论文部分内容阅读
【摘要】 本文介绍了植入式医疗器件的分类及基本供电方式，分析了各种供电方式的优缺点，重点讨论了各种供电方式的工作原理和适用范围，总结了植入式医疗器件的电池容量、供能方式、能量转换效率以及充电的能量来源等现状，并对这些供电方式的发展方向做了展望。
【关键词】 电池； 供电； 转换效率； 植入式医疗器件
【Abstract】 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.
【Key words】 Capacitance； Power supply； Energy conversion efficiency； Implantable medical devices
First-author’s address：Medical Imaging Academy of Xuzhou Medical University，Xuzhou 221004，China
doi：10.3969/j.issn.1674-4985.2016.14.038
植入式医疗器件是一种植入后能够实时测量人体的各种参数变化或是对某种器官起到辅助作用的仪器。随着电子技术的发展，植入式医疗器件开始广泛的被人们接受而在临床医学中得到广泛运用[1]。然而，所有的仪器都离不开能量，而在它的发展进程中，最主要的制约因素也必然是能量的供给。植入式医疗器件的供电方式成为研究的关键和难点。
1 植入式医疗器件简介
1.1 植入式医疗器件分类 在各类医疗电子产品中，有的直接在生物体外进行使用，有的则需要通过手术植入到生物体内才能工作，称为植入式医疗器件（Implanted Medical Devices，IMDs）[2]。植入式医疗器件的种类繁多，包括了对人体整个身体部件的各种辅助和救助设备，常见的植入式医疗器件主要用于代替某些功能丧失的器官工作，测量生命体的生理生化参数，或者治疗某些疾病[3]。
植入式医疗器件可分为被动式和主动式两种，大多数被动式的植入式医疗器件是非电子产品，如心脏支架、人造关节、人造瓣膜等组织结构装置。主动式的植入式医疗器件包括调整心律的心脏起搏器，消除心室纤维颤动、心动过速的心脏除颤器，辅助听力的电子耳蜗，神经刺激器、治疗弱视或者视盲的植入式视网膜等各种激励系统，需要能量供给才能代替或提高某个器官的功能，或者治疗某种疾病[4]。目前，植入式心脏起搏器和除颤器维持着上百万心脏病患者的生命，神经刺激器用于治疗如癫痛症、帕金森综合症等疾病，其他激励系统可以治疗如小便失禁以及慢性疼痛之类的疾病[5]。
1.2 植入式医疗器件基本组成 植入式医疗器件通常由两大部分组成，即体内植入部分和体外测控部分。体外部分的任务是人体信息的测量与控制，从而完成疾病的诊断和治疗。整个装置包括信息的获取、处理、存档、控制、指令、显示与记录功能。体外部分与一般的医学仪器相同， 系统的关键点主要集中在植入部分以及体内外的信息和能量的交换。
2 植入式医疗器件的基本供电方式
2.1 锂电池技术 锂电池技术是目前医疗行业最常见的用于植入式医疗器件供电的一种电源，该技术已成熟，并且有单体输出电压高、体积小、安全性高等诸多优点[6]，但由于人体的植入空间有限，植入电池的体积有着非常严格的控制，这意味着植入电池的容量不会很大。当电池能量耗尽时，植入式医疗器件也就停止工作，必须进行手术更换电池。对于心脏起搏器，锂离子电池的理论设计寿命是6～10年，当电池消耗了约85%时（一般约为5～7年），就不能保证它在人体内的运转，对于患者来说十分危险，必须及时更换，重新植入新的起搏器[7]。另一方面，植入电池虽然小，但其占总体积的比例仍然超过50%，是妨碍植入器件微型化的关键因素。
