何鐘杰陳露漆雙艷周建倪華強時梅林

植入式醫(yī)療器件供電方式研究現(xiàn)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(yī)療器件的分類及基本供電方式，分析了各種供電方式的優(yōu)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(jié)了植入式醫(yī)療器件的電池容量、供能方式、能量轉(zhuǎn)換效率以及充電的能量來源等現(xiàn)狀，并對這些供電方式的發(fā)展方向做了展望。

電池； 供電； 轉(zhuǎn)換效率； 植入式醫(yī)療器件

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

植入式醫(yī)療器件是一種植入后能夠?qū)崟r測量人體的各種參數(shù)變化或是對某種器官起到輔助作用的儀器。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，植入式醫(yī)療器件開始廣泛的被人們接受而在臨床醫(yī)學(xué)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(fā)展進(jìn)程中，最主要的制約因素也必然是能量的供給。植入式醫(yī)療器件的供電方式成為研究的關(guān)鍵和難點。

1　植入式醫(yī)療器件簡介

1.1植入式醫(yī)療器件分類 在各類醫(yī)療電子產(chǎn)品中，有的直接在生物體外進(jìn)行使用，有的則需要通過手術(shù)植入到生物體內(nèi)才能工作，稱為植入式醫(yī)療器件（Implanted Medical Devices，IMDs）［2］。植入式醫(yī)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(shè)備，常見的植入式醫(yī)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(shù)，或者治療某些疾?。?］。

植入式醫(yī)療器件可分為被動式和主動式兩種，大多數(shù)被動式的植入式醫(yī)療器件是非電子產(chǎn)品，如心臟支架、人造關(guān)節(jié)、人造瓣膜等組織結(jié)構(gòu)裝置。主動式的植入式醫(yī)療器件包括調(diào)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(jīng)刺激器、治療弱視或者視盲的植入式視網(wǎng)膜等各種激勵系統(tǒng)，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?。?］。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(jīng)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(tǒng)可以治療如小便失禁以及慢性疼痛之類的疾?。?］。

1.2植入式醫(yī)療器件基本組成 植入式醫(yī)療器件通常由兩大部分組成，即體內(nèi)植入部分和體外測控部分。體外部分的任務(wù)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(yī)學(xué)儀器相同， 系統(tǒng)的關(guān)鍵點主要集中在植入部分以及體內(nèi)外的信息和能量的交換。

2　植入式醫(yī)療器件的基本供電方式

2.1鋰電池技術(shù) 鋰電池技術(shù)是目前醫(yī)療行業(yè)最常見的用于植入式醫(yī)療器件供電的一種電源，該技術(shù)已成熟，并且有單體輸出電壓高、體積小、安全性高等諸多優(yōu)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(yán)格的控制，這意味著植入電池的容量不會很大。當(dāng)電池能量耗盡時，植入式醫(yī)療器件也就停止工作，必須進(jìn)行手術(shù)更換電池。對于心臟起搏器，鋰離子電池的理論設(shè)計壽命是6～10年，當(dāng)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(nèi)的運轉(zhuǎn)，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(guān)鍵因素。

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

圖1　磁感應(yīng)技術(shù)體外供電原理

3　植入式醫(yī)療器件供電方式的新進(jìn)展

3.1植入式無線供電系統(tǒng) 植入式無線供電系統(tǒng)結(jié)合了無線傳輸和均衡電路特點，設(shè)計了一種滿足超級電容充電要求的閉環(huán)無線充電方案［10-12］，設(shè)計原理見圖2。其充電方式還是主要利用電磁感應(yīng)原理，外部電源經(jīng)初級線圈與人體內(nèi)的次級線圈進(jìn)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(shù)的檢測，用天線傳輸回體外單片機，來調(diào)節(jié)充電過程中的電壓與電流等參數(shù)。

對于植入式醫(yī)療器件的供能方式，需要長壽命、安全、穩(wěn)定、無需維護(hù)。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(hù)的設(shè)備中，如地球衛(wèi)星、IMED等，具有很大的發(fā)展?jié)摿Γ?3］。

