有源植入式醫療器械的電池技術發展

【作 者】馬伯志，郝紅偉，李路明

清華大學神經調控技術國家工程實驗室，北京市，100084

有源植入式醫療器械的電池技術發展

【作 者】馬伯志，郝紅偉，李路明

清華大學神經調控技術國家工程實驗室，北京市，100084

有源植入式醫療器械近年來成為醫療器械的熱點，電池是這類裝置最關鍵的部件，多種電池被開發出來滿足了不同的植入應用，這些電池有著相同的需求，包括高安全性、高可靠性、高能量密度、長壽命、良好的壽命指示等，該文介紹了有源植入裝置電池的應用歷史、現狀和展望。

有源植入；電池；能量密度；氧化銀釩；氟化碳

自1960年第一臺植入式心臟起搏器應用以來[1]，各種各樣由電池供電的有源植入式醫療器械已被廣泛應用于檢測和治療各種疾病，如植入式心臟起搏器與除顫器、多種神經刺激器（包括腦起搏器、脊髓刺激器、迷走神經刺激器、骶神經刺激器、膈神經刺激器等）、藥物泵、心電記錄器等。以植入式心臟起搏器為例，現在全世界每年有超過500 000個心臟起搏器被植入人體[2]，這些有源裝置植入人體長期使用，最關鍵的一個部件是供電電池，由于特殊的植入人體應用條件，電池需要滿足植入式醫療儀器的幾個主要要求：高安全性與可靠性，長壽命穩定性，高能量密度等。本文主要介紹有源植入式醫療器械使用的電池應用歷史與發展現狀。

1 有源植入式醫療器械的電池應用歷史

有源植入式醫療器械電池應用的歷史，美國的Greatbatch公司扮演了非常重要的角色，它的創始人Wilson Greatbatch被公認在1960年發明了世界上第一臺植入式心臟起搏器，當時所用的電池為鋅-氧化汞電池，自此氧化汞電池一直持續使用10年以上，但氧化汞電池有著明顯的缺點，包括：產生氫氣，使其無法做到真正的密封性；自放電高，壽命較短，使得植入產品的壽命小于兩年；電池耗盡指示困難等[2]。之后核電池被開發并用于心臟起搏器，雖然它有比較高的可靠性和長的壽命，但核電池所用放射性元素的毒性以及其相當長的半衰期是其致命的弱點，實際應用數量和時間都比較短。在這段時間也有可充電心臟起搏器被研發并使用，所使用的是鎳鎘（Nickel-Cadmium）可充電電池，但是隨著后來高密度鋰一次電池的使用，這種充電電池也逐步退出在有源植入裝置的使用。

在十九世紀70年代早期鋰電池被研制出來，Greatbatch先生認為電池是心臟起搏器最重要的部件而且是需要進一步解決的問題，因此在1970年建立了Greatbatch公司，專注于有源植入裝置電池的開發。Greatbatch公司取得了鋰碘電池技術的專利授權，進行了進一步的技術優化并申請了多項相關專利，之后將其應用到心臟起搏器，1972年第一個鋰電池供電心臟起搏器植入人體[3]，所用鋰電池是鋰碘（Li/I2）電池。鋰電池的應用是有源植入裝置電池的里程碑，它很好的解決了可靠性和長壽命的問題，在之后的幾年里鋰電池迅速完全取代了氧化汞等以前的各種電池，現在基本上所有的有源植入式醫療器械都采用鋰電池作為電源。事實上直到現在鋰碘電池仍是功耗較低的心臟起搏器最廣泛使用的電池，除了鋰碘電池，還有其他多種陰極材料的鋰電池被開發應用，包括Li/Ag2CrO4（鋰/鉻酸銀）電池、Li/SOCl2（鋰/亞硫酰氯）電池、Li/CuS（鋰/硫化銅）電池、Li/MnO2（鋰

/二氧化錳）電池、Li/CFx（鋰/氟化碳）電池、Li/ SVO（鋰/氧化銀釩）電池等[4]。

2 有源植入式醫療器械的電池應用現狀

除了高安全型和可靠性的基本要求，植入電池的關鍵的性能包括：能量密度、功率密度、自放電、放電曲線等。能量密度越高，相同容量的電池體積越小；功率密度越高，相同體積的電池放電功率越大；自放電越小，浪費的壽命越少；放電曲線斜度大，更容易估算電池電量，進行壽命提示。

