Self-poweredcardiovascularelectronicdevicesandsystems
自供电心血管电子设备和系统
NaturereviewsCardiology
DOI：10./s---4
①引言
世卫组织估计，年有万人死于心血管疾病，到年这一数字将增加到万人。在这些死亡中，85％是由心肌梗塞或中风引起的。因此，心血管疾病是全球范围内死亡的主要原因。而在这些患者中，早期诊断和及时干预对于生存至关重要。在过去的50年中，诸如植入式起搏器、植入式心脏复律除颤器（ICD）、心脏再同步治疗设备以及各种植入式或可穿戴式监测设备之类的心血管电子设备（CED）的出现，极大地保障了心血管疾病患者的健康，并降低了与心血管疾病相关的发病率和死亡率。与以前的设备相比，CED向着尺寸更小、电池寿命更长、性能更卓越的方向迈进。但是，该技术的广泛使用和应用仍存在很大的限制，这主要与电池寿命、小型化、感应能力、导线故障以及与设备相关的感染有关。
下面由小编带大家一起学习中科院北京纳米能源与系统研究所李舟研究团队于2年发表在NaturereviewsCardiology上的综述文章“Self-poweredcardiovascularelectronicdevicesandsystems”，在这篇综述中，研究团队不仅分析了涉及自供电CED的下一代技术，旨在解决该领域的一些主要局限性，还总结了植入式和可穿戴式“智能”CED的应用前景。
②文章内容概述
①植入式或可穿戴式电子设备的引入彻底改变了心血管医学的诊断和治疗方法，降低了心血管疾病患者的发病率和死亡率，挽救了数百万人的生命。
②由电池供电的心血管电子设备的使用寿命有限，并且不支持长期、不间断地监视或治疗心血管疾病，而这对于挽救生命和改善生活质量至关重要。
③周围环境中存在丰富的能源，例如生物机械能、太阳能、热能等。自供电技术将人体或周围环境的能量转换为电能，可以提供可持续的动力来替代或补充电池技术的缺憾。
③论文的思路
a
介绍心血管电子设备的当前技术
年，人们开发了第一台可植入式起搏器，自那时以来，心血管可植入式电子设备（CIED）取得了巨大的进步。包括植入式起搏器、ICD、心脏再同步治疗仪、植入式循环记录仪和植入式血钠监测仪在内的现代CIED通过提供准确、连续的诊断和治疗能力已经挽救了数百万条生命（如图1）。全球人口的增长、普遍的衰老和预期寿命的延长导致诸如心力衰竭和心房纤颤等慢性疾病的患病率增加，这意味着CIED在现代医疗体系中的作用日益重要。
图1现有的用于心脏传导疾病的电子设备
①可植入式心血管电子设备种类
1.心脏起搏器
心脏起搏器是最著名和使用最广泛的CIED，最初用于纠正电传导障碍，例如心动过缓和晕厥。每年有数百万患者接受起搏器的永久植入，以预防或治疗危及生命的心脏疾病。如今，起搏器具有典型的单腔和双腔模式，以及更先进的起搏方法，这些新的起搏模式要求更复杂的传感能力、替代功能以及系统优化方面的改进。
2.植入式心脏复律除颤器（ICD）
ICD是另一类由电池供电的CIED，通常用于预防已知的持续性室性心动过速或原纤维化患者的心源性猝死。研究表明，ICD可以预防尚未发生但威胁生命的室性心律失常，但极有可能产生危及生命的人的心脏骤停的情况。ICD也可以具有起搏器的功能，现代ICD的体积小于40cm3，与上一代起搏器相似。但是，ICD的寿命（约5年）比起搏器的寿命（约12.5年）短，因为它们的连续工作模式需要更大的功耗。因此，延长ICD的电池寿命是当务之急。
3.植入式循环记录仪
植入式循环记录仪是用于心脏监测的一种CIED。植入式循环记录器可以连续记录3年以上的个人的心律，提供一系列其他方法无法获得的重要信息，从而有助于进行明确的诊断和采取有效的治疗措施。植入式循环记录仪还可用于检测消融术后心房纤颤或心动过速的复发情况，但同时电池寿命过短也是此类设备的主要问题。
②穿戴式或便携式CEDs种类
可穿戴电子设备通过在临床环境内外进行连续和纵向的健康监测，彻底改变了数字和移动健康监测系统。在心血管医学中，可穿戴电子设备在实现生命信号监测以帮助诊断急性和慢性心血管疾病方面具有广泛的应用前景。心血管可穿戴电子设备根据其功能可分为四大类：心电图和心律监测器，心率监测器，血流动力学监测器和日常活动监测器。心血管可穿戴电子设备有多种设计，包括腕带（袖口）、智能手表、戒指、背心、胸贴和T恤。
b
下一代心血管电子设备（CEDs）的注意事项
开发可植入和可穿戴CED的根本动机是使患者摆脱在医疗机构中重复测量的时间和空间限制，并提供长期、不间断的监测和治疗。为了实现这些目标，CED必须具有可持续的能源供应和集成功能。而使用当前的电池技术，CED需要定期更换或充电，其使用的时间长短具体取决于利用率和电池容量。由于电池容量有限以及与化学和物理结构（尺寸和质量）有关的问题，许多患者仍需要更换CED。同时，为了满足临床批准的广泛要求，未来的CED将需要更多的功能、更强大的计算能力和远程通信功能，这将进一步增加设备的功耗。如果需要应用更高级的功能，例如远程监控、心律失常前心电图存储和速率响应等，则设备的寿命将减少约0.5–3.6年。基于这些考虑，目前人们正在临床前研究中评估替代能源，如摩擦纳米发电机（TENG）和压电纳米发电机（PENG）、太阳能收集器、热能收集器和生物燃料电池（如图2a）。这些设备将人体或周围环境的能量转换成电能以提供可持续的能源，可以被定义为自供电技术并用于设计下一代CED。
图2现有的自供电技术及其基本特征
c
现有的自供电技术
当前迫切需要能够可持续地收集能量为CED供电的技术。但是，生物系统中可用的能源主要是肌肉的缓慢拉伸，生物流体和血液的缓慢流动，以及可能穿透深部组织的红外光和声波。生物力学作用是主要的动力来源之一，这个方面的应用引起了广泛的