圖2　植入式無線供電系統(tǒng)設(shè)計原理

3.2體導(dǎo)能量傳遞模型 植入式醫(yī)療器件的體導(dǎo)電能量傳遞是一種新興的無線充電方式。它利用人體內(nèi)游離的離子在外加電場的作用下會發(fā)生定向移動的原理，產(chǎn)生電流［14］。植入式醫(yī)療器件的體導(dǎo)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(nèi)游離離子把能量傳遞到植入人體內(nèi)的電極上，電極再把電能儲存在植入式醫(yī)療器件的電池內(nèi)［15］。在充電過程中，把體導(dǎo)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(yī)療器件的體導(dǎo)電能量傳遞原理

3.3基于人體動能驅(qū)動的電磁感應(yīng)供電模型 基于人體動能驅(qū)動的電磁感應(yīng)供電模型是通過采集人體即時產(chǎn)生的機械能進(jìn)而轉(zhuǎn)化為電能的一種方式［17］。該供電方式最重要的優(yōu)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(jìn)而轉(zhuǎn)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(dāng)電池電量耗盡時，再通過手術(shù)跟換電池時對患者造成的痛苦和經(jīng)濟負(fù)擔(dān)。圖4所示的是人體典型動能驅(qū)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(chǎn)生電能并對電能進(jìn)行儲存、利用［18］。但是該模型的產(chǎn)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(diào)整到植入式醫(yī)療器件工作電路所需的電路參數(shù)仍然有待于進(jìn)一步研究。

圖4　人體動能驅(qū)動模型

3.4生物燃料電池技術(shù) 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(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，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(yōu)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(yī)療器件的供電。

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

3.5光電供電技術(shù) 功能性光電材料近年來發(fā)展迅速，即利用光電效應(yīng)將光輻射的能量轉(zhuǎn)化為電能。如經(jīng)皮直接照射近紅外光，通過光電池產(chǎn)生電能，該方法還可以結(jié)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(zhuǎn)化為電能，使用850 nm激光源照射，光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)40%，可產(chǎn)生3 V的電壓，功率達(dá)到10 mW［22］。隨著新技術(shù)的發(fā)展，太陽能電池在植入式醫(yī)療器件供電領(lǐng)域也有研究報道，有研究通過太陽能薄膜電池為植入式醫(yī)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(nèi)，其轉(zhuǎn)化效率也在進(jìn)一步的研究中［23］。

3.6核能技術(shù) 核電池是一種將核能轉(zhuǎn)化為電能，并且能夠為植入式醫(yī)療器件長期提供很高能量的裝置。該技術(shù)具有體積小，重量輕，壽命長，不受外界影響等優(yōu)點。核電池在醫(yī)療領(lǐng)域中最重要的應(yīng)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(chǎn)生的能量再通過熱耦合技術(shù)轉(zhuǎn)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(yōu)點使患者減少了更換電池而反復(fù)進(jìn)行開胸手術(shù)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(shù)可適用的范圍受到核燃料特殊性的局限。

4　總結(jié)與展望

醫(yī)療植入式電子器件不同于體外應(yīng)用的醫(yī)學(xué)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(tài)下高精度測定人體的生理、生化參數(shù)，研究生物體的生理、心理狀態(tài)。植入式醫(yī)療器械的研制和發(fā)展很大程度取決于支持它們在體內(nèi)連續(xù)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(rèn)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(jìn)行能量的補充，但其效果并不確定。低功耗或是極少出現(xiàn)高功耗使用情況的植入式醫(yī)療電子器件通?？梢岳脙?nèi)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(jiān)測、數(shù)據(jù)記錄等工作。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，通過射頻電磁感應(yīng)進(jìn)行能量傳輸被認(rèn)為是能使人工心臟持續(xù)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(shù)成熟并且制造成本低。現(xiàn)在臨床應(yīng)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(jìn)行三次充電，這必定增加患者的經(jīng)濟負(fù)擔(dān)，但最主要的還是增加了患者手術(shù)的痛苦。為了解決這一問題，大容量儲能元件應(yīng)運而生，核電池的出現(xiàn)即為植入式醫(yī)療器件解決了能源問題。以核能供能的植入式醫(yī)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(xiàn)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(hù)，安全穩(wěn)定，但它的成本相對較高，而且技術(shù)尚未成熟，尚不能應(yīng)用于臨床。

