مع التطور السريع للإنترنت عبر الهاتف المحمول، أصبح استخدام الأجهزة الإلكترونية أكثر انتشارًا. تطبيق الأجهزة المحمولة الأجهزة الطبية يتوسع، و بطاريات الليثيومبفضل كثافتها العالية من الطاقة، وعمرها الطويل، وأدائها المستقر، أصبحت بطاريات الليثيوم الخيار الأمثل لمصادر الطاقة في الأجهزة الطبية المتنقلة. ومع ذلك، تتطلب بيئات التشغيل الفريدة ومتطلبات الأجهزة الخاصة إجراءات سلامة مُحسّنة وإمكانية تخصيصها.
الوجبات الرئيسية:
• تصميم خاص لتلبية احتياجات بطارية ليثيوم طبية الأجهزة.
• التركيز على ميزات سلامة البطارية والقدرة على التكيف مع البيئة لضمان سلامة المريض.
• اختر البطاريات التي تلبي المعايير مثل إيك شنومكس و UN38.3.
• ضع في الاعتبار كثافة الطاقة العالية لتلبية متطلبات الوزن الخفيف.
• التعاون مع موردي البطاريات في الصناعة الطبية مثل Large Power للحصول على منتجات عالية الجودة.
• تقديم حلول مخصصة من خلال التصميم الدقيق.
الجزء الأول: الخصائص الأساسية لبطاريات الليثيوم المستخدمة في الأجهزة الطبية
يجب أن تفي بطاريات الليثيوم للأجهزة الطبية بالخصائص الرئيسية التالية:
1.1 سلامة عالية
السلامة هي الاعتبار الأهم في بطاريات الليثيوم؛ فأي حادث سلامة أثناء الاستخدام قد يُعرّض المنتج بأكمله للخطر. باستخدام فيلم الألمنيوم الرقائقي بفضل عملية التعبئة، تنتفخ هذه البطاريات - على عكس بطاريات الليثيوم السائلة ذات الأغلفة المعدنية - بدلاً من أن تنفجر في ظل ظروف قاسية كالشحن الزائد أو قصر الدائرة، مما يقلل بشكل كبير من مخاطر السلامة. علاوة على ذلك، تتوافق بعض الطرز المتطورة مع معيار Exic IIB T4 Gc المقاوم للانفجار، مما يجعلها مثالية للتطبيقات الحرجة مثل أجهزة الإنقاذ في حالات الطوارئ.
1.2 القدرة على التكيف البيئي
- أداء درجة الحرارة: بطاريات الليثيوم ذات درجة الحرارة المنخفضة يمكن تشغيلها في بيئات تتراوح درجات حرارتها بين -40 و60 درجة مئوية، بكفاءة تفريغ تتجاوز 70%. هذا يجعلها مناسبة للتطبيقات القاسية، مثل القلب الاصطناعي خارج الجسم، وأجهزة إزالة الرجفان الخارجية، ومعدات الإنقاذ في حالات الطوارئ الخارجية.
- أداء المناخ: تحافظ هذه البطاريات على ثباتها حتى عندما يتعرض الجهاز المضيف لظروف جوية قاسية مثل التآكل الناتج عن رذاذ الملح والعواصف الرملية والأمطار الغزيرة.
- الأداء الميكانيكي: صُممت هذه البطاريات لتحمل الاهتزازات والصدمات والسقوط. على سبيل المثال، يضمن تصميمها فائق النحافة (الذي يمكن تعديله ليصبح بسمك 1 مم) ثبات التشغيل حتى عند ثني البطارية، مما يُلبي المتطلبات الهيكلية الفريدة لأجهزة مثل أنظمة تهوية الرقبة وأجهزة المراقبة القابلة للارتداء.
