植入式医疗电子设备供电电源原理与规划
0 前语
植入式医疗设备可分为被动式和主动式两种。大大都被动式的植入式医疗设备对错电子产品，如隐形眼镜、心脏支架、人工瓣膜、人工关节等安排结构设备。主动式的植人式设备如植入式心脏除颇器和心脏起搏器等各种鼓励体系，需求能量供应才干代替或前进某个器官的功用，或许医治某种疾病。现在，植入式心脏除颇器和心脏起搏器这类设备保持着上百万心脏病患者的生命。其它鼓励体系也被用于医治各式问题.如小便失禁以及缓慢痛苦之类的疾病，深度脑鼓励设备也用于医治比方癫痛症、痉挛性震颇和帕金森归纳症等疾病。尽管这些产品现在的运用规划不算大，但必定会在不久的将来取得更广泛的运用。表1列举了部分植入式电子设备的功用以及它们的适应症。
植入式医疗电子设备一般由两大部分组成，即体内植入部分和体外测控部分。体外部分的使命是人体信息的丈量与操控，然后完结疾病的确诊和医治。整个设备包含信息的获取、处理、存档、操控、指令、显现与记载功用。体外部分与一般的医学仪器相同，体系的特色首要会集在植入部分上，以及体表里信息和能量的交换上。植入式医疗电子设备需求能量供应才干作业，它的能量供应方法有植入式电池供电和外部电源供电两种方法。本文结合具体的植入式医疗电子设备具体介绍这两种能量供应方法的特色。
1、植入式电池供电
运用植入式电池的重要原因是因为它的高牢靠性。与许多消费电子产品不同，用于植入式医疗电子设备的电池是不能随意替换的。在植入式医疗电子设备密封之前，电池就牢固地固定在其内部。从这以后，在植入式医疗电子设备的侧试阶段、贮存阶段以及植入人体之后，植入式电池就一向为设备供电。一般，咱们可以确认电池的运用寿数。那么，作为植入式医疗电子设备组成部分的植入式电他就约束了植入式医疗电子设备的运用寿数。一般，植入式电池要作业(5~10)年。在此期间，植入式电池要具有极小的输出电压降，无任何不良的副作用。假如医学技术上的前进使得植入式医疗电子设备替换比较简单，那么就不再需求考虑电池本身的运用状况了，现在这仅仅一种抱负的状况。
医师和患者都期望植入式医疗电子设备的体积尽或许小。一个植入式心脏起搏器体积大约20ml，植入式除颤器体积大约是心脏起搏器提及的（3~4)倍。不管是哪一种植入式医疗电子设备，简直一半的体积是被内部电池占用了。因此，体积能量密度(能量体积比)或质量能量密度〔能量质量比)关于植入式电池的规划挑选都是要要点考虑的参数。
为了防止尖利的棱角或许危害周围的安排或许穿透皮肤，大都植入式医疗电子设备的形状为圆形或椭圈形，植入式电池的形状一般规划成圆形。电池的形状确认之后才干确认整个植入式医疗电子设备的几许尺度。
1.1前期开展
低功耗或是很少呈现高功耗运用状况的植入式医疗电子设备，一般可以运用内部电池供电。例如，植人式心脏起搏器，电池的一半功率用于心脏影响，而另一半功率用来完结监测、数据记载等作业，这些作业耗能不高。以植入式心脏起搏器的电源为例，植入式心脏起搏器开始选用镍镉充电电池作为电源，经过感应充电进行能量的传递。单个电池电压有125v，容量190mAh，这种电池的首要问题是寿数短，充电的牢靠性依托患者自己。现在镍镉充电电池供电的植入式心脏起搏器已不再出售。
在20世纪60年代，锌汞电池广泛地运用于植入式心脏起搏器中。这种电池有很高的电荷体积密度和安稳的电压，3个至6个锌汞电池串联可供应4V‘SV电压。但这种电池不能做到彻底密封，易使液体渗人起搏器引起短路和毛病。别的，锌汞电池在电池耗尽过程中电压改变很小，因此也很难估量电池的运用状况。现在现已不再运用这种电池作为植入式心脏起搏器的电源。
放射性核素电池也从前用作植入式心脏起搏器的电源。放射性元素钋具有87 年的半衰期，用这种元素制成的核素电池在10年内输出电压下降只要1%。放射性核素电池具有适当长的运用寿数，但体积大、毒性、放射性等许多间题约束了它的运用。
1.2锂电池
20世纪70年代中期研制成功了锂电池，这种电池具有高能量密度，高牢靠性，自放电小以及运用固体电解质，可以全密封等特色，代替了锌汞电池，使植入式起搏器的寿数延长到(5~10)年。新式钛外壳用于封装电池及电路，内部则由环氧树脂及硅橡胶填充。新式钛外壳以及特别屏蔽物可以很好地保护内部物件，而且削减外部电磁搅扰。安装了这类新式起搏器的患者可以安全地运用微波炉及其它家用或作业室内的常用电器。
现在，锂碘电池广泛地成为植入式医疗电子设备的动力挑选。锂碘电池是一种固态离子电池，阳极即电池的负极是由锂做的，阴极即电池的正极由碘和聚合物如聚一2一乙烯基毗咤的复合物，在两级之间是固体电解质。碘化锂固态电解质的低导电性将电流约束在微安等级，但现已满足驱动心脏起搏器了。碘化锂隔阂可以主动愈合，这样使得锂碘电池十分安全、牢靠是植入式心脏起搏器供电动力的最佳挑选。电池和操控电路工程上的前进使得植入式电池只要从前的一半大小了。自从1972年以来，大约有50 万个锂碘电池成功地运用于植入式心脏起搏器中。
