自 1958 年完成首例起搏器植入手术以来，植入式医疗器械开发开展了大量工程与医学研究工作，相关研究始终面临材料、电池供电、功能实现、功耗、小型化、系统输送以及无线通信等方面的挑战。随着科学与工程技术的飞速发展，起搏器、人工耳蜗、实时血压传感器等诸多植入式医疗器械已被相继开发并持续迭代优化。即将到来的超老龄化社会将催生更多器械使用需求，医疗器械的这一发展态势还将延续。人体内部是一处特殊环境，充斥着电化学反应、化学反应、机械作用以及类似海水盐蚀效应的各类反应。因此，电气连接与通信、腐蚀问题、结构可靠性以及气密密封是开发阶段必须重点考量的因素。器械开发的主要参与方包括使用者、医护人员以及工程技术人员，由此形成植入式器械开发的三类不同视角。本文综述将从工程思维的角度，阐述植入式医疗器械开发过程中的各类设计考量。 一、引言 若医疗器械通过外科或医学手段全部或部分植入人体，并且计划在手术结束后留存于体内，则该器械定义为植入式医疗器械。研究人员指出，美国 8%‑10% 的人口、工业化国家 5%‑6% 的人口使用过植入式医疗器械。
从 1952 年首次报道心脏电刺激，到 2010 年商用无线血压测量系统问世，在这半个多世纪里，医学专家借助各类植入式器械改善患者预后，其中包括植入式心脏除颤器、人工耳蜗、神经刺激装置、植入式压力传感器等。植入式医疗器械用于在体内采集生理信号，或是对人体器官执行电刺激等驱动操作。近年来，随着电子电路与机械结构的超小型化，大量研究人员致力于开发可亚秒级持续工作的植入式实时生命体征监测系统。植入式实时生命体征监测设备推动医疗模式发生转变，从事件发生后补救治疗，转向事件发生前的自主预警管理。 例如 Integer 公司的腔内压力监测器械，可放置于主动脉内，用于腹主动脉瘤腔内修复术以及胸主动脉瘤腔内修复术中监测瘤囊压力，能够检出支架移植物术中渗漏。患者出院后可居家完成每日瘤囊压力检测；而传统方案仅能在医院借助血管造影完成该项监测。
首台完全植入式起搏器采用阿拉尔代环氧树脂封装。该系统集成第一代低功耗硅晶体管电路，配备两节密封 60 mAh 镍镉电池，外接感应充电线圈。整套装置直径 55 mm、厚度 16 mm，外形尺寸近似鞋油盒。手术时开胸，将直径 9 mm 的电极缝合固定于心肌表面，完成 3 小时电起搏测试；第二次手术植入整机，该原型设备共计工作 7 天。
回顾第一代起搏器与现代起搏器，能够从工程角度直观认识植入式医疗器械的发展历程。下文将详细阐述植入式医疗器械开发过程中需要考量的各类工程问题。
二、植入式医疗器械的总体设计思路植入式医疗器械的设计工作，需要从三类核心参与方收集需求信息：患者、医护人员以及工程技术人员。也就是说，器械开发会极大受到患者诉求、临床使用习惯与工程实现可行性的共同影响。
患者作为器械使用者，希望植入手术微创、术后恢复快、设备更换周期长，同时可以不依赖大型医院设备读取设备状态。医护人员熟悉人体解剖、病理与手术操作，主要提出临床功能需求，明确器械需要实现哪些生理检测或者器官刺激功能。工程人员负责将临床需求转化为可落地的硬件方案，完成结构、电路、供电、封装、植入输送方案设计。
器械植入人体后，人体会对异物产生生物学响应：蛋白质吸附、血小板黏附、炎症细胞募集，逐步在器械表面形成新生内膜或纤维包裹层。如果封装材料生物相容性不足，会诱发剧烈免疫反应，造成局部组织损伤。因此，在正式开展动物体内实验之前，封装材料必须完成充分的体外生物相容性评价。
人体体内是十分特殊的工作环境：温度恒定约 36.5 ℃，存在高离子浓度的体液，组织持续运动，同时具备生物腐蚀效应。工程师开展设计时，需要面对多维度约束：生物相容性、密封可靠性、机械强度、小型化、供电续航、信号采集精度、通信能力。开发过程需要经历仿真建模、原型样机制作、台架测试、动物实验，迭代直至得到合格产品。工程人员需要重点攻克以下技术方向：生物相容性、气密封装、结构与输送系统、电源管理、信号检测与无线通信。
三、植入式医疗器械的工程设计要点3.1 生物相容性
医疗器械植入体内之后，周围组织会立刻对器械本体以及器械表面附着的微生物产生应答。初始阶段，血液与组织液中的非特异性蛋白会吸附在材料表面；随后单核细胞、白细胞、血小板参与应答，启动机体对外来异物的防御过程。
若植入材料与组织相容性差，会诱发持续炎症、组织纤维化，严重情况下会出现组织坏死。因此，植入材料必须经过充分动物实验，同时遵循良好生产规范完成制备。美国 FDAⅢ 类植入器械推荐使用的生物相容性材料主要包括钛及钛合金、铂铱贵金属、氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、石英、特定医用高分子。
3.2 封装与气密可靠性
微电子芯片依靠元器件之间电路连通实现功能；暴露在体液环境中，离子会造成电路腐蚀、短路失效。和消费电子不同，植入式器械的封装需要同时阻挡细胞、蛋白质、水分子、各类离子的侵入；同时还要隔绝器件内部材料向外释放气体或析出物质。能够完全阻隔体内环境，实现零泄漏的封装称为气密密封。医疗器械行业沿用 MIL‑STD‑883 标准 1014.10 方法开展气密检测，氦质谱检漏是最常用的检测手段。
