0 前言
植入式醫(yī)療設(shè)備可分為被動(dòng)式和主動(dòng)式兩種。大多數(shù)被動(dòng)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(dòng)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(lì)系統(tǒng)，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)裝置維持著上百萬(wàn)心臟病患者的生命。其它激勵(lì)系統(tǒng)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(lì)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(huì)在不久的將來(lái)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(cè)控部分。體外部分的任務(wù)是人體信息的測(cè)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(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?yàn)樗母呖煽啃浴Ｅc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(chǔ)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(wú)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(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(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(duì)于植入式電池的設(shè)計(jì)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?chē)慕M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(jì)成圓形。電池的形狀確定之后才能確定整個(gè)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(lái)完成監(jiān)測(cè)、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(guò)感應(yīng)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(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(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(jì)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(zhǎng)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(zhǎng)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(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(hù)內(nèi)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(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(yáng)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(jí)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(jí)別，但已經(jīng)足夠驅(qū)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(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(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(rèn)為是目前綜合性能最好的電池體系。
二次鋰電池是一類(lèi)以金屬鋰為負(fù)極(陽(yáng)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(guò)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(jí)材料組成的二次鋰電池的體積能量密度不同，參見(jiàn)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(jià)格較貴，且對(duì)環(huán)境有污染。鋰鎳氧化物的性能較鋰鈷化合物類(lèi)似，但由于其價(jià)格便宜，故有利于大量推廣。鋰錳氧化物價(jià)格便宜，無(wú)毒且污染小，對(duì)環(huán)境影響小。鋰釩氧化物具有高容量，特別是近幾年又開(kāi)發(fā)出V2O3凝膠，它的能量密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其它材料，在大幅的提高鋰離子電池的使用時(shí)間的同時(shí)由于其成本低，且對(duì)環(huán)境無(wú)污染，便于大量的推廣。
總之，不同類(lèi)型的植入式醫(yī)療電子設(shè)備對(duì)電池的要求差別較大，選擇植入式電池時(shí)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(gè)數(shù)量級(jí)的電脈沖，但這種情況并不頻繁出現(xiàn)。因?yàn)殡姵夭豢赡芡蝗划a(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?jī)?chǔ)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(chǔ)室注入目標(biāo)。泵入藥物的動(dòng)作是不連續(xù)的，可定期動(dòng)作或由患者觸發(fā)。
當(dāng)泵打開(kāi)時(shí)需要幾個(gè)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(guò)直接的電氣連接也可以通過(guò)無(wú)線射頻連接。文中主要介紹無(wú)線射頻方式，無(wú)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(jí)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(jí)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(shí)一般都有后備電池。外部裝置的維護(hù)成本相對(duì)增加，另外由于無(wú)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(wèn)題。盡管如此，對(duì)于某些植入式醫(yī)療電子設(shè)備來(lái)說(shuō)，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(wú)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(xiàng)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(yǔ)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(guò)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(dòng)脈灌注，以及提高心輸出量。目前，LVAD在臨床上主要用來(lái)幫助心臟手術(shù)病人脫離體外循環(huán)和作為過(guò)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(dòng)的和氣動(dòng)的。一些電動(dòng)式的LVAD裝有植入式可充電電池，由外部電源為其充電。氣動(dòng)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(wú)線射頻連接，不但可以實(shí)現(xiàn)能量的傳遞，同時(shí)也可以對(duì)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(chǔ)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(lái)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(shí)有報(bào)道。總之，能夠研究一種更安全、能長(zhǎng)期提供能源、無(wú)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。