2.2 磁感应技术 除了锂电池已被应用于临床外，另一种被应用的供能技术是电磁感应技术。该技术是利用植入人体内的线圈和体外线圈电磁耦合来对电能进行传输[8]，对体内的电池进行无线充电，如图1所示。磁感应技术能够进行电能的无线传输，将体外丰富的能量输入体内对器件供电，极大的延伸了植入式医疗器件使用寿命，解决了当锂电池用完后必须进行手术更换的弊端，大大减轻了患者的痛苦。但是，磁感应技术的能量传递效率较低，一般来说，距离越近，传输效率越高，当距离大于4 cm时，基本实现不了充电[9]。并且该技术需要专门的充电设备，充电效率不理想。提高该技术的充电效率是必须进一步研究的关键。
3 植入式医疗器件供电方式的新进展
3.1 植入式无线供电系统 植入式无线供电系统结合了无线传输和均衡电路特点，设计了一种满足超级电容充电要求的闭环无线充电方案[10-12]，设计原理见图2。其充电方式还是主要利用电磁感应原理，外部电源经初级线圈与人体内的次级线圈进行能量传递，通过均衡电路后存储在超级电容。并且通过对电容参数的检测，用天线传输回体外单片机，来调节充电过程中的电压与电流等参数。 对于植入式医疗器件的供能方式，需要长寿命、安全、稳定、无需维护。超级电容（SC）是一种新型的电能存储元件， 能够满足上述所有要求。它有着超长的使用寿命，在需要长寿命、免维护的设备中，如地球卫星、IMED等，具有很大的发展潜力[13]。
3.2 体导能量传递模型 植入式医疗器件的体导电能量传递是一种新兴的无线充电方式。它利用人体内游离的离子在外加电场的作用下会发生定向移动的原理，产生电流[14]。植入式医疗器件的体导电能量传递原理如图3所示。该模型的外部电源把电压施加在两片电极上，通过人体内游离离子把能量传递到植入人体内的电极上，电极再把电能储存在植入式医疗器件的电池内[15]。在充电过程中，把体导电能的工作频率控制在kHz级，从而减少生物背景信号干扰，提高了充电的效率[16]。
3.3 基于人体动能驱动的电磁感应供电模型 基于人体动能驱动的电磁感应供电模型是通过采集人体即时产生的机械能进而转化为电能的一种方式[17]。该供电方式最重要的优点在于以人体下肢作为能量提供场所，用脚的运动提供机械能，进而转化为电能予以收集、利用，相对于普通的电池供电而言，避免了当电池电量耗尽时，再通过手术跟换电池时对患者造成的痛苦和经济负担。图4所示的是人体典型动能驱动模型。该供能模型选择以下肢为供能载体，是因为人体的生命活动离不开脚的运动，如散步、慢跑等，因此可以直接从这些日常人体活动中获得能量来带动一种装置，从而产生电能并对电能进行储存、利用[18]。但是该模型的产电能力较弱，且在运动过程中如何存储电能，如何将所存储电能调整到植入式医疗器件工作电路所需的电路参数仍然有待于进一步研究。
3.4 生物燃料电池技术 生物燃料电池是一类特殊的燃料电池，是利用酶或者微生物组织作为催化剂，将化学能转变为电能，具有原料丰富、工作条件相对宽裕、生物相容性好、无毒性等诸多普通燃料电池不具备的优点[19]。正是利用这些特性，生物燃料电池才被研究用于为植入式医疗器件的供电。
生物燃料电池能够利用体内的葡萄糖、氧等有机物或无机物作为燃料源源不断的产生电能，工作于常温、常压，并且酸碱度适中的环境中，这使得它维护成本低廉并且安全度很高，对人体无毒无害[20]。目前该技术最需要解决的是电能转换效率的问题，一旦解决，生物燃料电池将有望大规模应用于植入式医疗器件。
3.5 光电供电技术 功能性光电材料近年来发展迅速，即利用光电效应将光辐射的能量转化为电能。如经皮直接照射近红外光，通过光电池产生电能，该方法还可以结合可充电电池用，从而无需一直实施红外照射[21]。另有研究是利用光纤从腹部植入皮下，通过光纤传输光能至光电池并转化为电能，使用850 nm激光源照射，光电转换效率达40%，可产生3 V的电压，功率达到10 mW[22]。随着新技术的发展，太阳能电池在植入式医疗器件供电领域也有研究报道，有研究通过太阳能薄膜电池为植入式医疗器件，该薄膜电池的厚度大约为2～3 ?m，可以方便植入到体内，其转化效率也在进一步的研究中[23]。
