心脏起搏器的能源

2．6　心脏起搏器的能源

心脏起搏器的能源（电池）对埋藏式起搏器来说很重要，能源的寿命就是起搏器的寿命。能源寿命长，则可减少更换起搏器的次数，这是设计人员和临床医师十分关心的问题。

1．起搏器电池的发展

在起搏器发展过程中，试验过许多种类的能源，包括压电、生物电、核电、生物化学电以及其他种类的固态与非水电解质的电化学电池，曾经在埋藏式起搏器中实际使用过的电池有：镍/镉电池、锌/汞电池、核同位素电池以及几种类型的锂电池。镍/镉电池能通过感应线圈在体内充电，但这种充电需要通过患者身体，对人体有潜在威胁；锌/汞电池内阻低，放电性能平坦，但有漏碱、胀气、自放电大、搁置寿命短等缺点；核素电池虽寿命可达20年是最长的，但其价格昂贵，并且放射线需要严格防护，体积和重量均较大，难以推广。当锂电池发明后逐渐成为起搏器的主要能源。锂电池中用金属锂制成阳极。初期设计中用过许多种不同材料做阴极，曾经用到起搏器中的锂电池有五六种：锂/铬酸银电池，锂/硫化铜电池，锂/氯亚硫酰电池，锂/碘化铅电池，锂/二氧化锰电池，锂/碘电池等。综合比较各种性能后，锂/碘电池最优，现在几乎所有起搏器都使用锂/碘电池。

2．锂/碘（Li/I₂）电池的电化学原理

锂/碘电池的组成为：锂为阳极，碘为阴极，之间是碘化锂电解质（见图2．33）。锂原子（Li）易氧化释放一个电子形成锂离子（Li^＋），但碘化锂电解质不导电，使许多锂原子释放的电子形成积累。当电池接通负载后，在电池外部，电子从阳极流出形成电子流，通过负载到达阴极，与碘（I₂）结合形成碘离子（I^－）。在电池内部，Li^＋与I^－相互吸引流动，形成电池内电流，并结合形成碘化锂（LiI）。此电池的基本反应式为

2Li＋I₂→2LiI　　（2．10）

图2．33　锂/碘（Li/I₂）电池电化学反应原理图

上述的阴极和阳极是指电化学的阴阳极，与电池使用中的正负极不同。电池正极是化学阴极，电池负极是化学阳极。常用的电流i方向与电子e^－的流动方向相反，所以在电池外部，电流是从正极输出并通过负载流向负极。

3．锂/碘（Li/I₂）电池的结构

锂/碘电池结构的截面示意见图2．34。在这种结构中，锂制的阳极板位于中心，为增加表面积而做成波纹状，并在表面预先涂复一层纯聚乙烯嘧啶（PVP）。阴极材料是碘与聚乙烯嘧啶的混合物，填压在阳极波纹板四周。这一聚乙烯嘧啶材料对电池的电性能改善有极重要的效果，它与碘混合使不导电的碘成为良好的导体。不锈钢外壳则作为盛放阴极材料的盒子，并作为阴极电流收集器。阳极引出端通过导线与阳极板相连，并用玻璃固定在外壳上，玻璃的作用是密封、固定并使阳极与外壳绝缘。阴极引出端则直接与外壳连接。

图2．34　锂/碘（Li/I₂）电池的内部结构

4．电池的性能、容量与寿命

锂/碘电池的放电特性见图2．35。新电池的开路电压是2．8V，随着电池的放电，电解质厚度逐渐增加，引起电池内阻逐渐增加，使得电池输出电压逐渐下降。指示电池使用期结束（EOL）的指征电压约2．1～2．4V以及电池内阻5～10kΩ（不同厂家有所不同），当接近此电压时必须及时更换，一般是更换整个起搏器，而不仅是电池。

图2．35　锂/碘电池的放电特性图

电池容量E以安培小时（Ah）计，常用的容量有2Ah。在典型应用情况下，起搏脉冲幅度U_p＝5V，脉冲宽度t_p＝0．5ms，若人体组织内阻抗R＝500Ω，起搏频率f＝70次/min，则一个电极平均输出电流I可由下式得出：

如果起搏器有一个以上电极，加上起搏器内部控制、分析处理电路的消耗等，起搏器总工作电流应大于上述几倍，按照目前典型应用情况，起搏器平均总工作电流I_∑≈25μA，能量消耗约125_μW。那么电池的预期寿命t为：

在可预见的将来，植入式起搏器的能源将仍然主要是锂/碘电池。未来，电池技术的进展将会使其体积更小，因而使得起搏器新设计的形状和体积更符合植入手术的要求。以及电池自放电性能的改善，会使植入式起搏器的使用寿命更长。