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1、第七章 心脏治疗仪器 与高频电刀,电刺激治疗类仪器设计原理,心脏起搏器,除颤器,高频电刀,2/10/2020,1,简介,电刺激器是医学电子仪器中非常重要的治疗类设备。,心脏起搏器为心脏提供间隔的电刺激以替代心脏传导障碍造成兴奋的中断。,除颤器是治疗心律失常最有效的方法之一，特别是 在挽救心脏骤停病人生命方面发挥越来越重要的作 用。,高频电刀是利用高密度的高频电流对局部生物组 织的集中热效应，使组织或组织成分汽化或爆裂， 从而达到凝固或切割等医疗手术的目的。,2,第一节 电刺激治疗类仪器设计原理,频率小于1kHz时的电流对 人体细胞组织的作用主要 是以刺激效应为主。,低频电刺激是一种不安全的 因
2、素，应予以高度重视。,决定组织兴奋后能否接受下一个刺激而产生兴奋的关键是组织绝对不应期的长短。,3,第一节 电刺激治疗类仪器设计原理,当刺激频率大于1MHz 后，几乎没有任何刺激 作用了。这时人体承受 电流的能力随频率逐步 增大，其产生的效应主 要是热效应。,大多数哺乳动物动物神经肌肉组织产生刺激兴奋的最佳频率都是在100Hz左右。,4,刺激方式与效应,电刺激的类型,电刺激与电兴奋的基本因素,电刺激引起组织兴奋的原理,电刺激的其他效应,电刺激的常见波形,5,电刺激的类型,电刺激系统,脉冲发生器产生使神经去极化 的脉冲序列；,导联线把脉冲传输到刺激部位；,电极把脉冲安全、有效地传输 到可兴奋组织
3、。,6,电刺激的类型,按电刺激部位分为三类：表面刺激； 经皮刺激；植入式刺激。,表面刺激,特点：电刺激系统三部分都在体外，电极放在皮肤上或要刺激的肌肉的运动点附近，也可放在特定的穴位上。,应用：神经与肌肉的医疗康复。,局限性：不能可靠的刺激皮肤下面的组织，也不能刺激深层肌肉。,7,电刺激的类型,经皮刺激,特点：电极置于体内，并靠近要刺激的部位。导联线穿过皮肤连接外部脉冲发生器。,应用：短期或长期的刺激需要，但不是永久性的。,植入式刺激,特点：刺激器的三部分通过外科手术永久植入人体，植入完成后皮肤完全缝合。植入部分和体外部分的联系是通过非接触进行的。,8,电刺激与电兴奋的基本因素,刺激波形方波序
4、列,刺激序列参数频率、幅度和脉宽,刺激频率尽可能小以防止肌肉疲劳并节约刺激能量。,决定刺激频率的主要因素是肌肉的融合频率， 即可以获得平滑肌响应的频率。(12Hz50Hz),对于表面电极，调节肌肉力量的常规方法是保 持刺激脉冲的频率和脉宽不变，改变刺激脉冲 的幅度。,9,电刺激与电兴奋的基本因素,实验表明，活的系统在 一定条件下引起组织兴 奋与电刺激能量有关。 若刺激的波形如图7-3 所示，则引起的组织兴 奋的能量为：,10,电刺激与电兴奋的基本因素,1.强度阈,若电刺激的作用时间一定，则刺激强度必须达 到某一最低值，才能引起组织兴奋，此值称为 刺激强度的阈值（简称强度阈）。,2.时间阈,若刺
5、激强度一定，能引起组织兴奋的最短刺激 时间（脉冲宽度），即称为组织兴奋的时间阈 值。,11,电刺激与电兴奋的基本因素,3.强度-时间曲线,强度阈与时间阈之间存在 一定的关系，这种关系用 强度-时间曲线来表示， 如图7-4所示。,(1)典线上的每一点代表一个阈刺激。,(2)基强度：刺激时间无论多长，必须有一个最低的强度阈值，即基强度。,利用时：以基强度作为刺激强度引起组织兴奋所需要的最短刺激时间。,12,电刺激与电兴奋的基本因素,(3)时值：用基强度的2倍作为刺激强度，所引 起组织兴奋所需要的最短刺激时间。,设电刺激强度-时间曲线的等效方程为（近似 双曲线关系）：,式中，IR、为两个常数。当时间