心臟起搏器行業起源于美國，而且已經有半個世紀的發展歷程，所以目前經過大量臨床驗證滿足有源植入式醫療器械應用的電池主要由美國的幾個專業公司生產，Greatbatch公司一直是植入應用電池技術的領導者，占據了商用植入電池的絕大部分市場份額。國產電池在植入應用上還有很長一段路要走，需要經過大量長時間的測試與臨床驗證。

現在絕大多數有源植入式醫療器械所用的電池都是鋰電池，為了滿足不同的應用需求，多種不同陰極材料的鋰電池被開發應用，包括鋰一次電池和鋰離子可充電電池，目前主要使用的鋰一次電池有：Li/I2、Li/SOCl2、Li/CFx、Li/SVO、Li/MnO2、Li/HCSVO、Li/SVO-CFx。這些電池都能夠滿足有源植入式醫療器械對于可靠性和長壽命的要求，主要區別在于能量密度和輸出功率等性能，Li/I2電池主要應用于低輸出功率的裝置，Li/SOCl2和Li/CFx電池主要用于中等輸出功率的裝置，Li/SVO和Li/MnO2主要用于高輸出功率的裝置，Li/SVO-CFx電池是最新的技術，很好的集成Li/SVO高輸出功率和Li/CFx高能量密度兩方面的優勢，應用范圍更寬。

2.1 Li/I2電池

Li/I2電池的陰極材料為Iodine和Polyvinylpyridine（PVP）的混合物[5]，它基本的化學反應方程式為：Li + 1/2I2→ LiI，開路電壓為2.8 V。它的主要特點是能量密度高，放電電流低（小于100 μA），應用時間長，成本低。從上世紀七十年代到現在已有超過40年的應用，目前仍是消耗電流較低的植入有源裝置（如常規的心臟起搏器）的主要應用電池。

2.2 Li/SOCl2電池

Li/SOCl2電池陰極材料為SOCl2，基本化學反應方程式為[6]：2Li + SOCl2→2LiCl + 1/2S + 1/2SO2，開路電壓3.6 V，它的輸出電流為mA級，在很長一段時間內滿足了中等電流需求的應用，如Medtronic公司的Activa系列腦深部電刺激器（DBS）早期產品（Soletra）使用的就是Li/SOCl2電池。但電池技術發展到今天，Li/SOCl2電池與新出現的電池技術相比有明顯的幾點不足：其常溫中等電流密度放電時，放電曲線極為平坦（如圖1所示），不利于電池壽命的提示；其自放電率較高，達2～3%每年；而且其能量密度相比于后來出現的Li/CFx電池及Li/SVO-CFx等電池又偏低[6]。這種電池在逐步退出植入應用，被其他性能更優的電池替代，Medtronic公司的腦深部電刺激器從2003年FDA批準的Kinetra產品開始，已不再使用這種電池，改為Li/CSVO電池，2009年批準的最新的腦起搏器產品Activa PC又改為Li/HCSVO電池，后面會進一步介紹。

圖1 Li/SOCl2電池放電曲線[10]Fig.1 Li/SOCl2battery discharge curve

2.3 Li/SVO電池

植入式心臟復律除顫器（ICD）的出現對電池的電流輸出能力提出了更高的要求，其主要原理是檢測心室顫動，并通過高能量的電刺激對其進行抑制，它在電刺激時需要很高的脈沖電流（2-3A）[7]，Greatbatch公司在1982年開發了Li/SVO電池并申請了相關專利[8]，在1987年第一個Li/SVO電池供電的除顫器被植入人體。商用的Li/SVO電池的陰極材料為Ag2V4O11[9]，其基本化學反應方程式為：Ag2V4O11+ 7 Li → Li7Ag2V4O11，開路電壓為3.2 V。它的主要特點是電流輸出能力高，脈沖輸出電流能達到安培量級，它還具有斜度放電曲線，如圖2所示，可以更好的估算電池的壽命。在2000年以前它基本是需要高輸出電流應用最廣泛的電池，現在仍然有電池廠家提供這種電池。

2.4 Li/MnO2電池

Li/MnO2電池陰極材料為MnO2，基本化學反應方程式為：MnO2+ Li → LiMnO2，開路電壓為3.3 V。這種電池也在一段時間內滿足了植入除顫器等中高電流應用需求，但隨著CFx和Li/SVO電池的出現，Li/

