植入式醫療器件供電方式研究現狀及展望*

何鐘杰陳露漆雙艷周建倪華強時梅林

植入式醫療器件供電方式研究現狀及展望*

何鐘杰①陳露①漆雙艷①周建①倪華強①時梅林①

本文介紹了植入式醫療器件的分類及基本供電方式，分析了各種供電方式的優缺點，重點討論了各種供電方式的工作原理和適用范圍，總結了植入式醫療器件的電池容量、供能方式、能量轉換效率以及充電的能量來源等現狀，并對這些供電方式的發展方向做了展望。

電池； 供電； 轉換效率； 植入式醫療器件

First-author's address：Medical Imaging Academy of Xuzhou Medical University，Xuzhou 221004，China

植入式醫療器件是一種植入后能夠實時測量人體的各種參數變化或是對某種器官起到輔助作用的儀器。隨著電子技術的發展，植入式醫療器件開始廣泛的被人們接受而在臨床醫學中得到廣泛運用［1］。然而，所有的儀器都離不開能量，而在它的發展進程中，最主要的制約因素也必然是能量的供給。植入式醫療器件的供電方式成為研究的關鍵和難點。

1　植入式醫療器件簡介

1.1植入式醫療器件分類 在各類醫療電子產品中，有的直接在生物體外進行使用，有的則需要通過手術植入到生物體內才能工作，稱為植入式醫療器件（Implanted Medical Devices，IMDs）［2］。植入式醫療器件的種類繁多，包括了對人體整個身體部件的各種輔助和救助設備，常見的植入式醫療器件主要用于代替某些功能喪失的器官工作，測量生命體的生理生化參數，或者治療某些疾病［3］。

植入式醫療器件可分為被動式和主動式兩種，大多數被動式的植入式醫療器件是非電子產品，如心臟支架、人造關節、人造瓣膜等組織結構裝置。主動式的植入式醫療器件包括調整心律的心臟起搏器，消除心室纖維顫動、心動過速的心臟除顫器，輔助聽力的電子耳蝸，神經刺激器、治療弱視或者視盲的植入式視網膜等各種激勵系統，需要能量供給才能代替或提高某個器官的功能，或者治療某種疾病［4］。目前，植入式心臟起搏器和除顫器維持著上百萬心臟病患者的生命，神經刺激器用于治療如癲痛癥、帕金森綜合癥等疾病，其他激勵系統可以治療如小便失禁以及慢性疼痛之類的疾病［5］。

1.2植入式醫療器件基本組成 植入式醫療器件通常由兩大部分組成，即體內植入部分和體外測控部分。體外部分的任務是人體信息的測量與控制，從而完成疾病的診斷和治療。整個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學儀器相同， 系統的關鍵點主要集中在植入部分以及體內外的信息和能量的交換。

2　植入式醫療器件的基本供電方式

2.1鋰電池技術 鋰電池技術是目前醫療行業最常見的用于植入式醫療器件供電的一種電源，該技術已成熟，并且有單體輸出電壓高、體積小、安全性高等諸多優點［6］，但由于人體的植入空間有限，植入電池的體積有著非常嚴格的控制，這意味著植入電池的容量不會很大。當電池能量耗盡時，植入式醫療器件也就停止工作，必須進行手術更換電池。對于心臟起搏器，鋰離子電池的理論設計壽命是6～10年，當電池消耗了約85%時（一般約為5～7年），就不能保證它在人體內的運轉，對于患者來說十分危險，必須及時更換，重新植入新的起搏器［7］。另一方面，植入電池雖然小，但其占總體積的比例仍然超過50%，是妨礙植入器件微型化的關鍵因素。

2.2磁感應技術 除了鋰電池已被應用于臨床外，另一種被應用的供能技術是電磁感應技術。該技術是利用植入人體內的線圈和體外線圈電磁耦合來對電能進行傳輸［8］，對體內的電池進行無線充電，如圖1所示。磁感應技術能夠進行電能的無線傳輸，將體外豐富的能量輸入體內對器件供電，極大的延伸了植入式醫療器件使用壽命，解決了當鋰電池用完后必須進行手術更換的弊端，大大減輕了患者的痛苦。但是，磁感應技術的能量傳遞效率較低，一般來說，距離越近，傳輸效率越高，當距離大于4 cm時，基本實現不了充電［9］。并且該技術需要專門的充電設備，充電效率不理想。提高該技術的充電效率是必須進一步研究的關鍵。

