置入式心律轉復除顫器電池

置入式心律轉復除顫器電池置入式心律轉復除顫器（ImplantableCardioverter-Defibrillator，ICD）也稱體內(nèi)埋藏式心臟自動轉復除顫器，是一種有多種程控模式的電子裝置，可以針對室性快速性心律失常進行治療。其功能包含了高能量除顫電擊、低能量（轉復）電擊或抗心動過速起搏等形式，對于緩慢性心律失常也可進行常規(guī)起搏治療。ICD由Mieczyslaw（Michel）Mirowski發(fā)明。1980年2月第一臺ICD植入人體。1985年，F(xiàn)DA最終批準ICD在美國投放市場。ICD的設計構想萌發(fā)于1966年，當時起搏器作為一種較新的技術手段逐漸在臨床中應用推廣，一些起搏器的技術和理念也被借鑒用于ICD。例如，將ICD的電池和電子元件都密封在鈦殼中，盒頂采用透明的環(huán)氧樹脂制成頂蓋，頂蓋通過金屬導線連接內(nèi)部的電池和整個集成電路系統(tǒng)。頂蓋上有供電極導線尾端連接的連接孔，由螺釘將導線和連接器緊密相連并固定。脈沖發(fā)生器釋放的電能通過電極導線傳遞給遠端的金屬電極到達心臟（圖1）。圖1置入式心律轉復除顫器結構示意圖脈沖發(fā)生器所有的部件都安裝在一個鈦殼中，鈦是一種輕而具有極高強度和生物相容性的金屬。ICD的電子元件集中在一塊混合電路板上，上面有多種晶體管、電阻器和芯片以及其他一些控制脈沖發(fā)生器的計時周期的元件，與電容器和電池一起嚴格密封在鈦殼中。在ICD的透明環(huán)氧樹脂制成的頂蓋上設有1~3個終端插孔。右室電極一般同時具有起搏、感知和除顫3個功能。ICD接近一臺小型計算機，可以感知患者自身心率和節(jié)律，隨時調(diào)整其功能，根據(jù)預先設定的程序發(fā)放電脈沖，兼具起搏和復律除顫電擊功能（圖2），同時還有記憶功能，可存儲感知到的信息以及治療情況，并經(jīng)程控儀下載。為完成上述這些功能，ICD需要自帶電池電源。圖2ICD功能及回路示意圖制造ICD的最大技術難題之一就是如何設計出足夠大的電池。起搏器一般輸出1～3V的電刺激脈沖，鋰碘電池在輸出2.4V左右時工作良好。電壓放大器可以把起搏器發(fā)放的電脈沖升高到7V（某些起搏器可達到10V），但起搏很少需要到這樣高的電壓，大部分只需電壓放大器輕度升高的起搏電壓。除顫所需要的電壓遠遠高于這個數(shù)字。ICD一次治療發(fā)放的電壓往往是500～700V，甚至更高。起搏器電池僅需要發(fā)放較小的電流，而ICD電池必需發(fā)放較大的電流脈沖以進行除顫。ICD電池需要達到以下要求：=1\*GB3①在較小的容積內(nèi)充載較高的電荷（即有較高的電荷密度）；=2\*GB3②需要的最大額定電流大（可達3A）；=3\*GB3③保存期限長（不允許有充電損失和內(nèi)部泄漏導致的自放電）；=4\*GB3④必須可靠性和安全性高。1985年，鋰-氧化釩銀（Li-SVO）成為ICD電池材料的首選，2008年，波科公司生產(chǎn)了配有鋰-二氧化錳（Li-MnO2）電池的ICD。鋰-氧釩化銀電池的陰極由氧化釩銀（Ag2V4O11）構成，陽極由金屬鋰構成。鋰陽極失去電子（被氧化）而陰極吸收電子（被還原）（圖3）。鋰不僅輕，而且有很高的標準電位，其能量密度極高。由于鋰遇到水會發(fā)生劇烈反應，鋰電池必須密封。圖3鋰-氧化釩銀電池在回路中電流方向與電子流動方向為了保證電流容量大，ICD電池的電極需要較大的表面積，因此采用折疊式結構或扁平線圈式結構并且電極的兩側都具有活性（圖4）。圖4ICD電池結構示意圖鋰-氧化釩銀電池放電（即銀和釩的還原）分多步發(fā)生。Li-SVO電池的放電曲線明顯分為兩個電壓相對穩(wěn)定的區(qū)，其電壓分別是3.2V和2.6V，這兩個區(qū)通過一個電壓斜行下降區(qū)連接起來，而2.6V平臺期結束后電壓也斜行向下（圖5）。銀還原為其金屬態(tài)增加了在電池耗竭過程中陰極的電傳導性。因此，通常而言電壓的下降不是由于電池內(nèi)部的阻抗增加所致，而在放電過程電池保持著電流釋放能力。從使用壽命開始直到使用中期電池的內(nèi)部阻抗最初是下降的，在使用壽命接近結束時阻抗增加。圖5鋰氧化釩銀電池電壓變化曲線BOL，使用壽命開始；ERI，擇期更換指示；EOL，使用壽命結束電池放電過程中，在陰極的釩分階段還原，形成3.2V和2.6V兩個分離的無負載電壓平臺期。在第二階段（釩從四價還原為三價時）過程中如果超過3個月，電池不向高壓電容器充電，陰極將發(fā)生化學物質(zhì)累積。陰極的化學物質(zhì)累積增加電池的內(nèi)部阻抗并引起電壓降低（大于通常隨內(nèi)部阻抗所產(chǎn)生的電壓下降）。由于化學物質(zhì)累積，加載后電壓顯著低于正常，高壓電容器的充電時間會延長很多而電擊的釋放則被延遲。幸運的是，當電池釋放較大電流持續(xù)一段時間時，陰極的化學物質(zhì)累積消失。當高壓電容器充電完成時，充電開始時較大的電壓下降恢復正常，后續(xù)的放電周期不顯示電壓延遲（voltagedelay）（圖6）。為避免電壓延遲當電池到達第二個電壓平臺時高壓電容器的重整頻率需要增加（從初期每3個月一次到中期每1個月一次）。圖6ICD電池的電壓延遲示意圖鋰-二氧化錳電池的陰極材