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1、现代现代医学电子仪器原理与设计医学电子仪器原理与设计杨荣骞 华南理工大学生物医学工程系B6-134第七章 心脏治疗仪器与高频电刀7.1 电刺激治疗类仪器设计原理7.2 心脏起搏器简介7.3 固定型和R波抑制型心脏起搏器7.4 心脏起搏器的能源和电极7.5 心脏除颤器7.6 典型心脏除颤器7.7 高频电刀目录医学诊断-感知各种生理参数信号，完成信号的处理 最后显示和记录，供临床和医学研究使用。治疗-在治疗类设备中，电刺激器是医学电子仪 器中非常重要的代表。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-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
2、发挥 越来越重要的作用。高频电刀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。 取代手术刀进行各种外科手术 明显地减少出血，甚至不出血 杀菌作用7.17.1电刺激治疗类仪器设计原理电刺激治疗类仪器设计原理刺激方式与效应 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 电刺激常见波形植入式电刺激器的基本要求 封装要求 导联和电极设计 安全设计频率小于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。如图所示为 频率小于1kHz时电流大小对 人体的不同效应，在这个频 段，人体能耐受
3、的电流很小 。低频电刺激是一种不安全的 因素，应予以高度重视。另一方面，低频电刺激用于 疾病的治疗时有其特殊效果 ，如各类植入式刺激治疗仪 。 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，如微波热疗仪、高频电刀的应用等。 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。刺激方式与效应 电刺激的类型 电刺激系统通常由三部分组成1.脉冲发生器2.导联线3.电极 按电刺激部位，刺激类型可划分如下 表面刺激 经皮刺激 植入式刺激 电刺激与电兴奋的基本因素在功能性电刺激中，典型的刺激波形是方波序列，使用这种波
4、形的原因是它的效率和易于产生。刺激序列的三个参数，即频率、幅度、脉宽，全部对肌肉收缩有影响。一般来说，刺激频率应尽可能小，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。这个频率是变化的，可以小到 12Hz（通常为1214Hz），大到50Hz。 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。 腓神经刺激幅度：小到25V/200s臀大肌刺激幅度：120V/300s若电压降一定，则刺激能量由It来确定。这表明，电刺激 引起的组织兴奋不仅与I有关，而且还与刺激的作用时间有 关。 实验表明，活的系统在一定
5、条件下引起组织兴奋与电刺激 能量有关。若刺激的波形如图所示，则引起的组织兴奋的 能量激为：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。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，如图所示。曲线上的每一点代表一个阈刺激。阈刺激：刺激时间一定时，引起组织兴奋所必需的 最低刺激强度；或者刺激强度一定时，引起组织兴 奋所必须的刺激电流的最短持续时间。 基强度：刺激期间无论多长，必须有一
6、个最低的基本强度阈 值，称为基强度IR。 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 刺激期间称为利用时。 时值：用“时值”来表明兴奋性高低，其定义是用基强度IR 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 （即脉冲宽度）称为时值（）。 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t时 ，I=IR，与曲线上升部分的斜率有关。实际中不能完全确定时值是衡量组织兴奋性 的绝对数值 在实际应用时，为得到有效刺激，通常采用电 流为I=2IR，脉冲宽度略大于时值，此时产生 兴奋所需的能量最小。当刺激强度减弱到低于基强度时，无论刺激时间 怎样延长
7、，也不能引起组织兴奋；而当刺激作用 时间减小到远离时值以下时，即便大大增加刺激 强度，也同样不能引起组织兴奋。因此，兴奋性 组织的刺激强度-时间曲线的形状大致相同，但各 自的基强度和时值不同。 电刺激引起组织兴奋的原理 在直流电作用下，在阴极附近部分膜外正离子被中和，使膜极化减弱， 组织兴奋性升高。阳极则相反。 极兴奋法则：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。 电刺激引起组织兴奋的原理分析，可用下图所示的模型来说明。图中R 和C分别代表膜电阻和膜电容。神经纤维在静息时处于极化状态，即静 息电位的极化膜外为正，
8、膜内为负。 电刺激的其他效应1.刺激的电化学效应 2.电极腐蚀3.组织损伤 电刺激常见波形各种刺激波形引起组织损伤、电极腐蚀和兴奋阈值的优劣比较植入式电刺激器的基本要求 植入式电子仪器的封装 1.电子电路必须在人体的环境下受到保护。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。 2.环氧封装是植入神经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。聚合体不能提供密封的保护，因此不能用于高密度、高阻抗的电路的封装，一旦进入湿气，最终会影响电子元件，表面离子导致短路、漏电、电路灵敏度降低和其他功能失效。 3.金属封装通常使用钛，它