图 1. 材料渗透率对比，该图同时给出不同厚度条件下材料的预估使用寿命。
植入器械封装材料主要分为石英与熔融二氧化硅、高分子聚合物、金属、陶瓷四大类。 高分子封装工艺简单，成本低，但水汽渗透率偏高，长期体内使用时寿命受限；金属封装（钛合金等）气密性能优异，机械强度高，是长期植入器械的主流选择，但金属壳体会屏蔽无线射频信号；陶瓷封装气密性能优良，介电特性好，适合射频通信场景，但是加工成本高，抗冲击性能较差；石英封装气密性能优异，透光，适合集成光学器件，但机械脆性大。 无论选用哪一类壳体材料，都需要解决电气馈通问题：需要将电极、信号引脚穿过气密壳体，同时维持壳体完整密封。金属壳体必须依靠绝缘陶瓷或者高分子馈通结构实现引脚隔离，避免壳体短路。
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3.3 植入器械结构设计与输送系统
人体不同植入位置解剖尺寸、组织力学特性差异巨大。器械整体尺寸不能超出植入空间，同时器械刚度、外形不能损伤周围组织。器械还要匹配对应的植入输送方案，主要分为外科手术切开植入，以及借助导管、穿刺针的微创介入输送。 以植入式动脉压力传感器为例，有两种典型方案。第一种为袖带式压力传感器，手术切开组织，将传感器袖带包裹固定于血管外壁，依靠外科缝合完成定位；该方案必须通过开放手术植入。第二种为 Integer 公司商用压力传感器，器件为窄矩形结构，集成镍钛合金弹簧；整套器械可以装载于导管，经血管腔内输送，释放之后镍钛弹簧将传感器压紧固定于血管内壁。
图 2. 植入式血压传感器。(A) 外科手术植入袖带式血压传感器，传感器直接固定于血管外壁。(B) Integer 植入式血压传感器，依靠输送系统送至目标位置，输送流程与支架植入一致。
结构设计时，必须充分评估器械力学行为：弯曲、疲劳、摩擦，模拟体内组织持续运动带来的长期交变载荷。器械发生断裂、移位会带来严重临床风险。器械性能是设计阶段的最高优先级：植入式器械大多用于重症患者，设备失效会直接危及生命。
3.4 电源管理
受限于植入体积，同时兼顾安全性，植入式设备供电一直是工程设计的难点。植入电池分为一次性不可充电电池以及可充电电池两类。植入式心脏除颤器、普通起搏器、深部脑刺激器普遍采用一次性电池；人工耳蜗、人工视网膜、部分人工心脏辅助装置选用可充电电池。
一次性电池电量耗尽之后，通常需要二次外科手术更换设备。非充电电池剩余电量一般依靠体内无线感应遥测周期性读取。无线感应遥测最早用于第一代起搏器体外供电，但是早期方案能量传输效率低下，患者需要长期佩戴体外线圈，体验较差。感应式能量传输系统包含体内接收线圈与体外发射线圈；体外线圈通入交变激励，在空间产生交变磁场；体内线圈处于磁场耦合范围并且保持合适角度时，线圈产生感应交流电，再经过整流稳压，给体内可充电电池充电。体内与体外线圈距离过大、相对角度偏移，耦合效果急剧下降，输出电流微弱甚至完全无法供电。
为摆脱电池容量约束，大量研究聚焦于体内能量采集技术，利用人体生理活动产生的机械能、化学能、热能实现发电。能量采集的原理可以参考自动上链机械腕表、手摇手电筒、自行车发电机。有研究人员借鉴自动机械腕表的机构，利用心脏搏动机械能为起搏器供能；也有研究人员采用 64 通道高压驱动实现超声体外向体内无线传能。还有方案利用体内葡萄糖氧化实现化学发电。 但目前各类体内能量采集方案共同的短板在于瞬时输出功率低、能量转换效率差，无法直接驱动植入设备；仍然需要配套储能电池存储能量，距离完全替代电池还有距离。
3.5 信号检测与无线通信
植入医疗器械承担生命体征检测或者器官调控功能，设备运行状态与采集到的生理数据需要向外传输。取出设备、体内有线引出导线都不是理想方案，无线通信是首选方案。
无线通信依靠电磁波在介质中传递数据，导电介质会造成信号衰减。当工作频率提升至 GHz 级别，人体组织对电磁波损耗会明显加剧。因此美国联邦通信委员会与欧洲电信标准协会划定医疗植入通信服务频段，工作区间 402‑405 MHz，专门供给植入式医疗器械无线通信使用。
金属壳体能够实现优异气密封装，但金属会屏蔽射频电磁波，射频通信芯片不能直接采用全金属密闭封装。所以采用主动射频无线通信的长期植入器械实现难度较高。相较之下，被动感应耦合通信技术发展更为成熟。起搏器与植入式除颤器依靠感应遥测向外发送电池剩余电量；Integer 的压力传感器需要体外天线靠近，建立感应耦合之后才能读取压力数据。被动感应系统工作频率一般为数百 kHz 至数十 MHz。感应耦合容易受到周围其他金属部件干扰引入噪声；设备工作能量全部依靠体外耦合供给，不需要内置电池，但是难以实现不间断连续检测。
四、结论本文从工程角度综述植入式医疗器械开发需要关注的各项要点。以起搏器从 1958 年第一代原型发展到现代产品作为线索，梳理植入医疗器械的技术演进。
器械开发涉及患者、医护人员、工程人员三方，收集三方诉求至关重要。患者希望手术微创、住院周期短、经济成本可控；医护人员依托解剖、病理与临床经验提出器械功能、尺寸、放置位置的需求；工程人员把临床需求落实为具体硬件设计，和临床人员协同确定器械外形、尺寸、功能参数、植入输送方案。