3.6 核能技术 核电池是一种将核能转化为电能，并且能够为植入式医疗器件长期提供很高能量的装置。该技术具有体积小，重量轻，寿命长，不受外界影响等优点。核电池在医疗领域中最重要的应用就是心脏起搏器的供能装置。如用半衰期为87年的放射源钚（238 Pu），以其裂变产生的能量再通过热耦合技术转化为电流，150 mg即能够为心脏起搏器提供10年以上的能量[24-26]。
核电池寿命长的优点使患者减少了更换电池而反复进行开胸手术的巨大痛苦。但核电池有放射性，必须把它储存在精密的封闭单元中，所以体积较大且重。而且不论使用与否，随着放射源的衰变，其供电性能也会随着时间逐渐衰减。该技术可适用的范围受到核燃料特殊性的局限。
4 总结与展望
医疗植入式电子器件不同于体外应用的医学仪器，植入人体后，它能直接接触人体器官和组织，人体能够活动自如，能够在自然状态下高精度测定人体的生理、生化参数，研究生物体的生理、心理状态。植入式医疗器械的研制和发展很大程度取决于支持它们在体内连续工作的电能供给方法。由于植入式装置功能、尺寸等有所不同，必然造成供电方式的差异。
目前以下两种方法被认为是可行的，一种是通过电池供能，另外一种方法是通过体外电源无线传输能量对植入器械进行能量的补充，但其效果并不确定。低功耗或是极少出现高功耗使用情况的植入式医疗电子器件通常可以利用内部电池供电，例如植入式心脏起搏器的电池的一半功率用于心脏刺激， 而另一半功率用来完成监测、数据记录等工作。某些植入式医疗电子设备也可以用便携的外部电源供电，通过射频电磁感应进行能量传输被认为是能使人工心脏持续工作的一种有前景的供能方法[27-29]。
从储能元件上来说，目前最广泛使用的还是锂电池储能，锂电池安全，技术成熟并且制造成本低。现在临床应用的心脏起搏器就是通过锂电池组提供能量，电池寿命约5～7年，以患者平均佩戴20年来算，至少需要更换三次电池或者进行三次充电，这必定增加患者的经济负担，但最主要的还是增加了患者手术的痛苦。为了解决这一问题，大容量储能元件应运而生，核电池的出现即为植入式医疗器件解决了能源问题。以核能供能的植入式医疗器件，完全解决了电池的寿命问题，但因其核燃料的放射性使得适用性受到局限。近几年，又出现了一种超级电容的新型储能元件，解决了电池的寿命问题，并且无需维护，安全稳定，但它的成本相对较高，而且技术尚未成熟，尚不能应用于临床。
随着植入式医疗器件的复杂化，系统的功耗越来越大，对于短期植入式医疗器件，电池完全可以胜任，但对于长期植入式医疗器件往往不能满足要求，体外无线供电方式解决了以上问题。基于E类放大器的电磁感应供电效率可达70%左右，还可以同时传输数据，但电磁耦合方式会与其他电子器件发生干扰；光电供电同样可实现长期供电，但转换效率不高。此外，以上供电方式也可结合使用，如将经皮能量传输与可充电电池结合起来，为人工心脏提供能量，这就为功耗较高、长期植入的医疗器件提供了一种解决方法[30-31]。 植入式医疗器件目前主要还是依靠特定的设备来提供电能，但最理想的还是能够利用人体自身或者人周边的环境来进行供能，如机械能（身体运动、肌肉拉伸、血管收缩）、振动能（声波）、化学能（葡萄糖）、液压能（体液流动及血液流动）等。光电池、生物燃料电池以及人体动能驱动的电磁感应供电模型等方式就应运而生了，但是同样面临能量转换效率的问题仍需进一步研究。
随着植入式医疗装置的广泛使用，推动了植入式医疗器件供电方式的进一步发展，植入式医疗器件发展迅速，微型化、纳米化正成为一种趋势。由于植入式装置的功能、尺寸等各有不同，植入式医疗器件供电装置的电池容量、无线充电效率以及能量来源将是研究的关键和难点。
参考文献
[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 battery applications[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]杨阳，孙斌.基于人体动能驱动的电磁感应供电模块的实体模型制作与实验[J].科技视界，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.
