心脏起搏器体导电能量传递技术研究

摘 要：随着科技的发展和进步，科学家逐渐研制出各种电子设备来弥补人身体的缺陷，例如：对下肢麻痹的人进行肌肉刺激，刺激神经系统来控制帕金森症，人造眼，耳蜗移植，助听器，心脏起搏器等。心脏起搏器是一种医用电子仪器，它通过发放一定形式的电脉冲，刺激心脏，使之激动和收缩，即模拟正常心脏的冲动形成和传导，以治疗由于某些心律失常所致的心脏功能障碍。心脏起搏器通过不同的起搏方式纠正心率和心律的异常，以及左右心室的协调收缩，提高患者的生存质量，减少病死率。近年来随着新材料、化学工程、电子技术及其自动控制技术的发展和进步，心脏起搏器的发展明显加快。许多不同学科的研究者们致力于从各自的领域改进现有的心脏起搏器，他们的最终目标是实现心脏起搏器真正意义上的永久植入，代替或部分代替自然心脏的功能。

关键词：心脏起搏器;体导电;能量传递;技术

心脏起搏器（Cardiac Pace maker）是一种利用外在的电信号替代体内电信号，刺激病人心跳的辅助医疗器械。根据功能和结构的不同，心脏起搏器可以分为多种类型。一切心脏起搏器都需要电能，电源技术则为其可靠运行提供能量保障，并且是影响其功能、寿命、小型化的关键性技术之一。采用体导电能量传递系统为心脏起搏器供电，没有导线穿透皮肤，无射频干扰，既可以获得较高的能量传递效率，又有利于整个器件的微型化。

供能电源是确保心脏起搏器长期正常可靠稳定运行的关键技术之一，从应用的功能设置来看可分为外置型与内置型和固定型与可移动型。从实用性来看，可以移动的内置电源最为理想。想实现这一目标只有寄托于供电电源技术的进一步的发展。目前主要有三个研究方向：高能电池、高效储能电瓶、经皮充电系统。

心脏起搏器是一个能够实际取代心脏电气系统功能的植入电子器件，用于治疗心脏衰竭、心搏徐缓和昏厥等心脏疾病。植入手术时，在左胸处通过钝性分离胸大肌与皮下组织形成一个起搏器大小的皮下囊袋，将含有电池和集成电路的起搏器植入其中，导线经静脉血管将植入心室的电极和起搏器相联。当心律不正常时，心脏起搏器发出电脉冲刺激心脏恢复正常的心律。

一、心脏起搏器的系统结构

心脏起搏器系统装置包括脉冲发生器（pulse generator） 即起搏器本身和电极—导线这两部分组成。

1、脉冲发生器

脉冲发生器的最主要功能是释放脉冲电流去刺激心脏起博。这样就要求它小、轻、薄、功能多、寿命长并且安全可靠。根据功能脉冲发生器包括：

（1）能源

绝大多数起搏器采用化学电池。目前基本上都采用锂电池。锂电池根据其化学成分的不同，分为锂—碘、锂—氯化银、锂—亚硫酞氯、锂—溴和锂—硫化铜等品种。他们的共同特点是能量密度高、可靠性好。

（2）电路

脉冲输出电路基本上由电容充放电完成。发出矩形脉冲，一般采用脉宽为0.5-0.6毫秒。脉冲太宽则耗电量大，影响起搏器寿命;脉冲太窄则起搏闭值要升高，影响起搏器的安全可靠性能。恒压输出电路加上负载以后，矩形脉冲顶部出现斜坡，其斜率反映起搏系统的阻抗。常用起搏器感知电路要求心内R波>2毫伏，P波>1.5毫伏，斜率>0.5伏/秒，才能感知。

（3）外壳

电池及电路必须严密封装载外壳中，使体液不能渗入起搏器，起搏器的内容物不能漏出外壳。为了达到这个要求，通常使用钦壳封装。检验标准为氦气外逸速度<1×10-8立方厘米标准状态氦/（分钟·大气压）。

2、电极—导线

脉冲发射发送的脉冲，由电极—导线传输到心脏。心脏跳动的信号也通过电极—导线传送到起搏器。无论刺激脉冲的传送还是信号的传送，回路中的阻抗是个非常重要的因素。该阻抗大致要求在500-1000欧姆范围内。它由三部分组成：①导线本身的电阻，约50-150欧姆;②心肌及身体组织的电组。这是因为电极植入后，早期心肌局部有水肿及炎性反应，晚期有纤维组织形成，都要影响系统阻抗;③电极—心肌界面的极化阻抗。它的大小与电极的材料、面积、造型有关。

埋藏式起搏器系统的电极，按照它接触心肌的方式而分类。基本上分为外膜电极（电极贴靠心外膜面）、心内膜电极（电极贴靠心内膜面）、心肌电极（电极刺入心肌内）三种方式。目前多使用心内膜电极。

二、电极材料的选择

体导电向心脏起搏器的起搏器传递能量过程中总要有一定的电流通过电极进入生物体和植入器件回路。电流在生物体内时靠离子传导，在电极和导电线中是靠电子传导的，而在电极和溶液界面上则是将离子电流变成电子电流或将电子电流变成离子电流，从而使生物体和植入器件体系构成了电流回路。为了把体外电流引入体内植入器件，电极必须具备电流的传导能力。当电流流经一对电极时，在电极与电介质溶液的双电层界面会出现电极激化现象并产生极化电压，不利于电流传递。不同材料电极的极化特性不同，电极可分为极化电极和非极化电极两种。极化电极是在给电极施加电压和通入电流时，在电极和电解质溶液界面上无电荷通过，而有位移电流通过的电极，例如，Ag、Pt、和Au等惰性金属制作成的电极。非极化电极是指那些不需要能量，电流能自动通过电极和电解质溶液界面的电极。非极化电极不存在超电压。实际上完全不需要能量而电流自动通过电极和电解质溶液界面的电极是不存在的。但是特性接近这种电极性能的电极还是有的，例如，常用的Ag/AgCl电极和甘汞电极等。由于非极化电极的独特优点，用于体导电系统中可有效控制因极化效应而产生的电极皮肤的接触阻抗，且性价比高，还能重复使用，是最适合体导电能量传递系统参比电极材料的要求的。因此本文采用银/氯化银（Ag/AgCl）作为参比电极。它的反应式为：AgCl+e-=Ag+Cl-。

三、体导电能量传递系统的优化分析

皮肤电极单元的等效电路中的阻抗是呈容性的，人体或生物体的细胞膜、器官的膜和皮肤的角质层都能为系统贡献容性阻抗，且与具有导电能力的体液中的带电离子是并行存在的，因此，可以用电阻元件与电容元件的并联来模拟皮肤单元的阻抗。由于人体皮肤是由无数个细胞排列组成的，细胞膜及其它组织薄膜的存在而为皮肤单元贡献容性阻抗，从体内外电极之间纵向来看，如果把每个细胞的两端薄膜看成一个微型电容，则皮肤单元相当于由无数个电容串并联而成;细胞之间充满着离子型体液，从外电极到内电极就可以看成一个电阻元件。

参考文献

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[2] 钟顺时，钮茂德.电磁场理论基础[M].西安：西安电子科技大学出版社，1995.

[3] 何为，罗辞勇.电阻抗成像原理[M].北京：科学出版社，2009.

[4] 颜威利，徐桂芝.生物医学电磁场数值分析[M].北京：机械工业出版社，2006.

作者简介：

侯德明（1981-），男，土家族，重庆酉阳人，硕士，重庆水利电力职业技术学院电气工程系，讲师，研究方向：电气工程及其自动化。

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