隨著植入式醫(yī)療器件的復(fù)雜化，系統(tǒng)的功耗越來越大，對于短期植入式醫(yī)療器件，電池完全可以勝任，但對于長期植入式醫(yī)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?；贓類放大器的電磁感應(yīng)供電效率可達(dá)70%左右，還可以同時傳輸數(shù)據(jù)，但電磁耦合方式會與其他電子器件發(fā)生干擾；光電供電同樣可實現(xiàn)長期供電，但轉(zhuǎn)換效率不高。此外，以上供電方式也可結(jié)合使用，如將經(jīng)皮能量傳輸與可充電電池結(jié)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(yī)療器件提供了一種解決方法［30-31］。

植入式醫(yī)療器件目前主要還是依靠特定的設(shè)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(huán)境來進(jìn)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(xué)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(qū)動的電磁感應(yīng)供電模型等方式就應(yīng)運而生了，但是同樣面臨能量轉(zhuǎn)換效率的問題仍需進(jìn)一步研究。

隨著植入式醫(yī)療裝置的廣泛使用，推動了植入式醫(yī)療器件供電方式的進(jìn)一步發(fā)展，植入式醫(yī)療器件發(fā)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(yī)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(guān)鍵和難點。

［1］ Takeuchi K J，Leising R A，Palazzo M J，et al.Advanced lithium batteries for implantable medical devices：mechanistic study of SVO cathode synthesis［J］.Journal of Power Sources，2003，119 （121）：973-978.

［2］ Suzuki S N，Katane T，Saotome H.Electric power generating system using magnetic coupling for deeply implanted medical electronic devices［A］.IEEE Transaction on Magnetics，2002，38 （5）：3006-3008.

［3］ Szczesny S，Jetzki S，Leonhardt S.Review of current actuator suitability for use in medical implants［A］.28th Annual International Conference of the IEEE Digital Object Identifier，2006：5956-5959.

［4］ Guha A，Maddox W R，Colombo R，et al.Cardiac implantable electronic device infection in patients with end stage renal disease［J］.Heart Rhythm，2015，12（12）：2395-2401.

［5］ Klersy C，Boriani G，De Silvestri A，et al.Effect of telemonitoring of cardiac implantable electronic devices on healthcare utilization： a meta-analysis of randomized controlled trials in patients with heart failure［J］.Eur J Heart Fail，2016，18 （2）：195-204.

［6］ Liang C C，Holmes C F.Lithium pacemaker batteries-an overview［A］.The Electrochemical Society，1980，80（4）：27-33.

［7］ Shiba K，Koshiji K.Electromagnetic compatibility of transcutaneous energy transmission system for totally implantable artificial heart［J］.Transactions of the Institute of Electrical Engineers of Japan，2003，123（35）：1219-1227.

［8］ Suzuki S，Katane T，Saotome H，et al.Electric power generating system using magnetic coupling，for medical electronic devices implanted deeply［A］.2002 IEEE International Magnetics Conference，2002：13.

［9］ Suzuki S N，Katane T，Saotome H，et al.A proposal of electric power generating system for implanted medical devices［J］.IEEE Transactions on Magnetics，1999，35（5）： 3586-3588.

［10］ Pengfei L，Bashindlah R，Principe J C.A low power battery management system for rechargeable wireless implantable electronics［A］.IEEE Proceeding of Circuits and Systems，2006：4.

［11］ Omeni O，Toumazou C.A cmosm icro-power wideband data/ power transfer system for biomedical implants［A］.Proceedings of the 2003 IEEE International Symposium on Circuits and Systems，2003：61-64.

［12］ Suzuki S，Katane T，Saotome H，et al.Electric power generating system using magnetic coupling，for medical electronic devices implanted deeply［A］.2002 IEEE International Magnetics Conference，2002：13.

［13］ Uno M，Tanaka K. Accelerated ageing testing and cycle life prediction of supereapacitors for alternative batteryapplications［A］.Telecommunications Energy Conference，2011，2011：1-16.