MnO2有被取代的趨勢，Greatbatch公司產品線不提供植入用Li/MnO2電池。

圖2 Li/SVO電池放電曲線[11]Fig.2 Li/SVO battery discharge curve[11]

2.5 Li/CFx電池

隨著植入式藥物泵及神經刺激器的出現，又提出了對中等電流輸出能力的電池的需求，1995年Greatbatch公司將Li/CFx電池引入植入醫療應用[12]。Li/CFx電池的陰極材料為CFx，其基本化學反應方程式為：CFx+ x Li→C + x LiF，開路電壓3.3 V。它的主要特點是能量密度非常高，電流輸出能力為mA量級，自放電低到可以忽略，極高的安全性和壽命穩定性。據Greatbatch公司介紹，Li/CFx電池目前廣泛應用于中等電流需求的有源植入裝置，一些高級的心臟起搏器也有使用Li/CFx電池。

2.6 Li/HCSVO電池

1992年采用SVO和CFx兩種材料混合物作陰極的電池被提出[13]，筆者引用Medtronic公司產品手冊里的寫法將這種電池表示為Li/HCSVO（Hybrid combined silver vanadium oxide）電池，該電池采用Ag2V4O11和CFx的混合物作為陰極，Li/SVO電池具有高安全性、高輸出功率和優良的電池耗盡指示等優點，Li/CFx電池具有高安全性、高能量密度、長期穩定性和極低的自放電等優點，兩者的能量密度和功率密度性能對比如表1所示。Li/HCSVO電池能夠將兩者的優點結合，既具有較高的放電功率又具有較高的能量密度，同時還具有優良的電池耗盡指示性能。美國的Medtronic公司在1999年首次將該電池引入植入除顫器使用，之后陸續使用到心臟起搏器、植入式藥物泵、植入式神經刺激器等[14]，如Medtronic公司的最新腦深部電刺激器Activa PC和Activa SC以及最新的脊髓刺激器PrimeAdvanced所用的HCSVO[15]電池就是這種SVO和CFx混合物作為陰極的電池。

表1 Li/SVO和Li/CFx對比[16]Tab.1 Comparison of Li/SVO and Li/CFx[16]

2.7 Li/SVO-CFx電池

Li/HCSVO電池將SVO和CFx物理混合物作為陰極，雖然結合了兩種材料的優點，但還沒有將各自的優點發揮到極致，即這種電池能量密度相對于純的CFx電池低，放電功率相對于純的SVO電池也會低。Medtronic公司在2005年發表的文章中提到Li/HCSVO電池的一種新的替代技術正在開發中[14]，這種新技術就是Greatbatch公司在2000年提出的三明治陰極結構的電池技術[18]，如圖3所示。這種電池的陰極由兩層SVO、兩層集流體和一層CFx的三明治層疊結構組成，稱為Li/SVO-CFx電池，這種電池更好的集成了SVO和CFx材料各自的優點，相比于SVO和CFx混合物做陰極的HCSVO電池具有更高的放電功率和更高的能量密度，同時其自放電更低，并具有更優良的電池耗盡提示性能[16]。

圖3 Li/SVO-CFx電池陰極層疊結構Fig.3 Li/SVO-CFx battery cathode sandwich structure

Greatbatch公司基于這種新的技術針對高功率和中低功率應用推出兩種系列電池QHR和QMR，是目前世界上技術最先進的植入應用的鋰一次電池，第一個QHR電池在2005年被植入人體。最新出現的一些有源植入式醫療器械大部分采用Greatbatch公司的QHR和QMR系列的電池，如Neuropace公司在2013年11月獲得FDA批準的RNS植入式神經刺激系統用的電池就是QMR系列的2570型號電池[19]，RNS是一種先進的帶腦電信號采集功能的閉環神經刺激器，用于治療癲癇；St Jude Medical公司在2010年7月將多個型號心臟復律除顫器（ICD）和心室再同步心臟復律除顫器（CRT-D）向FDA申請改為QHR系列的電池[20]；Boston Scientific公司在2011年11月也將多個型號的

CRT-D和ICD向FDA申請改為QHR系列的電池[21]；我國北京品馳醫療設備有限公司（簡稱“品馳公司”）生產的G101A、G102等型號腦深部電刺激器也是使用Greatbatch公司QMR系列的Li/SVO-CFx電池。引用品馳公司和Medtronic公司的兩個同類產品對比可以反映Li/SVO-CFx電池相比于HCSVO電池的優勢，如表2所示，品馳公司的G102型腦深部電刺激器（Li/ SVO-CFx電池）相比于Medtronic公司的Activa PC型腦深部電刺激器（HCSVO電池），電池容量更大，重量更輕。