6、t 时，I=IR，即时值， 与曲线上升部分的 斜率有关。,13,电刺激与电兴奋的基本因素,结论：,（1）为得到有效刺激，通常采用电流I=2IR，脉宽略大于时值的信号，此时产生 兴奋所需能量最小。,（2）不同组织的强度-时间曲线形状相同， 但各自的基强度和时值不相同。,14,电刺激引起组织兴奋的原理,静息状态,兴奋状态,15,电刺激引起组织兴奋的原理,电刺激引起组织兴奋的实验研究证明，在 直流电刺激条件下，组织兴奋性或反应的产生 和大小与通电强度、极性有关，即通电时兴奋 产生在阴极，而断电时兴奋发生在阳极。此结 论称为极兴奋法则。,16,电刺激引起组织兴奋的原理,17,电刺激引起组织兴奋的原理,
7、18,电刺激的其他效应,1.刺激的电化学效应,电解液（或水）加电氧化-还原反应。包 括可逆和不可逆机制。,2.电极腐蚀,3.组织损伤,腐蚀只发生在刺激的阳极相。使用单相阴 极波形可以避免腐蚀。,（1）工作在不可逆区域的电极会产生明显的组织损伤。（2）不可恢复电荷的波形最可能引起组织损伤。（3）高频度的神经兴奋会引起组织损伤。,19,电刺激的常见波形,20,植入式电刺激器的基本要求,植入式电子仪器的封装设计,导联和电极设计,植入式刺激器的安全设计,21,植入式电子仪器的封装设计,植入电路的封装使用不同的材料，包括聚合物、金属、陶瓷和玻璃。封装方法在某种程度 上取决于电路工艺。,环氧封装是植入神经
8、肌肉刺激设计者的最初选 择，环氧体覆盖硅胶可以改善封装的生物相容 性。,密封封装为植入电子电路提供针对体液渗透的 长期防护。提供密封防护的材料有金属、陶瓷 和玻璃。金属封装通常使用钛，它是用金属块 加工或金属片拉长而成的。,22,导联和电极设计,导联必须可伸展，以允许与身体运动相关的 脉冲发生器和电极之间的距离变化。,导线使用材料有不锈钢，贵金属及其合金。,电极把电荷传向刺激组织，电极由耐腐蚀材料 制成，如贵金属（铂和铱）及其合金。,23,植入式刺激器的安全设计,神经肌肉植入刺激器设计的目标寿命是 使用者的寿命，至少以10年计。, 生物相容性,它们与活组织共存而不干扰组织功能、产生有损组织反应
9、或由于组织环境改变而改变其属性。, 电磁干扰(EMI)和静电放电(ESD)的敏感性, 生产和测试,24,第二节 心脏起搏器简介,人工心脏起搏过程： 脉冲电流心脏（起搏功能障碍、房室传导障碍）按一定频率应激收缩。,心脏起搏器功能： 产生电脉冲（一定强度、宽度）导线、电极心脏（心肌）。,心脏起搏系统结构： 心脏起博器(低频脉冲发生器及其控制电路)、导线、刺激电极、电源。,25,一、人工心脏起搏器的作用,1用于治疗： 病症：心律失常（高度或完全性房室传 导阻滞、重度病态窦房结综合症等） 效果：显著，死亡率，大部分可从事工作。 用者：1976年始，全世界新装约：2030万人年，目前依靠起搏器维持生命的
10、500万人。,26,一、人工心脏电起搏器的作用,2用于诊断： 心房调搏辅助诊断冠心病。 心房超速起搏法诊断窦房结功能不全。 预测完全性房室传导阻滞是否将发生心脑综合症。 3用于研究： 心血管生理和病理以及药理和临床应用的实验研究。,27,二、心脏起搏器临床应用的适应症,1.长期起搏的适应症,（2）三束支阻滞伴有心脑综合症者。,（3）病态窦房结综合症(病窦综合症)；心动 过缓及过速交替出现并以心动过缓为主，伴有心脑综合症者。,（1）房室传导阻滞：度或度(莫氏度) 房室传导阻滞，无论是由于心动过缓或是由 于严重心律失常而引起脑综合症(阿-斯综合症) 或者伴有心力衰竭者。,28,二、心脏起搏器临床应
11、用的适应症,2.临时性起搏适应症,心脏病变可恢复；紧急时保护性，或诊断性应用。使用时间：几小时、几天到几星期。,（1）急性前壁或下壁心肌梗塞，伴有度或 高度房室传导阻滞，经药物治疗无效者。 （2）急性心肌炎或心肌病，伴有心脑综合症者。 （3）药物中毒伴有心脑综合症发作者。,主要适应症有：,29,二、心脏起搏器临床应用的适应症,(4)心脏手术后出现度房室传导阻滞者。 (5)电解质紊乱，如高血钾引起高度房室传导阻滞者。 (6)超速驱动起搏应用于诊断上，以及用于治疗其他治疗方法已经无效的室性或室上性心动过速者。 (7)在必要时可应用于安置长期心外膜或心肌起搏电极之前，冠状动脉造影、电击复律手术、重大
