（电气工程专业论文）植入电子器件的体导电能量传递原理及方法研究.pdf

中文摘要 摘要 各类植入电子器件的公共技术问题之一是如何有效地向植入电子器件提供足 够的电能，维持其长期、稳定、可靠地运行，实现其预期的功能。尽管植入电子 器件存在多种可能的供电方案，但目前只有电池供电和磁感应供电技术得到广泛 的临床应用。对电池供电的植入电子器件，由于电池容量受限，导致植入电子器 件的使用寿命较短，例如心脏起搏器的实际寿命是2 5 年【l 】【2 】。当然，磁感应耦 合技术可将丰富的体外电能传递到体内植入电子器件【1 8 】【2 7 】【3 l 】，但由于生物体中 存在着大量的离子型体液，其传导作用使磁感应耦合效率低；同时，为了向植入 电子器件提供足够的能量，磁感应耦合的发射线圈必须发射较强的射频功率，它 又将对附近的医学设备等形成较强的射频干扰。 为了克服磁感应技术的缺点和延长植入电子器件的使用寿命，本文提出利用 生物组织的体导电特性将体外电能跨皮肤地传递到植入电子器件的可充电电池来 维持植入电子器件长期、稳定、可靠地运行。本文重点研究了体导电能量传递的 原理，即采用紧贴皮肤的电极组( 称为电极皮肤单元) ，利用生物组织的离子型传 导电流将激励到体外电极组的电能耦合到体内电极组，并传递到植入电池和电子 器件。考虑到电极的极化效应和离子型传导电流的特点，体导电能量传递系统的 电流应为交流电流，从而形成了体导电能量传递的技术方案。 为了有效地分析体导电能量传递系统的特性，建立了具有明确物理意义的电 极皮肤单元的x 型等效电路模型，导出了x 型等效电路参数与电极开路阻抗关系 的计算公式；以电极皮肤单元的x 型等效电路模型为基础，提出了分析体导电能 量传递系统特性的电路分析方法。与数值计算电极皮肤单元的泊松方程或拉普拉 斯方程比较，电路分析方法具有计算简单、概念明确的特点，能分析体导电能量 传递系统的整体特性。用电路分析方法系统地分析了体导电能量传递电路的特 性：交流电流传递效率、植入电池的充电条件、充电电流传递效率、能量传递效 率。通过电路分析，发现了决定体导电能量传递系统特性的主要参数：输入回路 阻抗i = l ( i l i r ) 、输出回路阻抗比( o l i r ) 和电压比( v l 2 ) ，这些参数确定了体导电 能量传递的效率。由此，提出了提高体导电能量传递效率的方法：阻抗法和电压 法。通过电路分析，还发现了体导电能量传递系统的另一些重要特性：植入电池 的充电条件和充电电流传递效率极限。根据植入电池的充电条件和实验验证，作 用在体外电极组的最佳信号波形是交变方波。 根据体导电能量传递技术方案和电路分析结果，设计和制作了体导电能量传 递原型电路。实验结果是：在工作频率为5i d - i z 时，通过新鲜的猪皮传递到电池 重庆大学博士学位论文 的充电电流是2 8m a ，相应的充电电流传递效率达到2 7 ，能量传递效率为 1 1 。 理论和实验均证明：生物组织的体导电特性可以有效地将体外电能跨皮肤地 传递到体内的植入电子器件。 关键词：体导电，植入电子器件，能量传递，电路模型，电池充电 i i 英文摘要 a b s t r a c t t h ep o w e rs u p p l yi sac o m m o nc o n c e r nf o ri m p l a n t a b l ed e v i c e s t h e r ea r es e v e r a l p o s s i b l ea p p r o a c h e st op o w e ri m p l a n t s ，h o w e v e r , o n l yb a t t e r ya n dm a g n e t i ci n d u c t i v e c o u p l i n ga r ep r a c t i c a l t h es e r v i c el i f eo f a ni m p l a n t a b l ed e v i c ep o w e r e db yab a t t e r yi s s h o r tb e c a u s eo ft h el i m i t e db a t t e r yc a p a c i t y f o re x a m p l e ，t h er e a ls e r v i c el i f ef o ra c a r d i a cp a c e m a k e ri s2 - 5y e a r s 【1 1 2 1 o nt h eo t h e rh a n de x t e r n a lr i c he n e r g yc a l lb e t r a n s f o r m e di n t oi m p l a n t a b l ed e v i c e sb ym a g n e t i ci n d u c t i v e c o u p l i n g b u ti t s c o n v e r s i o ne f f i c i e n c yi np o w e rd e l i v e r yi sg e n e r a l l yp o o rd u et ot h ee