表2 品馳與Medtronic產品對比Tab.2 Device comparison of PINS and Medtronic

2.8 Li-ion可充電電池

針對有源植入式醫療器械更進一步的需求，比如更高的平均功耗、更長壽命和更小體積，近幾年鋰離子（Li-ion）可充電電池被引入植入應用。與一次電池相比，鋰離子可充電電池具有更高的電壓、尺寸更小、能量密度低，但可以有幾百上千次充電循環，它可以使植入裝置做的更小，同時還可以在很長壽命里提供很高的功率。經過植入電池廠家進一步的可靠性設計以及詳細的測試驗證，鋰離子電池目前各方面的性能均已能夠滿足植入醫療的應用，如Medtronic公司的RestoreUltra脊髓刺激器和Activa RC腦深部電刺激器、St Jude Medical公司的EonMini脊髓刺激器、Boston Scientific公司Precision脊髓刺激器、我國品馳公司的G102R腦深部電刺激器等都使用Li-ion充電電池，其中品馳公司的G102R腦深部電刺激器用的是Greatbatch公司最新的Xcellion鋰離子可充電電池，按照Greatbatch公司資料所述其具有無與倫比的性能和壽命[22]，如圖4所示為Xcellion可充電電池不同放電深度條件下電池容量與充放電循環次數的測量結果，可以看出放電深度越小，充放電循環引起的容量損失越小，最惡劣的100%放電深度下充放電循環1000次后電池剩余容量仍超過80%，而按照每周充電一次計算，達到1 000次循環的時間是19年。電池的實際壽命與很多因素有關，Greatbatch公司對其Xcellion可充電電池考慮各方面因素進行了一系列的測試[23]，從結果可以判斷其能夠滿足至少10年的壽命。Greatbatch公司還開發了CoreGuard技術（0 V保護技術），使得Xcellion充電電池可以放電到0 V而不引起性能下降。

圖4 Xcellion電池容量與放電次數關系[23]Fig.4 Xcellion battery capacity vs cycle[23]

3 有源植入式醫療器械的電池展望

有源植入式醫療器械的快速發展，必然會推動植入用電池技術不斷進步，一方面鋰電池應用上，會有更新的技術出現，不斷提高其各方面的綜合性能；另一方面也不斷有新材料的電池方案被研究，如2013年美國St Jude Medical公司的一種無電極心臟起搏器Nanostim獲得CE的許可，它的尺寸只有41.4 mm×Φ6 mm，是常規心臟起搏器體積的十分之一，壽命卻與常規的心臟起搏器相當，它采用的也是一次性電池，研制該起搏器的Nanostim公司的專利提到，所用的電池為BetaBatt公司研制的DECTM電池[24]，這種電池含有放射性元素氚（Tritium）?？梢耘袛啵S著有源植入式醫療器械進一步小型化的需求，放射性核燃料電池可能又會重新進入市場應用。還有生物燃料電池的研究也有很多的報道，如MIT發明的植入式葡萄糖燃料電池[25]，它采用硅和鉑材料，通過標準的半導體制造工藝流程制作而成，植入人體使用，采用鉑為催化劑，將電子從葡萄糖分子中分解出來以產生電能，可以產生3.4 μW/cm2的平均功率和高達180 μW/cm2的峰值功率，這種電池可能會給有源植入裝置的供電帶來革命性的變化?？蓱糜谟性粗踩胧结t療器械的電池研究，精彩不斷，值得期待。

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Batteries Used in Active Implantable Medical Devices

【Writers】MA Bozhi, HAO Hongwei, LI Luming
National Engineer Laboratory of Neuromodulation, Tsinghua University, Beijing, 100084

In recent years active implantable medical devices(AIMD) are being developed rapidly. Many battery systems have been developed for different AIMD applications. These batteries have the same requirements which include high safety, reliability, energy density and long service life, discharge indication. History, present and future of batteries used in AIMD are introduced in the article.

AMID, battery, energy density, SVO, CFx

R318.6

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2015.03.013

1671-7104(2015)03-0201-05

2014-11-28

馬伯志，E-mail: mbz@tsinghua.edu.cn