国产心脏起搏器研制工作进展_金捷

国产心脏起搏器研制工作进展金 捷(西安交通大学医学院医学电子工程研究所，西安 710061)摘要：本文介绍了西安交通大学医学院医学电子工程研究所近年来在国产心脏起搏器核心技术研究方面的进展。

整体工作分为三个阶段。

第一阶段从2001至2003年，为预研阶段，通过典型电路和动物试验样机的研制，验证了技术路线的可行性。

第二阶段从2004至2006年，和国内厂家合作，研制出SSI单腔起搏器，并已通过国家食品药品监督管理局注册审评。

第三阶段从2007年至今，在国家“863”计划支持下，研制出包括DDDR在内的国产起搏器完整系列产品，同时初步建立起研发队伍和平台，为持续发展奠定了基础。

关键词：生物医学工程学；心脏起搏；起搏器；频率响应The Developing of Homemade Cardiac PacemakerJIN Jie(Institute of Medical Electronics in Medical School of Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710061, China)Abstract: This paper gives a review of the recent development of homemade cardiac pacemaker by Institute of Medical Electronics in Medical School of Xi’an Jiaotong University. The whole work is divided into three periods. The first period is from 2001 to 2003. The prototype of cardiac pacemaker was developed and the design principles were verified. The second period is from 2004 to 2006. The formal product of single chamber pacemaker was developed and passed through the medical device registration of State Food and Drug Administration, P. R. China. The third period is from 2007 till now.A series of pacemaker products, include DDDR, was developed. The third period work is supported byNational High-tech R&D Program (“863”Program).Keywords: Biomedical Engineering, Cardiac Pacing, Pacemaker, rate response1 前言心脏起搏器是有源植入式治疗装置的典型代表，在临床上有广泛的应用和发展前景。

按美国商业周刊2005年的估计，全球每年起搏器的营业额在100亿美元以上[1]。

我国目前每年植入数约3万只，价值约7亿元人民币，平均每年递增15%以上。

按东南亚人均需要量计算，我国每年约需起搏器40万只，市场份额约100亿人民币。

同时，心脏起搏器的制造技术又是发展各类有源植入式治疗装置的基础。

掌握了心脏起搏器的制造技术，就不难研发出用于心脏和神经治疗的各类有源植入物。

虽然我国从上世纪50年代末就和国外同步研制植入式心脏起搏器，但仅存的一家国产起搏器制造商，其产品还是采用进口起搏器专用电路组装的。

由于进口电路价格昂贵、技术相对落后，这种组装的起搏器在性能和价格上都不具竞争力。

厂家也曾寻求从国外购买较新的电路技术，但长期努力的结果也只是能用作者简介：金捷，男，博士，教授，中国生物医学工程学会理事，中国科协个人会员登记号：M087100252S高价买到过时技术，无法适应技术发展的需要。

到本世纪初，这种组装起搏器实际上已处于停产状态。

中国人面临的选择是：要么像绝大多数国家那样从这个高技术领域退出，要么下决心自主研发核心技术，在此基础上自主发展我国的起搏器。

作为和中国心脏起搏技术发展有历史情缘的科研团体，我们认为中国有必要发展自己的起搏器产业，中国生物医学工程专业的科研人员也有责任为国产起搏器的发展作出贡献。

本课题组在2001年制定了1个计划，决定停下其他科研工作，专攻起搏器电路研制这项核心技术，在此基础上和厂家合作，用10年时间研制出具有自主知识产权和世界先进水平的国产起搏器系列产品，同时建立起研发队伍和平台，实现我国起搏器产业的可持续发展。

2 项目总体进展本项目的工作大致可以分为三个阶段。

第一阶段是从2001～2003年，为项目的预研阶段。

根据当时的国情和微电子技术的发展状况，我们提出了有别于国外技术路线的基于通用微处理器的数字化设计方案。

但这种方案在当时受到国内外专家和同行的普遍质疑。

为了验证这条技术路线的可行性，我们选择当时国内最需要的SSI起搏器专用电路和神经电刺激方面最具代表性的深部脑刺激器（DBS）专用电路作为突破口，在没有任何资助的情况下，用两年多的时间，研制出这两种专用电路样品，并封装出起搏器和DBS的动物试验样机。

通过国家检测部门检测和动物试验验证，说明了这条技术路线的可行性，也开始得到了国内同行的认可。

本阶段研制的SSI 起搏器动物试验样机见图1A照片，有关这个阶段的工作，详见参考文献[2]。

第二阶段从2003年底～2006年底，为单腔起搏器正式产品研制阶段。

在预研工作的基础上，西安交通大学医学院医学电子工程研究所和陕西秦明医学仪器股份有限公司于2003年12月签约，以国际同类产品先进水平为目标，正式开始单腔双极9程控SSI起搏器的电路和整机产品研制工作。