n e r g yl o s si n c o n d u c t i v eb i o l o g i c a lt i s s u e 1 8 2 7 】- 【3 1 】i no r d e rt om a i n t a i nas u f f i c i e n ta m o u n to f p o w e r t r a n s f e r , al a r g er fp o w e rm u s tb et r a n s m i t t e d t h i sc a u s e sr fi n t e r f e r e n c et on e a r b y m e d i c a li n s t n n n e n t s i no r d e rt oa v o i dt h em a j o rd r a w b a c ko fm a g n e t i ci n d u c t i v ec o u p l i n gm e t h o da n d e x p a n dt h es e r v i c el i f eo fi m p l e n t a b l ed e v i c e st h i sp a p e rp r e s e n t st h ee n e r g yd e l i v e r y p r o c e s sb a s e do nv o l u m ec o n d u c t i o na c r o s ss k i na n dc o n n e c t i v et i s s u e a nx - t y p e e q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e lf o rt h ee n e r g yd e l i v e r yp r o c e s sh a sb e e nc o n s t r u c t e de n da c i r c u i ta n a l y s i sm e t h o db a s e do nt h em o d e lh a sb e e np r o p o s e d t h ec i r c u i ta n a l y s i s m e t h o di su s e f u le n dc a nb ea p p l i e df o rw h o l ev o l u m ec o n d u c t i o ne n e r g yd e l i v e r y s y s t e m t h e o r e t i c a la n a l y s e sa n de x p e r i m e n t sh a db e e nc o n d u c t e dt oe v a l u a t et h e c h a r a c t e r i s t i c so fe n e r g yd e l i v e r yb a s e do nv o l u m ec o n d u c t i o n ，s u c ha s ，a cc u r r e n t t r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c y , i m p l a n t a b l eb a t t e r yr e c h a r g i n gc o n d i t i o n , r e c h a r g i n gc u r r e n t t r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c y ，e n e r g yt r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c y a c c o r d i n gt oc i r c u i ta n a l y s i s t h r e ei m p o r t a n tp a r a m e t e r sw e r ed e f i n e dt oe v a l u a t ep e r f o r m a n c eo fp o w e rd e l i v e r y t h e s ep a r a m e t e r sa r ei n p u tl 0 0 pi m p e d a n c er a t i o ( i l m ) ，o u t p u tl 0 0 pi m p e d a n c e r a t i o ( o l i r ) a n dv o l t a g er a t i o ( t ) f o rd e t e r m i n i n gr e c h a r g i n gc u r r e n tt r a n s m i s s i o n e f f i c i e n c y t w om e t h o d sf o re n h a n c i n gr e c h a r g i n gc u r r e n tt