圖1　磁感應技術體外供電原理

3　植入式醫療器件供電方式的新進展

3.1植入式無線供電系統 植入式無線供電系統結合了無線傳輸和均衡電路特點，設計了一種滿足超級電容充電要求的閉環無線充電方案［10-12］，設計原理見圖2。其充電方式還是主要利用電磁感應原理，外部電源經初級線圈與人體內的次級線圈進行能量傳遞，通過均衡電路后存儲在超級電容。并且通過對電容參數的檢測，用天線傳輸回體外單片機，來調節充電過程中的電壓與電流等參數。

對于植入式醫療器件的供能方式，需要長壽命、安全、穩定、無需維護。超級電容（SC）是一種新型的電能存儲元件， 能夠滿足上述所有要求。它有著超長的使用壽命，在需要長壽命、免維護的設備中，如地球衛星、IMED等，具有很大的發展潛力［13］。

圖2　植入式無線供電系統設計原理

3.2體導能量傳遞模型 植入式醫療器件的體導電能量傳遞是一種新興的無線充電方式。它利用人體內游離的離子在外加電場的作用下會發生定向移動的原理，產生電流［14］。植入式醫療器件的體導電能量傳遞原理如圖3所示。該模型的外部電源把電壓施加在兩片電極上，通過人體內游離離子把能量傳遞到植入人體內的電極上，電極再把電能儲存在植入式醫療器件的電池內［15］。在充電過程中，把體導電能的工作頻率控制在kHz級，從而減少生物背景信號干擾，提高了充電的效率［16］。

圖3　植入式醫療器件的體導電能量傳遞原理

3.3基于人體動能驅動的電磁感應供電模型 基于人體動能驅動的電磁感應供電模型是通過采集人體即時產生的機械能進而轉化為電能的一種方式［17］。該供電方式最重要的優點在于以人體下肢作為能量提供場所，用腳的運動提供機械能，進而轉化為電能予以收集、利用，相對于普通的電池供電而言，避免了當電池電量耗盡時，再通過手術跟換電池時對患者造成的痛苦和經濟負擔。圖4所示的是人體典型動能驅動模型。該供能模型選擇以下肢為供能載體，是因為人體的生命活動離不開腳的運動，如散步、慢跑等，因此可以直接從這些日常人體活動中獲得能量來帶動一種裝置，從而產生電能并對電能進行儲存、利用［18］。但是該模型的產電能力較弱，且在運動過程中如何存儲電能，如何將所存儲電能調整到植入式醫療器件工作電路所需的電路參數仍然有待于進一步研究。

圖4　人體動能驅動模型

3.4生物燃料電池技術 生物燃料電池是一類特殊的燃料電池，是利用酶或者微生物組織作為催化劑，將化學能轉變為電能，具有原料豐富、工作條件相對寬裕、生物相容性好、無毒性等諸多普通燃料電池不具備的優點［19］。正是利用這些特性，生物燃料電池才被研究用于為植入式醫療器件的供電。

生物燃料電池能夠利用體內的葡萄糖、氧等有機物或無機物作為燃料源源不斷的產生電能，工作于常溫、常壓，并且酸堿度適中的環境中，這使得它維護成本低廉并且安全度很高，對人體無毒無害［20］。目前該技術最需要解決的是電能轉換效率的問題，一旦解決，生物燃料電池將有望大規模應用于植入式醫療器件。

3.5光電供電技術 功能性光電材料近年來發展迅速，即利用光電效應將光輻射的能量轉化為電能。如經皮直接照射近紅外光，通過光電池產生電能，該方法還可以結合可充電電池用，從而無需一直實施紅外照射［21］。另有研究是利用光纖從腹部植入皮下，通過光纖傳輸光能至光電池并轉化為電能，使用850 nm激光源照射，光電轉換效率達40%，可產生3 V的電壓，功率達到10 mW［22］。隨著新技術的發展，太陽能電池在植入式醫療器件供電領域也有研究報道，有研究通過太陽能薄膜電池為植入式醫療器件，該薄膜電池的厚度大約為2～3 μm，可以方便植入到體內，其轉化效率也在進一步的研究中［23］。

3.6核能技術 核電池是一種將核能轉化為電能，并且能夠為植入式醫療器件長期提供很高能量的裝置。該技術具有體積小，重量輕，壽命長，不受外界影響等優點。核電池在醫療領域中最重要的應用就是心臟起搏器的供能裝置。如用半衰期為87年的放射源钚（238 Pu），以其裂變產生的能量再通過熱耦合技術轉化為電流，150 mg即能夠為心臟起搏器提供10年以上的能量［24-26］。