12、的外科手术及其他手术科室的手术中或手术后作为保护性措施者。 (8)其他紧急抢救的垂危病人。,30,三、心脏起搏器的分类及临床应用的起搏器简介,(一)心脏起搏器的分类,1按照起搏器与病人的关系分类,(1)感应式：,原理：体外起搏脉冲载波发射体内接受器 (感应线圈)解调(检波）起搏脉冲电极心脏。 优点：体内无电源，无电池使用寿命之忧。 缺点：接受效果不佳，易受高频磁场干扰。 仅构成固定型起搏。 应用：已趋于淘汰。,31,三、心脏起搏器的分类及临床应用的起搏器简介,(2)经皮式(体外携带式)： 原理：体外（按需或固定）起搏器电极经皮肤、静脉心脏。 优点：起搏频率、输出幅度、脉冲宽度、感知灵敏度等均可
13、调。 缺点：导线经过皮肤，易感染，携带不便， 应用：仅用于临时抢救，不宜永久佩带。,32,三、心脏起搏器的分类及临床应用的起搏器简介,原理：埋植于皮下(胸部或腹部)，电极静脉心内膜或心肌表面。 适合：永久起搏。目前使用大多属此类。 缺点：电源使用寿命短等。,（3）埋藏式：,2按照与心脏活动的P波和R波的关系分类,兴奋性即心肌受到刺激后引起反应的性能，又称应激性。,33,绝对不应期（absolute refractory period）：对任何刺激均不起反应，相当于心电图QRS波群开始至T波波峰前的一段时间。,相对不应期（relative refractory period）:对较强的刺激引起稍
14、低于正常时的兴奋反应，为有效不应期之末到复极完毕前的一小段时间，相当于T波终末。,易激期（vulnerable period）在T波波峰前后，有一短暂的兴奋性增强阶段，在此期间被刺激易激发心动过速、扑动或颤动。,34,三、心脏起搏器的分类及临床应用的起搏器简介,(1)非同步型(固定型)起搏脉冲与P波、 R 波无关。 (2)同步型起搏器分为P波同步、R波同步。,按照起搏器与患者心脏活动发出的P波与R 波的关系分类有两种：,3.按起搏电极分类,(1) 单极型： 阴极起搏导管(或导线)静脉或开胸 右心室(或右心房)，阳极(无关电极)腹部皮下(体外起搏器)或置于胸部(埋藏式起搏器，外壳即阳极)。,35
15、,三、心脏起搏器的分类及临床应用的起搏器简介,(2)双极型： 阴极、阳极均与心脏接触(固定在心肌 上) ；或阴极心内膜，阳极心腔内。,（二）各类起搏器简介,1. 固定型起搏器 固定：电脉冲频率、幅度（或经调节改变，与心电非同步）。 缺点：当f心f脉时，电脉冲成多余，与心电竞争，当落于易激期 (T波波峰前附近) ，可能诱发室颤或室性心动过速，危险！ 适用：完全性房室传导阻滞、永久性窦性过缓。 优点：电路简单，可靠性高，价格便宜。,36,三、心脏起搏器的分类及临床应用的起搏器简介,2R波同步型起搏器 电脉冲受R波控制，分两类： （1）R波抑制型(又称为按需型) 脉冲受R波控制： 当f心f脉时，电脉
16、冲停止 当f心f脉时，电脉冲输出 适应症：高度或完全房室传导阻滞、病态窦 房综合症。应用量大，约占总量 90左右。,37,三、心脏起搏器的分类及临床应用的起搏器简介,（2）R波触发型(又称为备用型) R波出现时，脉冲落在绝对不应期内（无效） R波没有时，脉冲起搏（备用） 优点：脉冲总是存在，便于监测。 缺点：功耗较大。应用较少,38,三、心脏起搏器的分类及临床应用的起搏器简介,3P波同步起搏器 心房P波放大延迟120ms脉冲心室（人造房室传导） 电极：心房1个，心室2个 适用：房室传导阻滞 缺点：电路复杂，使用不方便。 4. 房室顺序型起搏器 脉冲心房延迟（可被QRS波抑制）心室。 缺点：性能尚不够完善，房、室各一个电极。,39,三、心脏起搏器的分类及临床应用的起搏器简介,5. 双灶按需型起搏器 脉冲发生器心房（按需）；