r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c yh a v e b e e np r o p o s e d ：t h o s ea r ei m p e d a n c em e t h o de n dv o l t a g em e t h o d a c c o r d i n gt ot h e i m p l a n t a b l eb a t t e r yr e c h a r g i n gc o n d i t i o nd e r i v e df r o mc i r c u i ta n a l y s i s ，i ti sc o n c l u d e d t h a ts q u a r ew a v ei st h eb e s to n ef o re x c i t i n ge x t e r n a le l e c t r o d e si ne n e r g yd e l i v e r yb a s e d o nv o l u m ec o n d u c t i o n a c c o r d i n gt ot h ec i r c u i ta n a l y s i sr e s u l t s ，ac i r c u i tp r o t o t y p eb a s e do nv o l u m e c o n d u c t i o nh a db e e nd e v e l o p e d i no u r p r e l i m i n a r ye x p e r i m e n t ，i th a d d e l i v e r e da5k h z c u r r e n to fu pt o2 8m aa c r o s sf r e s h l yh a r v e s t e dp i g s k i nw i t hac u r r e n tt r a n s m i s s i o n i i i 重庆大学博士学位论文 e f f i c i e n c yo f 2 7 t h e o r e t i c a la n a l y s e sa n de x p e r i m e n t sh a v ep r o v e dt h a te l e c t r i c a le n e r g yc a l lb e t r a n s f o r m e de f f i c i e n t l yf r o ma ne x t e r n a lb o d yi n t oi m p l a n t a b l ed e v i c e si nt h eb o d y t h r o u g hv o l u m ec o n d u c t i o n i n d e xt e r m s ：v o l u m ec o n d u c t i o n ，i m p l a n t a b l ed e v i c e ，e n e r g yd e l i v e r y ，c i r c u i tm o d e l ， b a t t e r yr e c h a r g i n g 1 v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重废盘堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：意伽亍蓼签字日期：时7 年瑚哆日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庞太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重废太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文仟者签名翘1 7 色佟 签字日期：z 。7 年歹月f 多日 导师签名：砌 签字日期：。卯7 年j 月，f 目 1 绪论 1 绪论 1 1 研究植入医学电子器件的意义 生物医学工程( b i o m e d i c a le n g i n e e r i n g , b m e ) 是工程原理和技术在医学领域中 应用的科学和技术，目的是提高人类的健康水平和生活质量。它是工程学科( 例 如，电气工程、电子与通信工程、计算机工程、机械工程等) 和生物医学相结合的 新型交叉学科。 从2 0 世纪6 0 年代起，生物医学工程已为临床医学提供了许多不同功能和种 类的植入医学电子器件。植入医学电子器件是用于诊断、矫正、治疗、康复或实 验等医学目的，并植入生物体内的医学电子器件。本文主要涉及电子式植入医学 器件，简称植入电子器件( i m p l a n t a b l ed e v i c e ) 。 植入电子器件具有光明的、广泛的临床应用前景。