（收稿日期：2016-01-15） （本文编辑：蔡元元）
【关键词】 电池； 供电； 转换效率； 植入式医疗器件
【Abstract】 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.
【Key words】 Capacitance； Power supply； Energy conversion efficiency； Implantable medical devices
First-author’s address：Medical Imaging Academy of Xuzhou Medical University，Xuzhou 221004，China
doi：10.3969/j.issn.1674-4985.2016.14.038
植入式医疗器件是一种植入后能够实时测量人体的各种参数变化或是对某种器官起到辅助作用的仪器。随着电子技术的发展，植入式医疗器件开始广泛的被人们接受而在临床医学中得到广泛运用[1]。然而，所有的仪器都离不开能量，而在它的发展进程中，最主要的制约因素也必然是能量的供给。植入式医疗器件的供电方式成为研究的关键和难点。
1 植入式医疗器件简介
1.1 植入式医疗器件分类 在各类医疗电子产品中，有的直接在生物体外进行使用，有的则需要通过手术植入到生物体内才能工作，称为植入式医疗器件（Implanted Medical Devices，IMDs）[2]。植入式医疗器件的种类繁多，包括了对人体整个身体部件的各种辅助和救助设备，常见的植入式医疗器件主要用于代替某些功能丧失的器官工作，测量生命体的生理生化参数，或者治疗某些疾病[3]。
植入式医疗器件可分为被动式和主动式两种，大多数被动式的植入式医疗器件是非电子产品，如心脏支架、人造关节、人造瓣膜等组织结构装置。主动式的植入式医疗器件包括调整心律的心脏起搏器，消除心室纤维颤动、心动过速的心脏除颤器，辅助听力的电子耳蜗，神经刺激器、治疗弱视或者视盲的植入式视网膜等各种激励系统，需要能量供给才能代替或提高某个器官的功能，或者治疗某种疾病[4]。目前，植入式心脏起搏器和除颤器维持着上百万心脏病患者的生命，神经刺激器用于治疗如癫痛症、帕金森综合症等疾病，其他激励系统可以治疗如小便失禁以及慢性疼痛之类的疾病[5]。
1.2 植入式医疗器件基本组成 植入式医疗器件通常由两大部分组成，即体内植入部分和体外测控部分。体外部分的任务是人体信息的测量与控制，从而完成疾病的诊断和治疗。整个装置包括信息的获取、处理、存档、控制、指令、显示与记录功能。体外部分与一般的医学仪器相同， 系统的关键点主要集中在植入部分以及体内外的信息和能量的交换。
2 植入式医疗器件的基本供电方式
2.1 锂电池技术 锂电池技术是目前医疗行业最常见的用于植入式医疗器件供电的一种电源，该技术已成熟，并且有单体输出电压高、体积小、安全性高等诸多优点[6]，但由于人体的植入空间有限，植入电池的体积有着非常严格的控制，这意味着植入电池的容量不会很大。当电池能量耗尽时，植入式医疗器件也就停止工作，必须进行手术更换电池。对于心脏起搏器，锂离子电池的理论设计寿命是6～10年，当电池消耗了约85%时（一般约为5～7年），就不能保证它在人体内的运转，对于患者来说十分危险，必须及时更换，重新植入新的起搏器[7]。另一方面，植入电池虽然小，但其占总体积的比例仍然超过50%，是妨碍植入器件微型化的关键因素。
2.2 磁感应技术 除了锂电池已被应用于临床外，另一种被应用的供能技术是电磁感应技术。该技术是利用植入人体内的线圈和体外线圈电磁耦合来对电能进行传输[8]，对体内的电池进行无线充电，如图1所示。磁感应技术能够进行电能的无线传输，将体外丰富的能量输入体内对器件供电，极大的延伸了植入式医疗器件使用寿命，解决了当锂电池用完后必须进行手术更换的弊端，大大减轻了患者的痛苦。但是，磁感应技术的能量传递效率较低，一般来说，距离越近，传输效率越高，当距离大于4 cm时，基本实现不了充电[9]。并且该技术需要专门的充电设备，充电效率不理想。提高该技术的充电效率是必须进一步研究的关键。