核電池壽命長的優點使患者減少了更換電池而反復進行開胸手術的巨大痛苦。但核電池有放射性，必須把它儲存在精密的封閉單元中，所以體積較大且重。而且不論使用與否，隨著放射源的衰變，其供電性能也會隨著時間逐漸衰減。該技術可適用的范圍受到核燃料特殊性的局限。

4　總結與展望

醫療植入式電子器件不同于體外應用的醫學儀器，植入人體后，它能直接接觸人體器官和組織，人體能夠活動自如，能夠在自然狀態下高精度測定人體的生理、生化參數，研究生物體的生理、心理狀態。植入式醫療器械的研制和發展很大程度取決于支持它們在體內連續工作的電能供給方法。由于植入式裝置功能、尺寸等有所不同，必然造成供電方式的差異。

目前以下兩種方法被認為是可行的，一種是通過電池供能，另外一種方法是通過體外電源無線傳輸能量對植入器械進行能量的補充，但其效果并不確定。低功耗或是極少出現高功耗使用情況的植入式醫療電子器件通常可以利用內部電池供電，例如植入式心臟起搏器的電池的一半功率用于心臟刺激， 而另一半功率用來完成監測、數據記錄等工作。某些植入式醫療電子設備也可以用便攜的外部電源供電，通過射頻電磁感應進行能量傳輸被認為是能使人工心臟持續工作的一種有前景的供能方法［27-29］。

從儲能元件上來說，目前最廣泛使用的還是鋰電池儲能，鋰電池安全，技術成熟并且制造成本低。現在臨床應用的心臟起搏器就是通過鋰電池組提供能量，電池壽命約5～7年，以患者平均佩戴20年來算，至少需要更換三次電池或者進行三次充電，這必定增加患者的經濟負擔，但最主要的還是增加了患者手術的痛苦。為了解決這一問題，大容量儲能元件應運而生，核電池的出現即為植入式醫療器件解決了能源問題。以核能供能的植入式醫療器件，完全解決了電池的壽命問題，但因其核燃料的放射性使得適用性受到局限。近幾年，又出現了一種超級電容的新型儲能元件，解決了電池的壽命問題，并且無需維護，安全穩定，但它的成本相對較高，而且技術尚未成熟，尚不能應用于臨床。

隨著植入式醫療器件的復雜化，系統的功耗越來越大，對于短期植入式醫療器件，電池完全可以勝任，但對于長期植入式醫療器件往往不能滿足要求，體外無線供電方式解決了以上問題。基于E類放大器的電磁感應供電效率可達70%左右，還可以同時傳輸數據，但電磁耦合方式會與其他電子器件發生干擾；光電供電同樣可實現長期供電，但轉換效率不高。此外，以上供電方式也可結合使用，如將經皮能量傳輸與可充電電池結合起來，為人工心臟提供能量，這就為功耗較高、長期植入的醫療器件提供了一種解決方法［30-31］。

植入式醫療器件目前主要還是依靠特定的設備來提供電能，但最理想的還是能夠利用人體自身或者人周邊的環境來進行供能，如機械能（身體運動、肌肉拉伸、血管收縮）、振動能（聲波）、化學能（葡萄糖）、液壓能（體液流動及血液流動）等。光電池、生物燃料電池以及人體動能驅動的電磁感應供電模型等方式就應運而生了，但是同樣面臨能量轉換效率的問題仍需進一步研究。

隨著植入式醫療裝置的廣泛使用，推動了植入式醫療器件供電方式的進一步發展，植入式醫療器件發展迅速，微型化、納米化正成為一種趨勢。由于植入式裝置的功能、尺寸等各有不同，植入式醫療器件供電裝置的電池容量、無線充電效率以及能量來源將是研究的關鍵和難點。

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The Current Situation and Prospects of Implantable Medical Device Power Supply

HE Zhong-jie，CHEN Lu，QI Shuang-yan，et al.//Medical Innovation of China，2016，13（14）：144-148

Based on the introduction about the power supply and the classification of implantable medical devices，the advantages and disadvantages of each power supply mode was analyzed and the work principle and the application scope of each mode was also discussed.Then the battery capacity，the power supply mode，the energy conversion efficiency and the energy source of implantable medical devices was summarized.Finally，the developing trend of these power supply modes of implantable medical devices is presented.

Capacitance； Power supply； Energy conversion efficiency； Implantable medical devices

國家級大學生實踐創新訓練項目（201310313010）；江蘇省大學生實踐創新訓練重點項目（201310313010Z）

①徐州醫科大學醫學影像學院 江蘇 徐州 221004

時梅林

10.3969/j.issn.1674-4985.2016.14.038

2016-01-15） （本文編輯：蔡元元）