投入和即将投入临床应用 的植入电子器件有：心脏起搏器( c a r d i a cp a c e m a k e r ) ，心脏除颤器( i m p l a n t a b l e c a r d i o v c r t c rd e f i b r i l l a t o r , i c d l ，耳蜗假体( c o c h l e a rp r o s t h e s e s ) ，视网膜假体 ( r e t i n a lp r o s t h e s e s ) ，深部脑刺激器( d e e pb r a i ns t i m u l a t o r , d b s ) ，迷走神经刺激器 ( v a g a ln e r v es t i m u l a t o r , v n s ) ，神经肌肉功能刺激器( f u n c t i o n a ln e u r o m u s c u l a r s t i m u l a t o r , f n s ) ，施药系统( d r u gd e l i v e r ys y s t e m ) ，等等。 (a)(” 图1 1 心脏起搏器治疗心搏徐缓( a ) 植入示意图；( b ) 心脏起搏器 f i g u r e l 1t r e a t m e n t so f s l o w h e a r t r h y t h m s ( a ) i m p l a n t a t i o n o f c a r d i a c p a c e m a k e r ( ”c a r d i a cp a c e m a k e r 重庆大学博士学位论文 植入心脏系统的器件有心脏起搏器和心脏除颤器【l 】1 2 】【3 l 。 心脏起搏器是一个能够实际取代心脏电气系统功能的电池供电的植入电子器 件，如图1 1 所示。心脏起搏器植入左胸，导线通过静脉血管将植入心室的电极 和起搏器相联。当心脏起搏器监测到心律不正常( 心跳过慢) 时发出电脉冲刺激心 脏回到正常的心律。心脏起搏器治疗心搏徐缓、心脏衰竭和昏厥等心脏疾病。世 界上大约有2 0 家公司生产心脏起搏器，每年大约3 5 万人植入起搏器( 在美国每年 大1 0 万人植入心脏起搏器) ，他们能正常地学习、工作和享受丰富多彩的生活。 心脏除颤器植入过程与心脏起搏器相似，用于治疗心动过速等疾病。 植入神经系统的器件有：耳蜗假体，视网膜假体，深部脑刺激器，神经肌肉 功能刺激器等植入电子器件【4 h ”】。 图1 , 2 耳蜗假体植入示意图 f i g u r e l 2 i m p l a n t a t i o no f c o c h l e a rp r o s t h e s e s 耳蜗假体是目前商业化最成功的神经植入电子器件f 4 】。由于多家制造商参与 激烈的市场竞争，使得这种听力假体的结构设计十分精细，如图1 2 所示。耳蜗 假体由体内部分和体外部分组成。体内部分是：电极阵列、连接电缆、内部线 圈、接收器和刺激器；体外部分是：外部线圈、发送器、语言处理器和麦克风。 多达2 4 个电极的电极阵列植入耳蜗内；内部线圈、接收器、刺激器植入耳后， 连接电缆将电极阵列和刺激器相联。外部线圈通过永久磁铁固定在内部线圈对应 的体外位置并形成较强的磁耦合。恢复听力的过程是：麦克风接收声音并将其转 换为电信号，经语处理器3 h a - 后送发送器，再经外部线圈和内部线圈的磁耦合将 2 1 绪论 声音电信号送给接收器和刺激器，通过联接电缆刺激器输出的声音电信号到达电 极阵列并刺激听觉神经，患者听见声音。 图1 3 深部脑刺激器用于治疗帕金森病症( a ) 植入示意图；( b ) 深部脑刺激器 f i g u r e1 3t r e a t m e n to f p a r k i n s o n sd i s e a s eu s i n gd e e pb r a i ns t i m u l a t o r ( d b s ) ( a ) i m p l a n t a t i o no f d b s ，( b ) d b s 深部脑刺激用于抑制帕金森疾病引起的症状，例如，振颤、行动迟缓和行走 问题。在药物治疗对帕金森疾病患者不起作用时，可采用深部脑刺激治疗方案。 深部脑刺激由电极、连接器和神经刺激器( 与心脏起搏器相似) 组成【8 】- 【】。在治疗 帕金森疾病时，电极植入到丘脑或下丘脑部位，并经植入在皮下的电缆联接到植 入左胸的神经刺激器，如图1 3 所示。神经刺激器产生的电脉冲刺激丘脑或下丘 脑，抑制帕金森疾病患者的脑电活动，从而抑制帕金森疾病引起的症状。目前人 们尚不知道深部脑刺激器治疗帕金森病的准确机理，但是，知道刺激器产生的电 脉冲干扰了患者的脑电活动。帕金森疾病表现为脑电波高度的同步特征模式。深 部脑刺激器产生的电脉冲中断了这种脑电波的同步模式，抑制了患者周期性的振 颤。 重庆火学博士学位论文 ( a ) ( b ) 图1 4 迷走神经刺激器用于治疗抑郁症。( a ) 植入示意图；( b ) 迷走神经刺激器 f i g u r e1 4t r e a t m e n to f d e p r e s s i o nu s i n gv a g a ln e r v es t i m u l a t o r ( v n s ) ( a ) i m p l a n t a t i o no f v n s ，( b ) v n s 迷走神经刺激器( v a g u sn e r v es t i m u l a t o r , v n s ) 可用于治疗癫痫( e p i l e p s y ) 和抑 郁( d e p r e s s i o n ) 等病症。