1.3 كثافة طاقة عالية وخفيفة الوزن
تتطلب المعدات الطبية، وخاصةً في مجال الرعاية الصحية المتنقلة والطب عن بُعد، عادةً دعمًا طويل الأمد للطاقة. لذلك، يجب أن تتمتع البطاريات بكثافة طاقة عالية لتحقيق أقصى استفادة من الطاقة ضمن مساحة ووزن محدودين. هذا لا يُطيل مدة تشغيل الجهاز فحسب، بل يُقلل أيضًا من وزنه الإجمالي، مما يُعزز قابلية نقله. وللسعة نفسها، بطاريات ليثيوم بوليمر تعتبر البطاريات ذات الغلاف الفولاذي أخف بنسبة 40% وأخف بنسبة 20% من البطاريات ذات الغلاف الألومنيوم، في حين توفر زيادة في السعة بنسبة 5-15%، وبالتالي زيادة قدرة تحمل الجهاز.
1.4 تصميم مخصص
نظرًا لقيود حجم البطارية الصغير في العديد من الأجهزة، وخاصةً تلك التي تتطلب سهولة الحمل، تبرز الحاجة إلى مرونة في التخصيص من حيث الأبعاد والشكل والسمك. تتيح تقنيات تصنيع البطاريات، مثل لف خلايا البطارية أو تكديسها، مصادر طاقة مدمجة ومتينة تلبي متطلبات الأجهزة الطبية مثل المناظير الدقيقة وأجهزة تنظيم ضربات القلب القابلة للزرع.
الجزء الثاني: أنواع بطاريات الليثيوم الطبية وتوصيات الاختيار
2.1 مقارنة بين أنواع بطاريات الليثيوم السائدة
| النوع | المزايا/السيناريوهات القابلة للتطبيق | أمثلة على المعدات |
| بطارية ليثيوم بوليمر | أمان عالي، أبعاد قابلة للتخصيص، رفيعة ومرنة | شاشات محمولة، مناظير داخلية، لاصقات قابلة للارتداء |
| بطارية ليثيوم فوسفات الحديد | سلامة عالية، عمر دورة طويل، استقرار ممتاز في درجات الحرارة العالية | عربات طبية كبيرة وأجهزة كشف ثابتة |
| بطارية ليثيوم NMC | كثافة طاقة عالية وأداء متفوق في درجات الحرارة المنخفضة | مولدات الأكسجين المحمولة وأجهزة التشخيص الخارجية |
| بطارية عالية السرعة | يدعم تفريغات التيار العالي (1C–50C) | الأدوات الجراحية الكهربائية، أجهزة إزالة الرجفان الخارجية |
2.2 مؤشرات الاختيار الرئيسية
- القدرة والتحمل: حدد السعة المطلوبة بناءً على استهلاك الجهاز للطاقة (على سبيل المثال، قد تتطلب رقعة الصدر الخاصة بتخطيط كهربية القلب 5 أيام من التشغيل) وقم بتضمين احتياطي إضافي بنسبة 20%.
- الأبعاد والوزن: تتطلب الأجهزة القابلة للزرع تصميمًا مصغرًا (مثل بطاريات الأزرار)، في حين يجب أن تحقق الأجهزة المحمولة التوازن بين السعة والقدرة على النقل.
- شهادة السلامة: يجب أن تفي البطاريات بشهادات السلامة ذات الصلة (على سبيل المثال، IEC 62133، GB/T 28164)، وشهادات النقل (على سبيل المثال، UN38.3)، وبالنسبة للمتطلبات المحددة، يجب أن تجتاز شهادات مثل UL 2054 ومعايير التتبع الخاصة بإدارة الغذاء والدواء.
- موثوقية سلسلة التوريد: اختر الموردين الحاصلين على مؤهلات طبية معترف بها (على سبيل المثال، ISO 13485) لضمان الجودة الثابتة في الإنتاج الضخم.