3 植入式医疗器件供电方式的新进展
3.1 植入式无线供电系统 植入式无线供电系统结合了无线传输和均衡电路特点，设计了一种满足超级电容充电要求的闭环无线充电方案[10-12]，设计原理见图2。其充电方式还是主要利用电磁感应原理，外部电源经初级线圈与人体内的次级线圈进行能量传递，通过均衡电路后存储在超级电容。并且通过对电容参数的检测，用天线传输回体外单片机，来调节充电过程中的电压与电流等参数。 对于植入式医疗器件的供能方式，需要长寿命、安全、稳定、无需维护。超级电容（SC）是一种新型的电能存储元件， 能够满足上述所有要求。它有着超长的使用寿命，在需要长寿命、免维护的设备中，如地球卫星、IMED等，具有很大的发展潜力[13]。
3.2 体导能量传递模型 植入式医疗器件的体导电能量传递是一种新兴的无线充电方式。它利用人体内游离的离子在外加电场的作用下会发生定向移动的原理，产生电流[14]。植入式医疗器件的体导电能量传递原理如图3所示。该模型的外部电源把电压施加在两片电极上，通过人体内游离离子把能量传递到植入人体内的电极上，电极再把电能储存在植入式医疗器件的电池内[15]。在充电过程中，把体导电能的工作频率控制在kHz级，从而减少生物背景信号干扰，提高了充电的效率[16]。
3.3 基于人体动能驱动的电磁感应供电模型 基于人体动能驱动的电磁感应供电模型是通过采集人体即时产生的机械能进而转化为电能的一种方式[17]。该供电方式最重要的优点在于以人体下肢作为能量提供场所，用脚的运动提供机械能，进而转化为电能予以收集、利用，相对于普通的电池供电而言，避免了当电池电量耗尽时，再通过手术跟换电池时对患者造成的痛苦和经济负担。图4所示的是人体典型动能驱动模型。该供能模型选择以下肢为供能载体，是因为人体的生命活动离不开脚的运动，如散步、慢跑等，因此可以直接从这些日常人体活动中获得能量来带动一种装置，从而产生电能并对电能进行储存、利用[18]。但是该模型的产电能力较弱，且在运动过程中如何存储电能，如何将所存储电能调整到植入式医疗器件工作电路所需的电路参数仍然有待于进一步研究。
3.4 生物燃料电池技术 生物燃料电池是一类特殊的燃料电池，是利用酶或者微生物组织作为催化剂，将化学能转变为电能，具有原料丰富、工作条件相对宽裕、生物相容性好、无毒性等诸多普通燃料电池不具备的优点[19]。正是利用这些特性，生物燃料电池才被研究用于为植入式医疗器件的供电。
生物燃料电池能够利用体内的葡萄糖、氧等有机物或无机物作为燃料源源不断的产生电能，工作于常温、常压，并且酸碱度适中的环境中，这使得它维护成本低廉并且安全度很高，对人体无毒无害[20]。目前该技术最需要解决的是电能转换效率的问题，一旦解决，生物燃料电池将有望大规模应用于植入式医疗器件。
3.5 光电供电技术 功能性光电材料近年来发展迅速，即利用光电效应将光辐射的能量转化为电能。如经皮直接照射近红外光，通过光电池产生电能，该方法还可以结合可充电电池用，从而无需一直实施红外照射[21]。另有研究是利用光纤从腹部植入皮下，通过光纤传输光能至光电池并转化为电能，使用850 nm激光源照射，光电转换效率达40%，可产生3 V的电压，功率达到10 mW[22]。随着新技术的发展，太阳能电池在植入式医疗器件供电领域也有研究报道，有研究通过太阳能薄膜电池为植入式医疗器件，该薄膜电池的厚度大约为2～3 ?m，可以方便植入到体内，其转化效率也在进一步的研究中[23]。
3.6 核能技术 核电池是一种将核能转化为电能，并且能够为植入式医疗器件长期提供很高能量的装置。该技术具有体积小，重量轻，寿命长，不受外界影响等优点。核电池在医疗领域中最重要的应用就是心脏起搏器的供能装置。如用半衰期为87年的放射源钚（238 Pu），以其裂变产生的能量再通过热耦合技术转化为电流，150 mg即能够为心脏起搏器提供10年以上的能量[24-26]。
