一种对植入式心脏起搏器进行体外无线充电的设计

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《中国医疗器械信息》2010年第16卷第7期 Vol.16 No.7
文章编号：1006-6586(2010)07-0019-03 中图分类号：R857.2 文献标识码：A 收稿日期：2010-06-08
作者简介：陈玉芳，医疗器械工程师，广东省医疗器械研究所科研员
0 引言
正常情况下，人体心脏右心房的窦房结能自动地、有节律地发出生理电脉冲，通过心肌神经传导系统向心脏各部位发出指令，使心肌收缩，心脏跳动，向全身泵送血液。

若神经传导系统发生障碍或者窦房结不能有规律地发出电脉冲，心脏就会出现心律失常，甚至停跳，危及患者生命。

人工心脏起搏器可以对患病的心脏根据需要给予直接电刺激，人为地使心跳正常起来，主要用于治疗缓慢性心律失常，如：窦房结功能障碍和房室传导阻滞。

目前，人工心脏起搏器可以分为体外临时起搏型和植入型两种，前者主要用于提供急救性临时起搏，而后者主要是供长期植入性起搏治疗。

植入式心脏起搏器属三类医疗器械，是一种长期植入式、多程控的有源器件。

它主要由脉冲发生器、固态锂碘电池、导管电极三部分组成。

目前国内外的
植入式心脏起搏器的电池为一次性使用电池，不能进
行能量补充，当电池消耗了约85%的电量时(一般约为5~7年)，就不能保证起搏器的正常工作，必须及时更换，重新植入新的起搏器。

因此，目前植入式心脏起搏器存在的最大缺陷是电池寿命有限，最终会因为电池耗竭而需动手术更换起搏器，这不仅给患者增加了新的生理痛苦、手术风险和经济负担，而且也制约了植入式心脏起搏器的使用价值。

1 技术研究现状
最近十年无线充电技术成为最热门的研究发展方向之一，目前实现无线充电主要通过3种方式，即电磁感应、无线电波和共振作用。

最为常见的充电垫解决方案就采用了电磁感应，通过初级和次级线圈感应产生电流，从而将能量从发射端传输到接收端，该解决方案提供商包括英国Splash power 、美国
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Charge 和Fulton Innovation 等公司。

而无线电波是另一个发展较为成熟的技术，该领域的代表美国Power cast 公司表示，其最终研制的微型高效接收电路，可以捕捉到从墙壁弹回的无线电波能量，在随负载调整的同时保持稳定的直流电压。

第三种尚在研究中的技术是电磁共振，2007年由美国麻省理工学院(MIT)物理教授Marin Soljacic 带领的研究团队利用该技术点亮了两米外的一盏60瓦灯泡，并将其取名为WiTricity 。

目前已经推向市场的无线充电产品主要有：电动牙刷、电动剃须刀、无绳电话和净水器等小功率家电产品，对安全性和抗干扰性要求不高，主要利用电磁感应技术。

而将无线充电技术应用于植入性医疗设备，特别是植入式心脏起搏器还处于方案设计和样机制作的阶段，尚没有成熟并可产品化的技术，主要由于植入式心脏起搏器是对安全性和抗干扰性要求都非常高的医疗设备，而目前主流的无线充电技术尚不能满足其要求。

如能将无线充电技术应用于植入式心脏起搏器，就可以在其电量不足的情况下，进行体外无线充电，补充电量，从而延长其使用寿命，减少病人更换的频率、手术痛苦和风险。

2 主要设计方案
本文将探讨一种采用超声波信号进行能量传递，并将能量储存在起搏器的可充电电源内，实现对植入式心脏起搏器电源进行能量补充的设计。

本设计的目的在于克服目前植入式心脏起搏器电源寿命有限，不能补充能量的缺陷。

本设计主体方案：由人体外的超声波发生器产生和发射超声波信号，植入人体内的心脏起搏器的电源模块接收超声波信号，同时转化为一定电压的电信号，并将电量储存在电源模块的可充电电池内，为心脏起搏器提供电能，从而实现对植入式心脏起搏器电源的能量补充，可充电电池的电量消耗和充电情况可通过
外部程控仪对心脏起搏器的无线射频通讯获得。

