植入式医疗电子设备供电电源原理与设计

　　二次锂电池是一类以金属锂为负极(阳极)，以适合于锂离子迁移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、脱出过程中结构变化小的材料为正极(阴极)的新型电池体系。目前.用作锂二次电池的正极材料有锂钴氧化物，锂镍氧化物，锂钒氧化物，锂铁氧化物，锂锰氧化物等，不同的正级材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应用最成功的正极材料。目前，相比其他正极材料，LiCoO2在可逆性、放电容量、充电效率和电压稳定性等方面综合性能最佳，但锂钴氧化物价格较贵，且对环境有污染。锂镍氧化物的性能较锂钴化合物类似，但由于其价格便宜，故有利于大量推广。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，特别是近几年又开发出V2O3凝胶，它的能量密度远远超过其它材料，在大幅的提高锂离子电池的使用时间的同时由于其成本低，且对环境无污染，便于大量的推广。

　　总之，不同类型的植入式医疗电子设备对电池的要求差别较大，选择植入式电池时要综合考虑。如植入式除颤器，它能够提供幅值大于起搏器脉冲幅值6个数量级的电脉冲，但这种情况并不频繁出现。因为电池不可能突然产生电脉冲，电能在向心脏释放之前，电池先向内部电容充电20秒，能量储存在内部电容中。在充电阶段，需要1A~ZA电流。锂碘电池不能提供较大的电流，因而，植入式除颤器一般采用锂银钒氧化物电池。有些装置比如药物泵它利用电化学反应器在泵腔中产生高压，从而将药物从储室注入目标。泵入药物的动作是不连续的，可定期动作或由患者触发。

　　当泵打开时需要几个毫安电流。这种情况，可以选择具有低内阻的电池，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，既可以通过直接的电气连接也可以通过无线射频连接。文中主要介绍无线射频方式，无线射频供电示意图如图1所示。

　　这种供电方式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，该线圈贴在皮肤表面，植入系统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、稳压后产生稳定的直流电压，或对体内充电电池充电，或直接供给体内电子电路工作。

　　为保证植入式医疗电子设备的高可靠性，采用外部电源供电方式时一般都有后备电池。外部装置的维护成本相对增加，另外由于无线射频引起的干扰和局部组织热效应也是不容忽视的问题。尽管如此，对于某些植入式医疗电子设备来说，采用外部电源供电方式仍是其最佳选择。

　　某些植入装置体积非常小，无法容纳电池。如人工耳蜗，它是需要手术植入替代内耳毛细胞发挥作用的一项电子装置。它的植入部分包括植入体和植入电极，体外部分包括麦克风、语言处理器、传输电缆、传感线圈，两部分配合使用。电源和数据都是通过发射射频范围内的电磁波进行传递。

　　另外一些植入装置如左心室辅助装置LVAD)是一种应用于心脏外科的机械循环装置，它的主要作用是减轻左心室负荷，降低心肌耗氧量，提高舒张压改善冠状动脉灌注，以及提高心输出量。目前，LVAD在临床上主要用来帮助心脏手术病人脱离体外循环和作为过渡性心脏移植的桥梁。LVAD由电源、控制系统和泵组成，控制系统和电源是外置的，而泵既可以内置，也可外置。左心室辅助装置有电动的和气动的。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通常体积很小，采用外部充电电池产生压缩空气。

　　采用外部电源供电方式能为植入式医疗电子设备连续提供高电能;利用无线射频连接，不但可以实现能量的传递，同时也可以对植入式医疗电子设备进行控制和查询;另外，植入式医疗电子设备的使用寿命和储存寿命也不再受电池的限制。

　　3 展望

　　关于植入式医疗电子设备能量供给的研究不断有令人振奋的新突破和新进展。充电电池技术上的进步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发展;高能量密度的锂聚合物电池和薄膜电池有可能成为未来植入式电池的首选;利用体内其他能量转换实现能量供给(如生物燃料电池、人体温差电池、利用生物体自身机械能以及直接从神经上提取电能等)方面的研究也时有报道。总之，能够研究一种更安全、能长期提供能源、无需外界辐射强能量(电磁波或近红外线)的供能方式，将是植入式医疗电子设备供电电源的发展方向。