核电池寿命长的优点使患者减少了更换电池而反复进行开胸手术的巨大痛苦。但核电池有放射性，必须把它储存在精密的封闭单元中，所以体积较大且重。而且不论使用与否，随着放射源的衰变，其供电性能也会随着时间逐渐衰减。该技术可适用的范围受到核燃料特殊性的局限。
4 总结与展望
医疗植入式电子器件不同于体外应用的医学仪器，植入人体后，它能直接接触人体器官和组织，人体能够活动自如，能够在自然状态下高精度测定人体的生理、生化参数，研究生物体的生理、心理状态。植入式医疗器械的研制和发展很大程度取决于支持它们在体内连续工作的电能供给方法。由于植入式装置功能、尺寸等有所不同，必然造成供电方式的差异。
目前以下两种方法被认为是可行的，一种是通过电池供能，另外一种方法是通过体外电源无线传输能量对植入器械进行能量的补充，但其效果并不确定。低功耗或是极少出现高功耗使用情况的植入式医疗电子器件通常可以利用内部电池供电，例如植入式心脏起搏器的电池的一半功率用于心脏刺激， 而另一半功率用来完成监测、数据记录等工作。某些植入式医疗电子设备也可以用便携的外部电源供电，通过射频电磁感应进行能量传输被认为是能使人工心脏持续工作的一种有前景的供能方法[27-29]。
从储能元件上来说，目前最广泛使用的还是锂电池储能，锂电池安全，技术成熟并且制造成本低。现在临床应用的心脏起搏器就是通过锂电池组提供能量，电池寿命约5～7年，以患者平均佩戴20年来算，至少需要更换三次电池或者进行三次充电，这必定增加患者的经济负担，但最主要的还是增加了患者手术的痛苦。为了解决这一问题，大容量储能元件应运而生，核电池的出现即为植入式医疗器件解决了能源问题。以核能供能的植入式医疗器件，完全解决了电池的寿命问题，但因其核燃料的放射性使得适用性受到局限。近几年，又出现了一种超级电容的新型储能元件，解决了电池的寿命问题，并且无需维护，安全稳定，但它的成本相对较高，而且技术尚未成熟，尚不能应用于临床。
随着植入式医疗器件的复杂化，系统的功耗越来越大，对于短期植入式医疗器件，电池完全可以胜任，但对于长期植入式医疗器件往往不能满足要求，体外无线供电方式解决了以上问题。基于E类放大器的电磁感应供电效率可达70%左右，还可以同时传输数据，但电磁耦合方式会与其他电子器件发生干扰；光电供电同样可实现长期供电，但转换效率不高。此外，以上供电方式也可结合使用，如将经皮能量传输与可充电电池结合起来，为人工心脏提供能量，这就为功耗较高、长期植入的医疗器件提供了一种解决方法[30-31]。 植入式医疗器件目前主要还是依靠特定的设备来提供电能，但最理想的还是能够利用人体自身或者人周边的环境来进行供能，如机械能（身体运动、肌肉拉伸、血管收缩）、振动能（声波）、化学能（葡萄糖）、液压能（体液流动及血液流动）等。光电池、生物燃料电池以及人体动能驱动的电磁感应供电模型等方式就应运而生了，但是同样面临能量转换效率的问题仍需进一步研究。
随着植入式医疗装置的广泛使用，推动了植入式医疗器件供电方式的进一步发展，植入式医疗器件发展迅速，微型化、纳米化正成为一种趋势。由于植入式装置的功能、尺寸等各有不同，植入式医疗器件供电装置的电池容量、无线充电效率以及能量来源将是研究的关键和难点。
参考文献
[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 battery applications[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]杨阳，孙斌.基于人体动能驱动的电磁感应供电模块的实体模型制作与实验[J].科技视界，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.
（收稿日期：2016-01-15） （本文编辑：蔡元元）