到(5~10)年。新型鈦外殼用于封裝電池及電路，內(nèi)部則由環(huán)氧樹脂及硅橡膠填充。新型鈦外殼以及特殊屏蔽物能夠很好地保護(hù)內(nèi)部物件，并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(nèi)的常用電器。
目前，鋰碘電池廣泛地成為植入式醫(yī)療電子設(shè)備的能源選擇。鋰碘電池是一種固態(tài)離子電池，陽極即電池的負(fù)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(fù)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(dǎo)電性將電流限制在微安級別，但已經(jīng)足夠驅(qū)動心臟起搏器了。碘化鋰隔膜能夠自動愈合，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，大約有50 萬個鋰碘電池成功地應(yīng)用于植入式心臟起搏器中。
1.3 體內(nèi)充電電池
廣泛用于植入式醫(yī)療電子設(shè)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(biāo)參見表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(rèn)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(fù)極(陽極)，以適合于鋰離子遷移的鋰鹽溶液為電解質(zhì)，以具有通道結(jié)構(gòu)，鋰離子可以方便地嵌人、脫出，但嵌人、脫出過程中結(jié)構(gòu)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(xiàn)階段商品化鋰離子電池中應(yīng)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(wěn)定性等方面綜合性能最佳，但鋰鈷氧化物價格較貴，且對環(huán)境有污染。鋰鎳氧化物的性能較鋰鈷化合物類似，但由于其價格便宜，故有利于大量推廣。鋰錳氧化物價格便宜，無毒且污染小，對環(huán)境影響小。鋰釩氧化物具有高容量，特別是近幾年又開發(fā)出V2O3凝膠，它的能量密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)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于其成本低，且對環(huán)境無污染，便于大量的推廣。
總之，不同類型的植入式醫(yī)療電子設(shè)備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，它能夠提供幅值大于起搏器脈沖幅值6個數(shù)量級的電脈沖，但這種情況并不頻繁出現(xiàn)。因為電池不可能突然產(chǎn)生電脈沖，電能在向心臟釋放之前，電池先向內(nèi)部電容充電20秒，能量儲存在內(nèi)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，植入式除顫器一般采用鋰銀釩氧化物電池。有些裝置比如藥物泵它利用電化學(xué)反應(yīng)器在泵腔中產(chǎn)生高壓，從而將藥物從儲室注入目標(biāo)。泵入藥物的動作是不連續(xù)的，可定期動作或由患者觸發(fā)。
當(dāng)泵打開時需要幾個毫安電流。這種情況，可以選擇具有低內(nèi)阻的電池，如理氯化亞硫酰電池，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(yī)療電子設(shè)備也可以用便攜的外部電源供電，既可以通過直接的電氣連接也可以通過無線射頻連接。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。
輸出經(jīng)射頻功率放大器后加至體外初級射頻感應(yīng)線圈，該線圈貼在皮膚表面，植入系統(tǒng)的小型次級感應(yīng)線圈則平行置于體表線圈之下，并從中感應(yīng)出射頻電壓。該射頻電壓經(jīng)整流、濾波、穩(wěn)壓后產(chǎn)生穩(wěn)定的直流電壓，或?qū)w內(nèi)充電電池充電，或直接供給體內(nèi)電子電路工作。
為保證植入式醫(yī)療電子設(shè)備的高可靠性，采用外部電源供電方式時一般都有后備電池。外部裝置的維護(hù)成本相對增加，另外由于無線射頻引起的干擾和局部組織熱效應(yīng)也是不容忽視的問題。盡管如此，對于某些植入式醫(yī)療電子設(shè)備來說，采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(shù)植入替代內(nèi)耳毛細(xì)胞發(fā)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(fēng)、語言處理器、傳輸電纜、傳感線圈，兩部分配合使用。電源和數(shù)據(jù)都是通過發(fā)射射頻范圍內(nèi)的電磁波進(jìn)行傳遞。
另外一些植入裝置如左心室輔助裝置LVAD)是一種應(yīng)用于心臟外科的機(jī)械循環(huán)裝置，它的主要作用是減輕左心室負(fù)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(shù)病人脫離體外循環(huán)和作為過渡性心臟移植的橋梁。LVAD由電源、控制系統(tǒng)和泵組成，控制系統(tǒng)和電源是外置的，而泵既可以內(nèi)置，也可外置。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，采用外部充電電池產(chǎn)生壓縮空氣。
采用外部電源供電方式能為植入式醫(yī)療電子設(shè)備連續(xù)提供高電能;利用無線射頻連接，不但可以實(shí)現(xiàn)能量的傳遞，同時也可以對植入式醫(yī)療電子設(shè)備進(jìn)行控制和查詢;另外，植入式醫(yī)療電子設(shè)備的使用壽命和儲存壽命也不再受電池的限制。
3 展望
關(guān)于植入式醫(yī)療電子設(shè)備能量供給的研究不斷有令人振奮的新突破和新進(jìn)展。充電電池技術(shù)上的進(jìn)步促進(jìn)了由體內(nèi)充電電池供電的各種植入式醫(yī)療電子設(shè)備的發(fā)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(nèi)其他能量轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)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(jī)械能以及直接從神經(jīng)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(qiáng)能量(電磁波或近紅外線)的供能方式，
將是植入式醫(yī)療電子設(shè)備供電電源的發(fā)展方向。