图1 4 是治疗抑郁症示意刚”】。临床抑郁症定义为心理失 衡，表现为精力不能集中、失眠、无食欲、无快感、极度悲伤、犯罪感等心理问 题。螺旋电极缠绕在颈部左侧迷走神经，连接电缆将其与植入左胸的脉冲发生器 相连。迷走神经本身与大脑相连。神经刺激器产生的电脉冲刺激迷走神经，信号 传递到大脑，使其产生神经传递素，调节患者的认知能力和情绪，达到缓解抑郁 症的目的。 人工视网膜假体【5 1 1 6 7 1 如图1 5 所示。置于镜片上的微型摄像镜头获取视觉图 像数据，经过镜架上的微型图象处理器转换为电信号并处理后送外部天线发送 器，信号被植入眼中的内部天线接收器接收，经眼内的微型电缆到达植入人工视 网膜，电信号刺激患者残留的视觉细胞。通过视觉神经，这些细胞把视觉图像信 号送到大脑，形成生动的视觉图像。人工视网膜假体是最精细、最复杂的植入电 子器件，目前还未用于临床医学。 因此，植入电子器件实际上是一个复杂的机电系统。由于文献中最活跃的词 汇是i m p l a n t a b l ed e v i c e i m p l a n t ，所以译为植入电子器件。植入电子器件可以模 拟器官组织的电现象，实现矫正、治疗、康复等医学功能。植入电子器件也可以 4 1 绪论 检测生物体的生理参数，实现诊断和监护等医学功能。植入电子器件为人类的健 康事业开辟了充满希望的光明前景。 图1 5 人工视网膜矫正示意图 f i g u r e1 5a r t i f i c i a lr e t i n a lp r o s t h e s e s 从心脏起搏器的发展过程可以大致了解植入电子器件的发展历史i l 】。人类第 一例心脏搏器应用是在1 8 7 2 年，起搏器主要由手持电极和3 0 0 v 电池组成【2 】。直 到1 9 7 5 年，肌内电极( e n d o m y s i a le l e c t r o d e s ) 、晶体管、高能电池、环氧树脂封装 等技术的应用，全植入的心脏起搏器才给人类带来福音。从此以后，经过4 0 多 年的发展，心脏起搏器从早期的简单功能( 仅有脉冲发生器) 发展成为可编程的、 多功能的心脏起搏器( 脉冲发生器，心率检测，微控制器，通信电路，电源 重量 ( g ) 掰 篇器m 件 i i 煳 y e a r s 年 图1 6 心脏起搏器和心脏除颤器体积和重量变化趋势 f i g u r e1 6t r e n d si ns i z ea n dw e i g h to f i m p l a n t a b l ed e f i b r i l l a t o r sa n dp a c e m a k e r 重庆大学博士学位论文 调节电路，等等) ，制造技术从简单的晶体管电路技术到大规模集成电路技术，使 心脏起搏器的重量从1 8 0 克减到2 5 克，体积从2 0 0 c c 左右下降到1 0 c o 左右。图 1 6 是心脏起搏器体积和重量的发展趋势，图1 7 是现代心脏起搏器的功能框图， 起搏器系统由电极阵列、联接电缆、检测电路，脉冲发生器、微控制器和存储 器、通信电路、电源电路等组成。 传感 放人器 舌簧 开关 晶体 振荡器 传感 放大器 鬻ll 燃l _ j 磁寄存器ll 数据传输卜_ j 逻辑 控制器 存储器 传感 放大器 传感 放人器 后备起搏 频率控制 r c 振荡器 倍压器 输出 输出 倍压器 图1 7 现代起搏器原理框图 f i g u r e1 7b l o c kd i a g r a mo f m o d e mc a r d i a cp a c e m a k e r 目前，植入电子器件已经形成新型的、发展潜力巨大的植入医学电子器件工 业和充满活力的临床应用市场。根据美国商业通信公司( b u s i n e s sc o m m u n i c a t i o n s c o m p a n y , i n c ) 的出版报告“微电子医学植入器件：产品，技术，机遇 ( m i c m e l e c 咖i l i cm e d i c a li m p l a n t s ：p r o d u c t s ，t e c h n o l o 西部，o p p o r t u n i t i e s ) ”，全球微 电子医用植入电子器件市场2 0 0 3 年估计达9 5 亿美元，并预测2 0 0 4 年增长至1 1 9 亿美元。以年平均增长率( 2 0 0 4 2 0 0 9 年) 2 2 1 的增长速度估计，2 0 0 9 年增至3 2 3 亿美元。植入电子器件市场变化趋势见图1 8 。 心脏植入电子器件在2 0 0 3 年占最大宗市场，销售额达7 3 亿美元，超过整体 医用植入电子器件销售额的四分之三。