1.3 体内充电电池
广泛用于植入式医疗电子设备中的充电电池有镍镉电池、镍氢电池和锂离子充电电池(二次锂电池)。三种电池的部分功能指标参见表2。
锂离子充电电池以其高作业电压、高循环寿数和高能量密度等优异功能而备受世人喜爱，被认为是现在归纳功能最好的电池体系。
二次锂电池是一类以金属锂为负极(阳极)，以适合于锂离子搬迁的锂盐溶液为电解质，以具有通道结构，锂离子可以方便地嵌人、脱出，但嵌人、脱出过程中结构改变小的资料为正极(阴极)的新式电池体系。现在.用作锂二次电池的正极资料有锂钴氧化物，锂镍氧化物，锂钒氧化物，锂铁氧化物，锂锰氧化物等，不同的正级资料组成的二次锂电池的体积能量密度不同，参见表3所示。
锂钴氧化物是现阶段商品化锂离子电池中运用最成功的正极资料。现在，比较其他正极资料，LiCoO2在可逆性、放电容量、充电功率和电压安稳性等方面归纳功能最佳，但锂钴氧化物价格较贵，且对环境有污染。锂镍氧化物的功能较锂钴化合物相似，但因为其价格便宜，故有利于很多推行。锂锰氧化物价格便宜，无毒且污染小，对环境影响小。锂钒氧化物具有高容量，特别是近几年又开宣布V2O3凝胶，它的能量密度远远超越其它资料，在大幅的前进锂离子电池的运用时间的一起因为其本钱低，且对环境无污染，便于很多的推行。
总归，不同类型的植入式医疗电子设备对电池的要求不同较大，挑选植入式电池时要归纳考虑。如植入式除颤器，它可以供应幅值大于起搏器脉冲幅值6个数量级的电脉冲，但这种状况并不频频呈现。因为电池不或许忽然发生电脉冲，电能在向心脏开释之前，电池先向内部电容充电20秒，能量贮存在内部电容中。在充电阶段，需求1A~ZA电流。锂碘电池不能供应较大的电流，因此，植入式除颤器一般选用锂银钒氧化物电池。有些设备比方药物泵它运用电化学反应器在泵腔中发生高压，然后将药物从储室注入方针。泵入药物的动作是不接连的，可定时动作或由患者触发。
当泵翻开时需求几个毫安电流。这种状况，可以挑选具有低内阻的电池，如理氯化亚硫酰电池，锂氟化碳电池，锂银钒氧化物电池等。
2外部电源供电
某些植入式医疗电子设备也可以用便携的外部电源供电，既可以经过直接的电气衔接也可以经过无线射频衔接。文中首要介绍无线射频方法，无线射频供电示意图如图1所示。
这种供电方法是将一个由体外电池供电的射频振荡器的
输出经射频功率放大器后加至体外初级射频感应线圈，该线圈贴在皮肤外表，植入体系的小型次级感应线圈则平行置于体表线圈之下，并从中感应出射频电压。该射频电压经整流、滤波、稳压后发生安稳的直流电压，或对体内充电电池充电，或直接供应体内电子电路作业。
为确保植入式医疗电子设备的高牢靠性，选用外部电源供电方法时一般都有后备电池。外部设备的保护本钱相对添加，别的因为无线射频引起的搅扰和部分安排热效应也是不容忽视的问题。尽管如此，关于某些植入式医疗电子设备来说，选用外部电源供电方法仍是其最佳挑选。
某些植入设备体积十分小，无法包容电池。如人工耳蜗，它是需求手术植入代替内耳毛细胞发挥作用的一项电子设备。它的植入部分包含植入体和植入电极，体外部分包含麦克风、言语处理器、传输电缆、传感线圈，两部分合作运用。电源和数据都是经过发射射频范围内的电磁波进行传递。
别的一些植入设备如左心室辅佐设备LVAD)是一种运用于心脏外科的机械循环设备，它的首要作用是减轻左心室负荷，下降心肌耗氧量，前进舒张压改进冠状动脉灌注，以及前进心输出量。现在，LVAD在临床上首要用来协助心脏手术患者脱离体外循环和作为过渡性心脏移植的桥梁。LVAD由电源、操控体系和泵组成，操控体系和电源是外置的，而泵既可以内置，也可外置。左心室辅佐设备有电动的和气动的。一些电动式的LVAD装有植入式可充电电池，由外部电源为其充电。气动的LVAD一般体积很小，选用外部充电电池发生压缩空气。
选用外部电源供电方法能为植入式医疗电子设备接连供应高电能;运用无线射频衔接，不光可以完成能量的传递，一起也可以对植入式医疗电子设备进行操控和查询;别的，植入式医疗电子设备的运用寿数和贮存寿数也不再受电池的约束。
3 展望
关于植入式医疗电子设备能量供应的研讨不断有令人振奋的新打破和新进展。充电电池技术上的前进促进了由体内充电电池供电的各种植入式医疗电子设备的开展;高能量密度的锂聚合物电池和薄膜电池有或许成为未来植入式电池的首选;运用体内其他能量转化完成能量供应(如生物燃料电池、人体温差电池、运用生物体本身机械能以及直接从神经上提取电能等)方面的研讨也时有报导。总归，可以研讨一种更安全、能长时间供应动力、无需外界辐射强能量(电磁波或近红外线)的供能方法，
将是植入式医疗电子设备供电电源的开展方向。