校方负责专用电路和程控仪机芯研制，厂方负责起搏器封装和程控仪工艺设计。

我所于2004年9月完成了单腔双极9程控SSI起搏器专用电路和配套体外程控仪研制。

经全面测试，技术指标达到国际同类产品先进水平。

用此电路封装的QM2312单腔起搏器在2006年通过了国家检测中心检测和动物试验验证，并于当年12月进入临床试验验证。

通过这一阶段的工作，我们初步建立了研发平台和队伍，为研制起搏器系列产品和其他有源植入式治疗装置奠定了基础。

本阶段研制的QM2312起搏器产品样机见图1B照片。

第三阶段是从2007年至今，为国产起搏器系列产品研制阶段。

在前期工作基础上，我们于2006年11月申报了“863”计划生物和医药技术领域目标导向性课题《国产植入式心脏起搏器系列产品研制》，并于2007年4月被批准立项，项目编号为2006AA02Z4E1。

项目总经费1150万元，其中政府拨款350万元，自筹经费800万元。

项目的直接目标是在已有工作基础上完成单腔起搏器的产品注册试产工作，同时研制出包括双腔频率应答性起搏器（DDDR）在内的国产起搏器系列产品，主要技术指标达到国际先进水平。

其长远目标是通过该项目的实施，建立起研发平台和队伍，实现我国起搏器和其他有源植入式治疗装置制造技术的可持续发展。

在“863”项目执行期间，我们按课题合同书要求，主要完成了如下工作：(1) 完成了QM2312单腔起搏器的产品注册和试产准备工作。

(2) 对QM2312起搏器的可靠性进行了系统测试评价，包括加速寿命试验、软件可靠性测试以及在实验室模拟、动物试验和临床环境中的电磁兼容性测试等。

(3) 研制出包括DDDR、DDD、SSIR和SSI四种类型起搏器的完整系列产品、配套体外程控仪和配套的双腔双极起搏电极。

综合指标达到国际同类产品先进水平。

功耗指标优于国外知名品牌的水平。

(4) 初步建成了具有100m2使用面积和30万净化级别的有源植入物封装测试实验室。

该实验室不仅为本课题的进行提供了条件，也向国内有源植入物研发单位提供了服务。

(5) 在西安高新开发区设立了以企业为主体的研发中心，逐步实现核心技术由高校向企业的转移。

本阶段研制的国产起搏器系列产品样机见图1C照片。

3 项目的技术路线和关键技术起搏器专用电路是起搏器的核心技术，此前国际和国内沿用的技术路线都是客户订制的ASIC电路设计方案。

即使是对于有研发基础的起搏器公司，这种方案也需要500万美元的投入、5年的研发周期。

长期以来，这样一种定式使国内起搏器专用电路的研制工作形成了一个死结：对于这样一种高风险、长周期的项目，如果你不能拿出令人信服的样品，就没有人给你投资；而没有足够的资金，你又不可能拿出够水平的样品来。

针对这种情况，我们根据自己的工作积累和微电子技术的发展状况，在2001年提出了基于通用微处理器的数字化设计方案。

当时，国内外专家和同行普遍认为，对于像起搏器专用电路这样对功耗、体积和可靠性要求极高的产品而言，是不可能用通用电路来实现的。

在不被看好和没有任何资助的情况下，我们用两年时间，拿出了样品，证实了这条技术路线的可行性，开始得到了业界的有限度承认。

在此基础上，我们开始和企业合作研制出单腔起搏器，此后又获得“863”计划资助，研制出包括DDDR在内的国产起搏器系列产品。

回头来看，正是由于这种技术路线降低了起搏器专用电路研发的门槛和风险，才使得在我国当时的条件下这项研发工作的起步和今天的发展成为可能。

现在，这种设计方案已在各种有源植入物研制工作中得到了广泛采用。

a b c图1 本项目各阶段研制的起搏器样品图1A为第一阶段研制的单腔7程控SSI起搏器动物试验样机的剖面照片； 图1B 为第二阶段研制的QM2312单腔双极9程控SSI起搏器产品样机的剖面照片；图1C 为第三阶段研制的起搏器系列产品照片，按左上、右上、左下、右下顺序依次为SSI、SSIR、DDD、DDDR起搏器，中间为起搏器的剖面照片本项目除采用了有别于国外技术路线的设计方案外，在某些关键技术方面也有自己的特点。

主要表现在：（1）所研制的起搏器和体外程控仪的双向数据传输采用射频场供电和负载调制工作方式，程控和遥测不消耗内部电池能量，有利于延长起搏器寿命和强化起搏器诊断功能，该技术已申报国家发明专利并已获得授权[3]。

（2）所研制的起搏器具有内部软件更新功能，用户可通过体外程控仪对起搏器内部软件进行完全更新，该技术已申报国家发明专利并已获得授权[4]。

（3）双腔起搏器的设计结合了国际最新的临床研究成果，设计了房室传导自动跟踪功能（A VCT），更符合生理要求。

频率响应型起搏器具有传感器自动优化功能，方便了临床应用。