用于治疗心血管疾病的微电子植入电子器 件种类包括心脏起搏器、心脏除颤器( i m p l a n t a b l ec a r d i o v e r t e rd e f i b r i l l a t o r s ， i c d ) 、心脏再同步治疗器具( c a r d i a cr e s y n c h r o n i z a t i o nt h e r a p y d e v i c e s ，c r t ) 、可 6 1 绪论 植入回路记录器及人工心脏等，此部分以年平均增长率1 8 4 速度增长，2 0 0 9 年 将构成全部销售额的6 5 强。 神经刺激器( n e u r o s t i m u l a t o r s ) 是第二大市场，销售额约为9 4 4 亿美元，但预 测以年平均增长率3 9 6 的速度增长，超过心脏植入电子器件市场的两倍。医疗 配件及辅具( a c c e s s o r i e sa n ds u p p l i e s l 的年平均增长率2 7 5 。亦预期会超越整体 市场的增长。 图1 8 植入电子器件市场变化趋势 f i g u r e1 8m a r k e tt r e n d so f i m p l a n t a b l ed e v i c e s 1 2 植入电子器件的研究现状 一切生命活动总伴随着不同的电化学过程。植入电子器件检测或模拟生命的 电化学过程，实现相应的诊断、矫正、治疗和康复等医学功能，因此，生命的电 化学过程是植入电子器件广泛应用的生理基础。此外，生命活动是最复杂的自然 现象，人们尚不清楚一些疾病产生的机理，所以，人们利用植入电子器件研究这 些疾病。 植入电子器件在生理环境下运行，即有限的生理空间，一定的生理温度，植 入电子器件和生物组织之间发生相互作用。植入电子器件的各种技术组合必须满 足生物兼容性( b i o c o m p a t i b i l i t y1 、抗生物降解作用( b i o r e s i s t a n c e ) 、体积小、功耗 低、在生理温度下可靠运行。 植入电子器件的关键技术是：电极和联接电缆技术，集成电路技术( 微机电系 统，m e m s ) ，通信技术，电源技术，封装技术和植入技术。 重庆大学博士学位论文 1 2 1 电极和联结电缆技术【2 】 电极直接和目标生物组织接触，将植入电子器件的电信号能量传递给生物组 织或者将生物信息传递给植入电子器件，实现植入电子器件即定的功能。为了传 递足够的能量以刺激目标组织，在电极表面必须有足够的电流密度，它与电极的 材料、纤维包装量( a m o u n to ff i b r o t i ce n c a p s u l a t i o n ) 、面积以及电极电压脉冲的宽 度和幅度有关。以心脏起搏器为例，电源能量的大部分用于其输出电脉冲。电脉 冲的强度与诸多因素有关，电极设计是最重要的因素之一。目前，已从面积较大 的珀一铱( p l a t i n u m i r i d i u m ) 材料电极( 3 0 - 4 0 r a m 2 ) 发展为面积较小的电极( 4 _ 1 2 r a m 2 ) ，例如，氧化铱表面的钛( i r i d i u mo x i d e - c o a t e dt i t a n i u m ，) 电极，氮化钛 ( t i t a n i u mn i t r i d e ) 电极，黑珀( p l a t i n u mb l a c k ) 电极，碳化锰( p y r o l i t i cc a r b o n ) 电极。 这些优秀的电极大大地减少了驱动能量，延长了电池的使用寿命。 早期的联接电缆直径为5 - 6 m m ，长度可达2 5 m m 。现在直径为3 2 m m ，长度 为5 0 r a m 。双电极采用同轴联接器技术，大大地减少了双极起搏器联接电缆的尺 寸。电缆的绝缘材料可采用硅树) j 旨( s i l i c o n e ) 、多尿苷酸( p o l y u r e t h a n e s ) 等。 因为电极和联接电缆直接与目标生物组织接触，上述材料都应满足生物兼容 性( b i o e o m p a t i b i l i t y1 和抗生物降解作用( b i o r e s i s t a n c e ) 的要求。 1 2 2 通信技术【1 3 】。【1 6 】 通常植入电子器件分成体外部分和体内部分。原因是：( 1 ) 有限的植入部位空 间限制了植入电子器件的体积( 例如深部脑经刺激器，其作用的目标器官是脑部， 允许的植入空间很小，否则会妨碍脑的正常功能) ；( 2 ) 有限的电源能量限制了植 入电子器件的电子电路规模；( 3 ) 某些植入电子器件的信息源在体外，如视网膜假 体和耳蜗假体；( 4 ) 医生是治疗过程的控制者，必须知道患者生理参数和植入电子 器件的状态参数，发出指令控制植入电子器件的工作。 数据 时钟 ( b ) 图1 9 射频通信技术框图( a ) 数据发送器框图；( b ) 数据接收器框图 f i g u r e1 9b l o c kd i a g r a mo f r fc o m m u n i c a t i o n ( a ) t r a n s m i r e r , c o ) r e c e i v e r 8 数据 时钟 1 绪论 植入电子器件的体外部分和体内部分的通信分为有线( p c r c u t a n c o u s ) 和无线 ( t r a n s c u t a n e o u s ) 方式。