由于固体电解质、高能量密度和薄包装,固态电池正变得越来越小,并使设备能够植入身体的更多部位。
丹尼斯·帕塞罗,伊利卡
自Åke Senning在病人体内植入第一个心脏起搏器以来,已经有60多年了。尽管今天的心脏起搏器已经大大改善了治疗,但同样的原理仍然适用:由电池向脉冲发生器供电,以维持患者适当的心率。
类似的原理可以应用于医疗实践,如神经调节,通过靶向电刺激改变神经活动。神经调节最初是为了通过深部脑刺激来治疗慢性疼痛,但随着人们对这一课题的了解越来越广泛,它的用途已经从缓解疼痛扩展到其他类型的治疗,包括帕金森氏症、盆腔疾病和心绞痛。
通常情况下,患者必须去医疗中心进行这种治疗,或者使用电池组为植入物供电。如果植入物可以通过集成电源做得更小,那么就会创造更多的机会。
例如,心脏传感器和无铅起搏器可以开发出来,并通过导管植入心脏。这种类型的治疗有很多好处:手术侵入性更小,患者的恢复时间更短,感染风险更小,手术过程本身也会更快,成本更低。更好的电源也将确保植入物能够停留更长的时间,从而减少手术的总体数量。最后,无线技术可以通过植入物中的额外传感器提供有关患者病情的更高水平的信息。同样的无线技术也可以用来轻松地修改设备的编程。
固态电池是缩小植入物的关键
设计小型医疗设备的主要障碍是电池。构成神经调节装置或起搏器的其他主要部件已经小型化,如微控制器、电源管理集成电路和无线控制器。目前,主要用于医疗植入物的电池体积大且不可充电。如果病人必须通过手术来更换电池,那么尽可能多地储存能量以延长手术之间的时间是有道理的。可充电电池是进一步延长手术间隔时间的理想选择,但从历史上看,患者在被要求充电时表现出较低的依从性。可充电电池技术也存在其他问题,比如锂离子技术中使用的液体电解质有起火的可能性。
然而,最近电池技术取得了突破,可以为医疗开发人员提供更小、可充电的解决方案。固态电池使用的固态电解质对患者是安全的,这意味着它们不需要像其他电池那样使用体积更大的金属包装。它们还有其他优点,比如10分钟左右的快速充电时间,这应该可以解决患者忽视充电的问题。高能量密度和薄包装的结合意味着固态电池可以在提供类似能量的情况下做得更小。
用于医疗植入物的固态电池的一个实际例子是Ilika的Stereax M300,它将在今年年底上市。Stereax M300采用能量密集化学和模式,提供300µAh的容量,可以使用能量收集技术轻松充电。这种容量可以通过将电池堆叠在一起来增加,或者在电力需求高时通过增加单个电容器来获得短期输出。Stereax M300的高度不到一毫米,而且外形尺寸可以定制。它还安全且防潮,使其成为医疗应用的理想选择。
治疗的未来
虽然固态电池的技术已经被证实,但它仍处于早期阶段。Stereax M300可以提供足够的能量进行低强度的电刺激,例如胃刺激或治疗帕金森病的迷走神经刺激。Ilika有一个产品路线图,该公司将推出一系列容量越来越大的电池,为睡眠呼吸暂停等疾病提供中等水平的刺激,最终为慢性背痛和脊髓刺激提供更大规模的刺激。
更新的充电技术很快就会面世,让植入体患者有更多的自由。在短期内,超声波技术将允许电池通过人体充电。从长远来看,定向无线充电技术将能够在整个房间内跟踪植入物,并持续为其电池充满电。像这样的技术将消除患者的充电责任,并允许该技术用于更多生命攸关的应用。
然而,由于电池是核心功能,所以需要在设计阶段就考虑到这一点,而不是等到最后再看哪些电池可能有用。一种方法并不适合所有人。在设计阶段尽早与电池制造商合作,可以使设备的电力充分发挥其潜力。定制电池将围绕设备设计,而不是围绕标准选项设计设备。
随着设计师和电池供应商的密切合作,未来的医疗植入物创新将带来令人兴奋的结果。
丹尼斯·帕塞罗,产品商业化经理Ilika该公司开发了Stereax毫米级固态电池,专为有源植入医疗设备供电。本文仅代表作者个人观点,并不代表MedicalDesignandOutsourcing.com或其员工的观点。