Тенденции развития источников тока для имплантируемых медицинских приборов
Аннотация
Медицинское оборудование с питанием от электрохимических источников энергии играет жизненно важную роль при лечении болезней пациентов. Источники тока в подобных приборах должны обеспечивать высокий уровень безопасности и надежности и обладать долговечностью, чтобы избежать частых замен. Последние достижения электроники позволили резко снизить внутреннее потребление тока с одновременным уменьшением размера и повышением функциональности, надежности и долговечности медицинского устройства, в частности электрокардиостимулятора. Около 600.000 кардиостимуляторов имплантируются каждый год во всем мире, а общее число людей с различными типами кардиостимуляторов уже превысило 3 млн человек. Литиевые электрохимические элементы в настоящее время широко распространены в различных военных и гражданских изделиях с высокой энергетической мощностью. Исходя из тенденции к миниатюризации портативных электронных устройств, требуется разработка еще меньших по размеру литиевых источников тока с повышенными допустимой мощностью и сроком службы. Применение катодных материалов с более высокой энергией — один из способов создания маленьких источников тока с повышенным сроком службы. Ярким примером подобного материала является фторированный углерод (CFх), часто использующийся с литиевым анодом в первичных источниках тока для военных устройств и имплантируемых медицинских устройств. Представлены успехи в разработке элементов электрохимической системы литий–фторированный углерод для имплантируемых медицинских приборов. Показаны их значительные преимущества перед традиционными элементами литий–йод для электрокардиостимуляторов. Дан краткий обзор по различным разработкам технологий источников питания для кардиостимуляторов и представлена альтернатива литий-йодным батареям на ближайшее будущее с анализом разрядных характеристик, сохраняемости, надежности, использования различных добавок во фторуглеродный катод для улучшения разрядных характеристик и условий контроля состояния элемента.
Литература
2. Holmes C.F. The Bourner Lecture: Electrochemical Power Sources — an Important Contributor to Modern Health Care // J. Power Sources. 1997. V. 1 — 2. Pp. 15—20.
3. Greatbatch W. Origins of Implantable Cardiac Pacemaker // J. Cardiaovasc Nurs. 1991. V. 5. Pp. 80—85.
4. Holmes C.F. The Role of Electrochemical Power Sources in Modern Health Care // Interface. 1999. V. 8. No. 3. Pp. 32—34.
5. Love C.J. Handbook of Cardiac Pacing. Austin (USA): Landes Bioscience, 1999.
6. Crompton T.R. Small Batteries. London: The Macmillan Press Ltd., 1982.
7. Holmes C.F. The Role of Chemical Power Sources in Modern Health Care // The Electrochemical Soc. Interface. 1999. Pp. 32—34.
8. SarmaMallela V., Ilankumaran V., Srinivasa N. Trends in Cardiac Pacemaker Batteries // Indian Pacing and Electrophysiology J. 2004. V. 4 (4). Pp. 201—212.
9. Материалы II Всерос. съезда аритмологов. М.:Изд-во НЦССХ им. А.Н. Бакулева РАМН, 2007.
10. Holmes C.F. Electrochemical Power sources and the treatment of Human Illness // The Electrochemical Soc. Interface. 2003. Pp. 26—29.
11. Skundin A.M., Fateev S.A., Kulova T.L. Battery for Pacemaker: an Alternative to Lithium-iodine System // Proc. 2nd ABA Advanced Batteries and Accumulators Intern. Conf. Brno, 2001.
12. Rudakov V.M., Skundin A.M, Fateev S.A. Reliability Checking of Li/CFx Cells for Medical Applications // Proc. 3rd Baltic Conf. Elecrochemistry. Gdansk, 2003. P. 133.
13. Фатеев С.А., Кулова Т.В., Скундин А.М. Литий-фторуглеродные источники питания для имплантируемых электрокардиостимуляторов // Электрохимическая энергетика. 2002. Т. 2. № 2. С. 9.
14. Пат. 33 000 РФ. Источник тока для имплантируемых медицинских приборов / С.А. Фатеев // Бюлл. изобрет. 2003. № 28.
15. Фатеев С.А., Рынсков Е.В., Ясюкевич Д.О. Источники тока для имплантируемых медицинских приборов // Вестник РАЕН. 2007. Т. 7. № 3. С. 33—36.
16. А.с. СССР № 1829726. Электроизоляционная композиция / Фатеев С.А. и др. 1986.
17. Можаров В.М. и др. Опыт исследования, разработки и производства литий-фторуглеродных источников тока для имплантируемых электрокардиостимуляторов // Фундаментальные проблемы преобразования энергии в литиевых электрохимических системах: Материалы VII Междунар. конф. Саратов: Изд-во Саратовского ун-та, 2002. С. 114.
18. Фатеев С.А., Штолина Н.В. Исследование сохраняемости Li-CFx источников тока для кардиостимуляторов // Фундаментальные проблемы преобразования энергии в литиевых электрохимических системах: Материалы XII Междунар. конф. Краснодар, 2012. С. 99—102.
