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(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。

　　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(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?？傊軌蜓芯恳环N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。