其系统结构图如图1。

超声波发生器由发生器机体和相连的超声波发射探头构成，用于产生和发射超声波信号，该超声波信号穿透人体皮肤向心脏起搏器传递能量。

心脏起搏器的电源模块由信号接收转换模块、电源调理模块、可充电电池和电源监测控制模块构成；信号接收转换模块接收超声波发生器产生的共振超声波信号并转换成电能，经电源调节模块后储存在可充电电池内，为心脏起搏器提供电能；电源监测控制模块由电源能量消耗监测指示电路和充电控制电路构成，用于对可充电电池的电量进行监测和对充电过程进行控制，通过内部无线射频通讯模块向外部程控仪提供可充电电池的电量消耗信息和充电信息。

其中“信号接收转换模块”采用高效压电陶瓷片来实现超声波信号的接收和转化。

其工作原理框图如图2
与现有技术相比，本设计具有以下优点：制作成
本较低，结构简单，采用超声波信号作为能量传递的载体，能够无创穿透人体皮肤和肌肉组织，对已植入人体皮下的心脏起搏器的电源进行能量补充，而不具有电磁感应无线充电技术等对心脏起搏器正常工作的电磁干扰；可为其他植入性微型治疗装置电源的能量补充提供技术支持。

3 实验电路设计及试验结果
本设计的充电实验电路原理框图如图3
，超声波发
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生器为频率和功率可调的定制型，发射探头为超声波传感器，接收探头为压电陶瓷片，电压整流电路如图4，负载为一定阻值的电阻或可充电电池。

实验将通过超声波分别以水或一定厚度的猪肉为传播介质，来测试接收后的电压，验证其无线传输能量的效果。

实验过程：用一塑料容器将水盛入其中，然后将超声波发生器探头、超声波接收器探头置于水中，将超声波接收器输出接充电电路输入端，负载(电池)接输出端，启动超声波发生器，调节超声波发射功率和频率，使接收探头产生的电压达到最大。

表1，是以水
和猪肉为传输介质的输出电压，其中。

通过上述实验，可见接收电压整流电路产生了较高幅度的电压，以水和猪肉做传输介质产生的电压非常接近，因此认为以水做介质可等效于用猪肉做介质，其试验结果可作为以人体肌肉做超声波传输介质的有效参考。

此外，我们选取了多种类型的常用镍氢充电电池和锂离子电池作为充电对象，在试验前均进行了不同程度的放电。

每次充电时间由60~100min 不等，每次充电后电压的提升范围虽有不同，不过多数试验的电压提升范围在(130~220)mV 范围内，其中对锂离子充电电池充电效果较好。

具有一定的充电效果，但目前实验效果尚不能适合实际应用，笔者认为，将来如能在超声波发射接受技术的效率进行提升，开发出适合心脏起搏器专用的快速、
高效可充电电池，应能够提升超声波无线充电的效果和效率，相信其具实际应用潜力。

4 结束语
目前，世界上至少有500万人依靠植入式心脏起搏器治疗来维持生命，而且这个数据每年都在按约15%的速度递增。

美国每年有30到40万心跳过缓的病人安装起搏器，而我国需要安装起搏器的病人与这一数字基本一致，但是实际安装者只有1.5万人到2万人左右。

目前我国心脏起搏器的植入率低，而且每年有10万以上需植入心脏起搏器的新增患者，随着老龄化社会的到来，心血管疾病有急剧增加的趋势，未来植入式心脏起搏器市场增长潜力巨大。

本设计采用超声波信号作为能量传递的载体，能够无创穿透人体皮肤和肌肉组织，对已植入人体皮下的心脏起搏器的电源进行无创非接触式无线充电来补充能量，避免了心脏起搏器电池电能消耗后的再次更换手术，减少了患者的手术危险和痛苦，减轻了患者的经济负担，提高了植入式心脏起搏器的使用价值，有效延长起搏器的工作寿命。

进行植入式心脏起搏器体外无线充电的设计和研究将是今后起搏器的一个重要发展方向，同时还可应用到其他植入性微型医疗设备(如脑起搏器)电源的能量补充，其市场前景和发展潜力非常巨大，是长期植入式医疗器械的重要发展方向。

参考文献
[1] 郑晓晨, 汪木兰, Hung T. Nguyen. 心脏起搏器用无线
充电系统设计，机电产品开发与创新, Vol.22, No.5, Sep., 2009, p37-39
[2] /news/txt/2007-09/08/
content_8839353.htm ；共振解决无线电力传输 拥抱无线充电时代
[3] 方祖祥. 心脏起搏器的技术进展. 世界医疗器械.
1998年4月
[4] 郭继鸿, 张海澄. 心脏起搏器的最新进展. 北京医科
大学出版社. 2000年9月
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