19. Фатеев С.А., Полякова Н.В., Кондратов В.П. Испытание литий-фторуглеродных источников тока для кардиостимуляторов в условиях длительного разряда // Электрохимическая энергетика. 2012. Т. 12. № 3. С. 88—96.
20. Фатеев С.А. и др. Определение остаточной емкости литий-фторуглеродных источников тока для кардиоэлектроники // Электрохимическая энергетика. 2008. Т. 8. № 1. С. 40—45.
21. Фатеев С.А., Полякова Н.В., Ефимов О.Н. Современные неорганические фториды // Intersibfluorine —2006: Сб. трудов II Междунар. сибирского семинара по химии и технологии современных неорганических фторидов. Томск, 2006. С. 309.
22. Egorov A.M. , Smirnov S.E., Putsylov I.A, Fateev S.A. A study of Electrodes Based on Fluorinated Fullerene Black // Russian J. Appl. Chem. 2012. V. 85. No. 11. Pp. 1695—1698.
23. Пуцылов И.А. и др. Исследование свойств катодных материалов на основе фторированных углеродных нанотрубок // Перспективные материалы. 2013. № 11. С. 29—34.
24. Егоров А.М., Смирнов С.Е. Литий-фторуглеродные источники тока на основе наноматериалов // Вестник МЭИ. 2015. № 3. С. 53—57.
25. Egorov A.M., Smirnov S.E., Putsylov I.A, Fateev S.A. Effect of Mechanical Activation on Characteristics of Electrodes Based on Fluorinated Carbon Nanotubes // Russian J. Appl. Chem. 2016. V. 89. No. 3. Рp. 448—451.
26. Chen K. e. a. Hybrid Cathode Lithium Batteries for Implantable Medical Applications // J. Power Sources. 2006. V. 162. Pp. 837—840.
27. Pat. 027612 USA. Non-aqueous Electrochemical Cell Having a Mixture of at Least Three Cathode Materials Therein. 2009.
28. Ignatova, A.A., Tulibaeva, G.Z., Yarmolenko, O.V., Fateev, S.A. Electrolyte Systems for Primary Lithium-fluorocarbon Power Sources and Their Working Efficiency in a Wide Temperature Range // Russian J. Electrochemistry. 2017. V. 53. No. 3. Pp. 292—301.
29. Ignatova A.A. e. a. Influence of 15-crown-5 Additive to a Liquid Electrolyte on the Performance of Li/CFx — Systems at Temperatures up to −50 °C // J. Power Sources. 2016. V. 309. Pp. 116—122.
30. Пат. № 2592646 РФ. Низкотемпературный литий-фторуглеродный элемент / С.А. Фатеев и др. // Бюлл. изобрет. 2016. № 21.
31. Grubbs R.H. Handbook of Metathesis. Wiley, 2003.
---
Для цитирования: Фатеев С.А. Тенденции развития источников тока для имплантируемых медицинских приборов // Вестник МЭИ. 2018. № 2. С. 102—113. DOI: 10.24160/1993-6982-2018-2-102-113.
#
1. Shal'dakh M. Elektrokardioterapiya. SPb.: Izd-vo Severo-zapad, 1992. (in Russian).
2. Holmes C.F. The Bourner Lecture: Electrochemical Power Sources — an Important Contributor to Modern Health Care. J. Power Sources. 1997;1 — 2:15—20.
3. Greatbatch W. Origins of Implantable Cardiac Pacemaker. J. Cardiaovasc Nurs. 1991;5:80—85.
4. Holmes C.F. The Role of Electrochemical Power Sources in Modern Health Care. Interface. 1999;8.;3:32—34.
5. Love C.J. Handbook of Cardiac Pacing. Austin (USA): Landes Bioscience, 1999.
6. Crompton T.R. Small Batteries. London: The Macmillan Press Ltd., 1982.
7. Holmes C.F. The Role of Chemical Power Sources in Modern Health Care. The Electrochemical Soc. Interface. 1999:32—34.
8. SarmaMallela V., Ilankumaran V., Srinivasa N. Trends in Cardiac Pacemaker Batteries. Indian Pacing and Electrophysiology J. 2004;4 (4):201—212.
9. Materialy II Vseros. S′Ezda Aritmologov. M.:Izd-vo NTSSSKH im. A.N. Bakuleva RAMN, 2007. (in Russian).
10. Holmes C.F. Electrochemical Power sources and the treatment of Human Illness. The Electrochemical Soc. Interface. 2003:26—29.
11. Skundin A.M., Fateev S.A., Kulova T.L. Battery for Pacemaker: an Alternative to Lithium-Iodine System. Proc. 2nd ABA Advanced Batteries and Accumulators Intern. Conf. Brno, 2001.