9、是用金属块加工或金属片拉长而成的。电信号经过焊接在封装壁上的连通器进出封装。连通器装配利用陶瓷或玻璃绝缘使一根或多根导线出入封装壁而不与封装壁接触。在装配过程中，电路放在封装内部与连通器连接，然后，焊接关闭封装。钨惰性气体、电子束或激光焊接设备用于最终的封装。金属封装要求接收线圈放在封装外以避免射频信号或能量的明显损失。因此，在体内需要额外的空间容纳全部的植入装备。通常，密封封装和接收天线共同嵌入在环氧中，环氧封装为金属天线提供绝缘，并使整个植入装备结构稳定。 导联和电极设计 -导联线连接脉冲发生器和电极，要穿过连接处，必须足够坚固。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
10、距离变化。把导线卷成螺旋状，并插入小直径的硅管中，可以获得弯曲和伸展的能力。 -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。例如，由于10%铱和90%铂组成的铂-铱合金通常用作电极材料，一种肌外电极用4mm Pt90Ir10圆盘放置于涤纶加强的硅背上。而肌肉电极使用末端不绝缘的导联线作为电极头部，上面有一个小的伞状锚钩，这样安排使得电极头部与导联线直径相差不大，可以用类似套针管的工具把电极放入肌肉深部。 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、产生有损组织反应或由于组织环
11、境改变而改变其属性。 电磁干扰(EMI)和静电放电(ESD)的敏感性EMI的发射可能来自外部源静电放电电击并非少见。这些电击电压可能高达15kV或更高。如果没有防护设计措施，敏感元件可能很容易被损坏。植入刺激器的电子电路通常用金属外壳防护。然而，电路可能被通过连通器进入的干扰信号损坏。如果使用长导联线，即使在植入后也可能发生损害。 生产和测试 植入电路及其封装，在许多情况下不符合监控产品和集成电路的封装标准而失败。为了减小失败的可能，植入电子装置应在受控的洁净环境中用高品质元件和严格制定的生产流程进行生产，最终产品在植入前应进行严格测试。 7.2 7.2 心脏起搏器简介心脏起搏器简介人工心脏起
12、搏器是一个以电池为动力的、体积 小而能植入体内、可产生连续稳定的电脉冲的 装置。 心脏起搏系统的基本结构由心脏起搏器（低频 脉冲发生器及其控制电路）、导线、刺激电极 、电源等组成。人工心脏起搏器的作用1、治疗：人工心脏电起搏器能治疗一些严重的心律失常。心律失常是由多种病因引起的心肌电生理特性改变的一种疾病，某些严重的心律失常如高度或完全性房室传导阻滞、重度病态窦房结综合症等 2、诊断：还可用于某些疾病的诊断。例如心房调搏辅助诊断可疑的冠心病、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患者是否有发生心脑综合症的危险等。3、药理及实验研究：人工心脏起搏技术在心血管的生理和病理生理以及
13、药理和临床应用的实验研究工作中，也取得了发展。例如在心律失常方面，将逐步揭示一些我们还不能解释的电生理现象，对心律失常的诊断和治疗会起到更积极的作用。心脏起搏器的临床应用的适应症1、长期起搏适应症 房室传导阻滞、三束支阻滞、病态窦房结 综合症2、临时性起搏适应症 临时性起搏指心脏病变可望恢复，紧急情 况下保护性应用或诊断应用的短时间使用 起搏器，一般使用几个小时、几天或几个 星期.心脏起搏器类型第1代为固律型起搏器（VOO），仅有起搏功能第2代为按需起搏器（VVI），具有起搏+感知功能第3代为生理性起搏器（DDD） ，具有起搏+感知+生理性起搏功能第4代为自动化起搏器，其功能及工作参数可自动调
14、整对运动的频率反应性对运动的频率反应性频率滞后频率滞后睡眠频率睡眠频率频率稳定性频率稳定性心脏起搏器的分类（一）按起搏器与病员的关系1、感应式：起搏器的脉冲发生器在体外，通过载波发射给被埋植在体内的接受器（感应线圈）接收，再经解调（检波）为原形起搏脉冲，通过起搏电极刺激心脏 2、经皮式（体外携带式）：起搏器在病员体外，起搏脉冲经皮肤和静脉送人心脏。3、埋藏式：起搏器全部埋植于患者的皮下（胸部或腹部），电极经静脉固定在心内膜或心肌表面 （二）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：非同步型（固定型）：起搏器发出的起搏脉冲与患者的P波或R波无关 同步型起搏器：分P波同步起搏器和R彼同步
15、起搏器 心肌的兴奋心肌的兴奋 性性? ?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。l相对不应期（relative refractory period ）:对较强的刺激引起稍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。l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。（三）按起搏电极分类有两种：1、单极型：阴极由起搏导管（或导线）经静脉或开胸送至右心室（或右心房）
16、；阳极（无关电极）置于腹部皮下（当起搏器为体外携带式时）或置于胸部（当应用埋藏式起搏器时其外壳即是阳极）。2、双极型：起搏器的阴极与阳极均与心脏直接接触（固定在心肌上，或阴极与心内膜接触而阳极在心腔内）。各类起搏器简介各类起搏器简介固定型起搏器：这类起搏器无论心脏自搏心率快慢与否，起搏器只发出固定（或经调节改变）频率、幅度的电脉冲，不受自主心率的支配,一旦心脏自主心率超过电脉冲频率，心脏将自身搏动，而这个电脉冲的刺激对心脏来说则是多余的。 适应症：完全性房室传导阻滞和永久性窦性过缓缺点：如果电脉冲落在易激期，则患者自己发出的心室激动与起搏器节律发生竞争心律，诱发心室纤颤或室性心动过速R波同步型起博器 （1）R波抑制型，又称为按需型，它不但能对心脏发放刺激脉冲，又能接受来自