目前，植入电子器件实用的通信方式是无线射频( r f ) 通信 【1 7 】 2 0 1 ，原理框图如图1 9 所示。利用发射线圈和接收线圈间的电磁耦合实现射频 通信。此外，电磁耦合也可将体外能量传递到体内，为植入电子器件供电。 1 2 3 封装技术 2 3 】 2 4 】 没有适当的封装技术就没有临床应用的植入电子器件。 集成电路常用的封装材料在生物学环境下是不稳定的，所以必须采用与其不 同的封装材料。封装材料必须满足生物兼容性( b i o c o m p a t i b i l i t y ) 和抗生物降解作 用( b i o r e s i s t a n c e ) 的要求。 在心脏起搏器中，集成电路和电池密封在钛盒内。目前，钛是最佳的满足生 物兼容性( b i o c o m p a t i b i l i t y ) 和抗生物降解作用( b i o r e s i s t a n e e ) 要求的材料。由于锂 离子电池不产生气体和能量密度高，体积小，可全密封在钛盒内。所以，锂电池 是用在心脏起搏器中理想的电池。 在神经假体( n e u r o p r o s t h e s e s ) 中，由于神经组织较脆弱、神经元密度高、神经 组织间的相对运动和加速度等的影响，神经假体的封装必须满足下述要求：( 1 ) 生 物兼容性；( 2 ) 抗生物降解作用；( 3 ) 尺寸t j 、( s m a l ls i z e ) ；( 4 ) 与神经组织相匹配的封装 密度；( 5 ) 占据相邻组织结构的空间最小。 1 2 4 集成电路技术( 微机电系统，m e m s ) t 1 3 】 2 1 】 2 2 】【2 6 】 植入电子器件通常具有目标组织的生理参数检测、刺激功能、信号处理、数 据通信等功能。因此，现代植入电子器件通常可包含微处理器、存储器、传感 器、信号处理电路、功能电路( 刺激电路或检测电路) 、通信电路等。图1 1 0 是一 种植入电子器件的原理框图。体外部分和体内部分通过射频耦合实现数据通信。 功能如此复杂的电子系统必须采用集成电路技术实现。 植入电子器件的电子线路集成化是植入电子器件微型化的唯一途径。c m o s 集成电路技术具有集成度高、功耗低、可靠性高等优点，因此，植入电子器件通 常采用c m o s 工艺。某些植入电子器件除了电子元件外，还包含有微机电元件， 形成微机电系统( 例如，施药系统) ，必须采用m e m s 技术制造。 9 重庆大学博士学位论文 体外单元 电能遥感发送 - + 逆向数据遥感发送 + 一 体内单元 图1 1 0 一种植入假体的框图 f i g u r e1 1 0 a g e n e r i c b l o c k d i a g r a m o f a n i m p l a n t a b l e p r o s t h e s i s 1 2 5 植入技术 2 5 】 将植入电子器件植入人体或动物体内有2 种方式：注射植入和手术植入。注 射植入电子器件的体外部分和体内部分的通信采用无线方式，而手术植入电子器 件则有无线和有线方式。 一种有线神经接1 ( p e r e u t a n e o u s n e u r a li n t e r f a c e s ) 如图1 1 l 所示。电缆将体内 的电极和体外的计算机及专用硬件设备相联。这种方式避免了无线通信的干扰， 可以准确采集人或动物大脑的科学实验数据，进行神经科学的研究。很明显，这 类手术植入的方式极易感染，是高度侵入的，只能用于科学研究。 无线的手术植入方式见图1 1 到图1 5 。现代植入电子器件通常采用这种无线 的手术植入方式。信息和能量传递通过皮肤，但没有损伤皮肤的导线。不破坏皮 肤的生理保护功能。 1 0 1 绪论 图1 1 1 有线神经接口 f i g u r e1 11p e r c u t a n e o u sn e u r a li n t e r f a c e 注射植入采用l o 号或1 2 号皮下注射针，将米粒大小的植入电子器件注射植 入到皮下的目标部位【2 5 1 。这种方式首先用于动物的射频标识( r a d i of r e q u e n c y i d e n t i f i c a t i o n ，r f i d ) 。图1 1 2 是注射式微刺激器植入手瘫痪患者的示意图。外部 控制器通过螺旋线圈发送数据和能量，微刺激器内的微型线圈接收射频信号，并 按接收到的参数产生电脉冲，刺激肌肉产生相应的动作。 图1 1 2 注射植入微型刺激器 f i g u r e1 1 2i n j e c t i v ei m p l a n t a t i o no f m i c r o s t i m u l a t o r s 注射植入方式简单易行，费用低廉，但对植入电子器件的体积有严格的限 制。手术植入方式费用昂贵，在美国一例心脏器搏器的植入费用超过1 万美圆。 1 2 6 电源技术 电源技术不仅为植入电子器件可靠运行提供必要的能量保障，而且是影响植 入电子器件功能、小型化、寿命的主要因素之一。 