12. Rudakov V.M., Skundin A.M, Fateev S.A. Reliability Checking of Li/CFx Cells for Medical Applications. Proc. 3rd Baltic Conf. Elecrochemistry. Gdansk, 2003. P. 133.
13. Fateev S.A., Kulova T.V., Skundin A.M. Litiy- ftoruglerodnye Istochniki Pitaniya dlya Implantiruemykh Elektrokardiostimulyatorov. Elektrokhimicheskaya Ener- getika. 2002;2; 2:9. (in Russian).
14. Pat. 33 000 RF. Istochnik Toka dlya Implantiruemykh Meditsinskikh Priborov / S.A. Fateev. Byull. Izobret. 2003;28. (in Russian).
15. Fateev S.A., Rynskov E.V., Yasyukevich D.O. Istochniki Toka dlya Implantiruemykh Meditsinskikh Priborov. Vestnik RAEN. 2007;7;3:33—36. (in Russian).
16. A.s. SSSR № 1829726. Elektroizolyatsionnaya Kompozitsiya / Fateev S.A. i dr. 1986. (in Russian).
17. Mozharov V.M. i dr. Opyt Issledovaniya, Razrabot ki i Proizvodstva Litiy-ftoruglerodnykh Istochnikov To- ka dlya Implantiruemykh Elektrokardiostimulyatorov. Fundamental'nye Problemy Preobrazovaniya Energii v Litievykh Elektrokhimicheskikh Sistemakh: Materialy VII Mezhdunar. Konf. Saratov: Izd-vo Saratovskogo Un- ta, 2002:114. (in Russian).
18. Fateev S.A., Shtolina N.V. Issledovanie Sokhranyaemosti Li-CFx Istochnikov Toka dlya Kardiosti- mulyatorov. Fundamental'nye Problemy Preobrazovaniya Energii v Litievykh Elektrokhimicheskikh Sistemakh: Materialy XII Mezhdunar. Konf. Krasnodar, 2012:99—102. (in Russian).
19. Fateev S.A., Polyakova N.V., Kondratov V.P. Ispytanie Litiy-ftoruglerodnykh Istochnikov Toka dlya Kardiostimulyatorov v Usloviyakh Dlitel'nogo Razryada. Elektrokhimicheskaya Energetika. 2012;12;3:88—96. (in Russian).
20. Fateev S.A. i dr. Opredelenie Ostatochnoy Emkosti Litiy-ftoruglerodnykh Istochnikov Toka dlya Kardioelektroniki. Elektrokhimicheskaya Energetika. 2008;8;1:40—45. (in Russian).
21. Fateev S.A., Polyakova N.V., Efimov O.N. Sovre- mennye Neorganicheskie Ftoridy. Intersibfluorine —2006: Sb. Trudov II Mezhdunar. Sibirskogo Seminara po Khimii i Tekhnologii Sovremennykh Neorganicheskikh Ftoridov. Tomsk, 2006:309. (in Russian).
22. Egorov A.M. , Smirnov S.E., Putsylov I.A, Fateev S.A. A study of Electrodes Based on Fluorinated Fullere- ne Black. Russian J. Appl. Chem. 2012;85;11:1695—1698.
23. Putsylov I.A. i dr. Issledovanie Svoystv Katodnykh Materialov na Osnove Ftorirovannykh Uglerodnykh Nanotrubok. Perspektivnye Materialy. 2013;11:29—34. (in Russian).
24. Egorov A.M., Smirnov S.E. Litiy-ftoruglerodnye Istochniki Toka na Osnove Nanomaterialov. Vestnik MPEI. 2015;3:53—57. (in Russian).
25. Egorov A.M., Smirnov S.E., Putsylov I.A, Fateev S.A. Effect of Mechanical Activation on Characteristics of Electrodes Based on Fluorinated Carbon Nanotubes. Russian J. Appl. Chem. 2016;89;3:448—451.
26. Chen K. e. a. Hybrid Cathode Lithium Batteries for Implantable Medical Applications. J. Power Sources. 2006;162:837—840.
27. Pat. 027612 USA. Non-aqueous Electrochemical Cell Having a Mixture of at Least Three Cathode Materials Therein. 2009.
28. Ignatova, A.A., Tulibaeva, G.Z., Yarmolenko, O.V., Fateev, S.A. Electrolyte Systems for Primary Lithium- fluorocarbon Power Sources and Their Working Efficiency in a Wide Temperature Range. Russian J. Electrochemistry. 2017;53;3:292—301.
29. Ignatova A.A. e. a. Influence of 15-crown-5 additive to a Liquid Electrolyte on the Performance of Li/CFx — Systems at Temperatures up to −50 °C. J. Power Sources. 2016;309:116—122. (in Russian).
30. Pat. 2592646 RF. Nizkotemperaturnyy Litiy- ftoruglerodnyy Element / S.A. Fateev i dr. Byull. Izobret. 2016;21. (in Russian).
31. Grubbs R.H. Handbook of Metathesis. Wiley, 2003.