الجزء 3: نقاط التصميم الرئيسية لبطاريات الليثيوم الطبية
3.1 تصميم حماية السلامة
- نظام إدارة البطارية الذكي (BMS): تتميز الأجهزة الطبية الحديثة عادةً بإدارة ذكية تتيح مراقبة حالة البطارية في الوقت الفعلي. يجب أن تحتوي البطاريات على دوائر حماية متكاملة ضد الشحن الزائد، والتفريغ الزائد، والقصر الكهربائي، والتيار الزائد، وظروف درجات الحرارة غير الطبيعية.
- تصميم زائدة عن الحاجة: غالبًا ما تتضمن الدوائر الرئيسية شرائح حماية مزدوجة (مثل تلك الموجودة في سلسلة TI BQ) لمنع فشل مكون واحد من إضعاف نظام الحماية بأكمله.
3.2 تحسين المواد الهيكلية
- خفيفة الوزن والتكيف مع المساحة: تمكن تقنيات مثل التكديس أو استخدام تقنية الدائرة المطبوعة المرنة (FPC) من إنتاج بطاريات فائقة الرقة (≤1 مم) وقابلة للانحناء (بنصف قطر انحناء ≥5 مم) أو ذات أشكال غير منتظمة وهي مثالية للأجهزة المصغرة مثل المناظير والبقع القابلة للارتداء.
- التوافق الحيوي: يجب أن تستخدم البطاريات المخصصة للأجهزة القابلة للزرع أغلفة من سبائك التيتانيوم الطبية أو أغلفة مطلية بالفضة، وأن تجتاز اختبارات التوافق الحيوي وفقًا لمعيار ISO 10993. على سبيل المثال، تساعد الأغلفة المطلية بالفضة على تقليل خطر العدوى.
3.3 تعزيز القدرة على التكيف البيئي
- أداء درجة الحرارة القصوى: من خلال تحسين تركيبات الإلكتروليت (بما في ذلك الإضافات منخفضة الحرارة)، يمكن للبطاريات الحفاظ على كفاءة تفريغ ≥ 70% عند درجة حرارة -40 درجة مئوية، مما يجعلها مناسبة لعمليات الإنقاذ في حالات الطوارئ الخارجية والنقل عبر سلسلة التبريد. بالإضافة إلى ذلك، يتيح استخدام فواصل مقاومة لدرجات الحرارة العالية (مغطاة بطبقة سيراميكية) التشغيل قصير المدى عند درجة حرارة 85 درجة مئوية، مما يدعم سيناريوهات التعقيم عالية الحرارة.
- أداء مضاد للتآكل الكيميائي: يجب أن يتضمن تصميم البطارية مقاومة للماء (IP65 على الأقل) واستخدام مواد مقاومة للمطهرات الطبية الشائعة مثل الكحول وبيروكسيد الهيدروجين.
3.4 تصميم الامتثال الطبي
- التوافق الكهرومغناطيسي (EMC): يجب أن تتضمن مجموعات البطاريات تصميمات حماية لتجنب التداخل مع المعدات الحساسة مثل أجهزة مراقبة تخطيط القلب وأجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي، بما يتوافق مع المعايير مثل YY 0505.
- الامتثال للشهادة: يجب أن تجتاز بطاريات الليثيوم للأجهزة الطبية شهادات السلامة (على سبيل المثال، IEC 62133، GB/T 28164)، وشهادات النقل (على سبيل المثال، UN38.3)، والشهادات الإقليمية (على سبيل المثال، CB، CE، UL، CCC)، مع تلبية المعايير الخاصة بالصناعة أيضًا (على سبيل المثال، ISO 13485).
الجزء الرابع: تحليل سيناريوهات التطبيق النموذجية
4.1 الأجهزة القابلة للارتداء (على سبيل المثال، رقعة تخطيط القلب على الصدر)
- المتطلبات: رفيع للغاية (أقل من 3 مم)، ومقاوم للماء، ومتصل بتقنية البلوتوث.