到目前为止，见诸文献报道的植入电子器件的供电方法有：( 1 ) 电池技术 ( b a t t e r yt e c h n o l o g y ) ；( 2 ) 核能技术( n u d e a rp o w e rt e c h n o l o g y ) ；( 3 ) 磁感应技术 ( m a g n e t i ci n d u c t i v et e c h n o l o g y ) ；( 4 ) 热电技术( t h e r m o e l e c t r i ct e c h n o l o g y ) ( 5 ) 生 物燃料电池技术( b i o f u e lc e l lt e c h n o l o g y ) ；( 6 ) 光电池技术( p h o t o v o l t a i c 重庆大学博士学位论文 t e c h n o l o g y ) ；( 7 ) 微电机技术( m i c r o g e n e r a t o rt e c h n o l o g y ) ；( 8 ) 超声换能技术 ( u l t r a s o n i ct r a n s d u c e rt e c h n o l o g y ) 。 电池技术( b a t t e r yt e c h n o l o g y ) 1 1 0 2 1 电池将化学能转换为电能。适宜植入电子器件的电池有汞锌电池、镍镉电池 和锂碘电池。由于锂碘电池具有能量密度大、空载电压高、自放电小和锂碘电池 不产生气体等优点，自1 9 7 2 年以后心脏起搏器都采用锂碘电池，它和起搏器的 集成电路封装在钛盒里，减小了起搏器的体积。 锂碘电池中锂( l i t h i u m ) 是阳极，碘( i o d i n e ) 和聚乙烯吡咯烷酮复合 ( p o l y v i n y l p y r i d i n e ，p v p ) 是阴极。阳极反应、阴极反应分别是： 三f 一广+ e l + 2 e 一- 2 r 综合反应是： 2 l i + 厶寸2 l i l 在化学反应过程中形成的碘化锂既作为电池的隔离器，又作为电池的固体电 解质。碘化锂在体温下是锂离子的良导体，但不是电子和碘离子的良导体。所 以，在电池内部只有锂离子的运动形成电流。由于电解质和隔离器是自形成和自 愈的，不产生气体，锂碘电池具有与生俱来的可靠性。 由于植入目标组织处的空间限制，植入电池的容量有限。当电池能量耗尽 时，植入电子器件停止工作。对于心脏起搏器，锂离子电池的理论设计寿命是5 7 年，但实际寿命是2 5 年。另一方面，植入电池占总体积的比例超过5 0 ，是 妨碍植入器件微型化的关键因素。 核能技术( n u c l e a rp o w e rt e c h n o l o g y ) t l l 1 2 1 相对于普通患者的寿命而言，核能可以为植入电子器件提供无限的能量。钚 2 3 8 ( 2 3 8 p u ) 的半衰期是8 7 年，用这种裂变材料产生可控的热量，通过热耦合将其 转换为电流。但是，由于钚的发火特性，必须把它置于精密的绝热单元中，因 此，体积较大而且重。在美国，如果使用这种核能电池的患者出国旅行，必须向 原子能委员会报告，给患者带来不便。尽管钚2 3 8 核能电池使起搏器寿命长达2 0 年，但植入这种起搏器的数量不到总量的于l 。 磁感应技术( m a g n e t i ci n d u c t i v et e c h n o l o g y ) 目前，在神经接口州e n r a li n t e r f a c e ) 类植入电子器件中，磁感应耦合是通信和 能量传递的主要方法。磁感应能量传递原理如图1 1 3 ，功率放大器将外部电池的 电能转换为射频交流电，通过体外线圈和体内线圈的磁耦合将能量传递到体内， 经过高频整流后送植入电子器件的储能元件或负载【1 8 】【2 7 l 书”。磁感应技术可将丰 富的体外电能传递到植入电子器件，具有广泛的临床应用，但能量传递效率较 1 2 1 绪论 低，并且对附近的医疗设备产生射频干扰。 原边刚m 孵蛐电b 螂 电池 国督画 图1 1 3 磁感应能量传递原理 f i g u r e1 1 3e n e r g y d e l i v e r y b y m a g n e t i ci n d u c t i o n b d 负载 光电池技术( p h o t o v o l t a i ct e c h n o l o g y ) 1 3 2 i i 删 光电池能量传递原理框图见图1 1 4 。外部电流通过体外发光二极管产生近红 外光，经透镜和皮肤后照射到光电二极管或光电三极管，近红外光被转换为电 流，向植入电池充电。由于皮肤吸收光能，产生热而使温度增加，能量转换效率 低。未见此法的临床应用。 图1 1 4 光电池能量传递原理 f i g u r e1 1 4e n e r g yd e l i v e r yb yp h o t o v o l t a i ct e c h n o l o g y 热电技术( t h e r m o e l e c t r i ct e c h n o l o g y ) 1 3 5 1 2 0 0 3 年美国专利u s6 6 4 0 1 3 7b 2 公布了利用生物组织的热能为植入电子器件