2．6　心臟起搏器的能源

心臟起搏器的能源（電池）對埋藏式起搏器來說很重要，能源的壽命就是起搏器的壽命。能源壽命長，則可減少更換起搏器的次數(shù)，這是設(shè)計人員和臨床醫(yī)師十分關(guān)心的問題。

1．起搏器電池的發(fā)展

在起搏器發(fā)展過程中，試驗過許多種類的能源，包括壓電、生物電、核電、生物化學電以及其他種類的固態(tài)與非水電解質(zhì)的電化學電池，曾經(jīng)在埋藏式起搏器中實際使用過的電池有：鎳/鎘電池、鋅/汞電池、核同位素電池以及幾種類型的鋰電池。鎳/鎘電池能通過感應(yīng)線圈在體內(nèi)充電，但這種充電需要通過患者身體，對人體有潛在威脅；鋅/汞電池內(nèi)阻低，放電性能平坦，但有漏堿、脹氣、自放電大、擱置壽命短等缺點；核素電池雖壽命可達20年是最長的，但其價格昂貴，并且放射線需要嚴格防護，體積和重量均較大，難以推廣。當鋰電池發(fā)明后逐漸成為起搏器的主要能源。鋰電池中用金屬鋰制成陽極。初期設(shè)計中用過許多種不同材料做陰極，曾經(jīng)用到起搏器中的鋰電池有五六種：鋰/鉻酸銀電池，鋰/硫化銅電池，鋰/氯亞硫酰電池，鋰/碘化鉛電池，鋰/二氧化錳電池，鋰/碘電池等。綜合比較各種性能后，鋰/碘電池最優(yōu)，現(xiàn)在幾乎所有起搏器都使用鋰/碘電池。

2．鋰/碘（Li/I₂）電池的電化學原理

鋰/碘電池的組成為：鋰為陽極，碘為陰極，之間是碘化鋰電解質(zhì)（見圖2．33）。鋰原子（Li）易氧化釋放一個電子形成鋰離子（Li^＋），但碘化鋰電解質(zhì)不導電，使許多鋰原子釋放的電子形成積累。當電池接通負載后，在電池外部，電子從陽極流出形成電子流，通過負載到達陰極，與碘（I₂）結(jié)合形成碘離子（I^－）。在電池內(nèi)部，Li^＋與I^－相互吸引流動，形成電池內(nèi)電流，并結(jié)合形成碘化鋰（LiI）。此電池的基本反應(yīng)式為

2Li＋I₂→2LiI　?。?．10）

圖2．33　鋰/碘（Li/I₂）電池電化學反應(yīng)原理圖

上述的陰極和陽極是指電化學的陰陽極，與電池使用中的正負極不同。電池正極是化學陰極，電池負極是化學陽極。常用的電流i方向與電子e^－的流動方向相反，所以在電池外部，電流是從正極輸出并通過負載流向負極。

3．鋰/碘（Li/I₂）電池的結(jié)構(gòu)

鋰/碘電池結(jié)構(gòu)的截面示意見圖2．34。在這種結(jié)構(gòu)中，鋰制的陽極板位于中心，為增加表面積而做成波紋狀，并在表面預(yù)先涂復一層純聚乙烯嘧啶（PVP）。陰極材料是碘與聚乙烯嘧啶的混合物，填壓在陽極波紋板四周。這一聚乙烯嘧啶材料對電池的電性能改善有極重要的效果，它與碘混合使不導電的碘成為良好的導體。不銹鋼外殼則作為盛放陰極材料的盒子，并作為陰極電流收集器。陽極引出端通過導線與陽極板相連，并用玻璃固定在外殼上，玻璃的作用是密封、固定并使陽極與外殼絕緣。陰極引出端則直接與外殼連接。

圖2．34　鋰/碘（Li/I₂）電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

4．電池的性能、容量與壽命

鋰/碘電池的放電特性見圖2．35。新電池的開路電壓是2．8V，隨著電池的放電，電解質(zhì)厚度逐漸增加，引起電池內(nèi)阻逐漸增加，使得電池輸出電壓逐漸下降。指示電池使用期結(jié)束（EOL）的指征電壓約2．1～2．4V以及電池內(nèi)阻5～10kΩ（不同廠家有所不同），當接近此電壓時必須及時更換，一般是更換整個起搏器，而不僅是電池。

圖2．35　鋰/碘電池的放電特性圖

電池容量E以安培小時（Ah）計，常用的容量有2Ah。在典型應(yīng)用情況下，起搏脈沖幅度U_p＝5V，脈沖寬度t_p＝0．5ms，若人體組織內(nèi)阻抗R＝500Ω，起搏頻率f＝70次/min，則一個電極平均輸出電流I可由下式得出：

如果起搏器有一個以上電極，加上起搏器內(nèi)部控制、分析處理電路的消耗等，起搏器總工作電流應(yīng)大于上述幾倍，按照目前典型應(yīng)用情況，起搏器平均總工作電流I_∑≈25μA，能量消耗約125_μW。那么電池的預(yù)期壽命t為：

在可預(yù)見的將來，植入式起搏器的能源將仍然主要是鋰/碘電池。未來，電池技術(shù)的進展將會使其體積更小，因而使得起搏器新設(shè)計的形狀和體積更符合植入手術(shù)的要求。以及電池自放電性能的改善，會使植入式起搏器的使用壽命更長。