- حل: استخدم بطاريات أزرار ليثيوم منجنيز 3 فولت (CR2032) بسعة 235 مللي أمبير على الأقل، مقترنة بوحدة تحكم دقيقة منخفضة الطاقة.
4.2 الأجهزة القابلة للزرع (على سبيل المثال، أجهزة تنظيم ضربات القلب)
- المتطلبات: التصغير، والعمر الطويل (أكثر من 10 سنوات)، وعدم وجود خطر تسرب.
- حل: استخدم بطاريات أكسيد الفضة (سلسلة SR) أو بطاريات الليثيوم اليود المخصصة، بسعة حوالي 200 مللي أمبير في الساعة ومعدل تفريغ ذاتي أقل من 1% سنويًا.
4.3 أجهزة الطوارئ (على سبيل المثال، أجهزة إزالة الرجفان)
- المتطلبات: معدل تفريغ مرتفع (≥30 درجة مئوية) ونطاق واسع لدرجة حرارة التشغيل (-40 درجة مئوية إلى 55 درجة مئوية).
- حل: استخدم بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم عالية السرعة التي تدعم الشحن السريع والتفريغ في حالات الطوارئ.
4.4 بطاريات لأجهزة التشخيص بالموجات فوق الصوتية المحمولة
- المتطلبات: قوة خرج 20 وات، و10 ساعات من التشغيل، وإمكانية الشحن السريع.
- حل: يحتوي الجهاز على بطارية بقوة 200 واط في الساعة تدعم الشحن السريع (تصل إلى 80% من الشحن خلال ساعة واحدة) وتتميز بهيكل مقاوم للصدمات تم اختباره وفقًا لمعيار MIL-STD-1G.
الجزء 4: الخاتمة
يتطلب اختيار بطاريات الليثيوم المناسبة للأجهزة الطبية تقييمًا شاملًا للسلامة، والتكيف البيئي، واحتياجات التخصيص. الشراكة مع موردين ذوي خبرة في الصناعة الطبية، والذين يقدمون مراقبة جودة شاملة للعمليات - من الخلية إلى نظام إدارة البطاريات (مثل Large Power، وهي شركة مصنعة متخصصة في بطاريات الليثيوم للأجهزة الطبية المخصصة)—يمكن أن يخفف بشكل فعال من مخاطر التصميم ويسرع وقت طرح المنتج في السوق.
الأسئلة الشائعة
لماذا تفضل الأجهزة الطبية بطاريات الليثيوم بوليمر؟
يوفر هيكلها الجيبيّ أمانًا مُعززًا (مما يُجنّبها خطر الانفجار) ومرونة في التخصيص، مما يُحسّن استغلال المساحة المتاحة في الجهاز. كما تُوفّر وزنًا أقل بنسبة 20%-40% مقارنةً بالبطاريات التقليدية، مما يجعلها مثالية للأجهزة المحمولة.
كيف يمكن ضمان أداء بطاريات الليثيوم في البيئات ذات درجات الحرارة المنخفضة؟
من خلال اختيار بطاريات الليثيوم منخفضة الحرارة (مثل Large Power سلسلة -40 درجة مئوية) ومن خلال تحسين تركيبة الإلكتروليت، من الممكن الحفاظ على سعة تفريغ لا تقل عن 70% حتى عند درجة حرارة -40 درجة مئوية.
س3: ما هي الشهادات التي تحتاج بطاريات الليثيوم الطبية إلى الحصول عليها؟
يجب أن تتوافق بطاريات الليثيوم للأجهزة الطبية مع شهادات السلامة (على سبيل المثال، IEC 62133، GB/T 28164)، وشهادات النقل (على سبيل المثال، UN38.3)، والشهادات الإقليمية (على سبيل المثال، CB، CE، UL، CCC)، بالإضافة إلى تلبية المعايير الخاصة بالصناعة (على سبيل المثال، ISO 13485).