［14］ Tang Z D，Sun C X，Sclabassi R，et al.Transcutaneous battery recharging by volume conduction and its circuit modeling［C］.28th Annual International Conference of IEEE Engineering in Medicine and Biology Society，2006：644-647.

［15］ Fernandez C，Garcia O，Cobos J A，et al.A simple dc-dc convener for the power supply of a cochlear implant［A］.34th Annual Power Electronics Specialists Conference，2003，4：1965-1970.

［16］ Wang G X，Liu W，Bashirullah R，et al.A closed loop transcutaneous power transfer system for implantable devices with enhanced stability［A］.2004 IEEE International Symposium on Circuits and Systems，2004，4：17-20.

［17］ Stephen R，Shane F，Hani H.On Low-frequency electric power generation with PZT ceramics［J］.IEEE/ASME Transactions on Mechatronics，2005，10（2）：240-252.

［18］楊陽，孫斌.基于人體動能驅(qū)動的電磁感應(yīng)供電模塊的實體模型制作與實驗［J］.科技視界，2013，12（13）：63-64.

［19］ Stetten F V，Kerzenmacher S，Lorenz A，et al.One compartment，direct glucose fuel cell for powering long term medical implants fAl［A］.Micro Electro Mechanical Systems-1 9th IEEE International Conference，2006：934-937.

［20］ Marcela A，Gerardo G，Teresita Kessler. Synthesis and characterization of polyaniline and polyaniline-Carbon nanotubes nanostructures for electrochemical supercapacitors［J］.Journal of Power Sources，2014，56（245）：475-481.

［21］ Goto K，Nakagawa T，Nakamura O，et al.An implantable power supply with an optically rechargeable lithium battery［A］. IEEE Transactions on Biomedical Engineering，2001，48：830-833.

［22］ Hwang N J，Patterson W R，Song Y K，et al.Photovoltaic energy converter as a chipscale high efficiency power source for implanted active microelectronic devices［A］.Conference Proceedings-26th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society，2004：4091-4092.

［23］ Karpowicz J， Gryz K.An assessment of hazards caused by electromagnetic interaction on humans present near short-wave physiotherapeutic devices of various types including hazards for users of electronic active implantable medical devices （AIMD）［J］.Biomed Res Int，2013，2013（11）：150 143.

［24］ Greenborg J，Smith T H，Matheson W E.Risk/benefit analysis of the Betacel nuclear-powered pacemaker［J］.Transactions of the American Nuclear Society，1973，17（6）：100-101.

［25］Parsonnet V，Driller J，Cook D，et al. Thirty-one years of clinical experience with “nuclear-powered” pacemakers［J］. Pacing Clin Electrophysiol，2006，29（2）：195-200.

［26］ Aludaat C，Gay A，Guetlin A，et al. Favorable evolution of a 43-year-old starr-edwards valve in the tricuspid position［J］. J Heart Valve Dis，2012， 21（5）：679-681.

［27］ Royle T J，Davies R E，Gannon M X.Totally implantable venous access devices-20 years' experience of implantation in cystic fibrosis patients［J］.Ann R Coll Surg Engl，2008，90（8）：679-684.

［28］ Dubner S，Auricchio A，Steinberg J S，et a1.Ishne/ehra expert consensus on remote monitoring of cardiovascular implantable electronic devices （cieds）［J］.Europace，2012，14（2）：278-93.

［29］ Pantchenko O S，Seidman S J，Guag J W，et al.Electromagnetic compatibility of implantable neurostimulators to rfid emitters［J］. Biomed Eng Online，2011，10（1）：50.

［30］ Ivorra A.Remote electrical stimulation by means of implanted rectifiers［J］.PLoS One，2011，6（8）：e23 456.

［31］ Said S，Cooper C J，Alkhateeb H，et al.Incidence of new onset atrial fibrillation in patients with permanent pacemakers and the relation to the pacing mode［J］.Med Sci Monit，2014，20（9）：268-273.

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(xué)生實踐創(chuàng)新訓(xùn)練項目（201310313010）；江蘇省大學(xué)生實踐創(chuàng)新訓(xùn)練重點項目（201310313010Z）

①徐州醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)影像學(xué)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）