植入式醫(yī)療電子設(shè)備供電電源原理與設(shè)計(jì)

　　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(jí)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(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(shí)間的同時(shí)由于其成本低，且對(duì)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(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。

　　這種供電方式是將一個(gè)由體外電池供電的射頻振蕩器的輸出經(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(duì)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(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(dòng)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(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?？傊?，能夠研究一種更安全、能長(zhǎng)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。