电刺激和心脏起搏

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1、 电刺激和心脏起搏生理学及生物物理等学科的实验研究工作，广泛地应用刺激来研究可兴奋组织的特性。生命系统对于各种化学、物理因素的变化而发生反应的特性称为兴奋性或 应激性，这种反应可以表现为神经冲动、肌肉收缩、血 管的张弛、腺体的分泌等。对于不同对象，刺激有适宜和不适宜之分。原则上各种刺激因素（温度、光、化学等）都可以采用，但能 够很好加以调节控制的主要是电刺激，可以通过电刺激 研究有关可兴奋组织产生兴奋、传导的规律。临床应用电刺激兴奋所产生的生物反应来控制和替代生物机能，从而达到治疗的目的。另一方面，通过 神经肌肉组织对电刺激的反应特点来判断是否存在病 理变化，从而实现疾病的诊断、疗效判定等，称

2、为电 诊断。电刺激应用于临床最成功的是心脏起搏器。一、电刺激实验表明，活系统在一定条件下引起组织兴奋与电刺激的能量有关，若刺 激波形如图所示，则刺激能量为电刺激引起的组织兴奋不仅与强度I有关，而且与刺激的作用时间有关。1.强度阈当电刺激的作用时间一定，能够引起组织兴奋的最低刺激强度称为刺激强度的阈值。2.时间阈当电刺激的刺激强度一定，能够引起组织兴奋的最短刺激时间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存在一定 的关系曲线，如图所示。电刺激强度-时间曲线 曲线上每一点代表一个阈刺激； 基强度IR：最低的基本强度阈值；以基强度作为刺激引起兴奋所需的最短时间称为利用时； 时值：用基

3、强度的2倍作为刺激强度引起组织兴奋所 需的最短时间称为时值；电刺激强度-时间曲线的等效方程为从曲线中可以看出，当刺激强度减弱到低于基强度时，无论刺激时间怎样延长也不能引起组织兴奋；而 当刺激时间减小到远离时值以下时，即使增加刺激强 度也不能引起组织兴奋。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，如图所示为部分 兴奋组织的时值。4.刺激强度的变化速率刺激强度的变化速率对于能否引起组织兴奋有其重要意义。实验表明，对于一个强度逐渐增加的刺激，由于变化速率慢，即使超过矩形波的强度阈值也不一定引起 组织兴奋。同样对于一个中等强度的直流刺激，只是 在通电与断电的瞬间能引起组织

4、兴奋，而在电流持续 期间并不能引起兴奋，这种现象在生物学上就做适应 。对于矩形波刺激，其上升和下降沿的持续时间应小于几微秒。5.刺激频率决定组织兴奋后能否接受下一个刺激而产生兴奋 的因素是组织绝对不应期的长短，通常大约为1ms。刺激频率一般在1kHz以下，大多数哺乳动物的神经肌肉组织产生兴奋的最佳频率为100Hz；如果刺激频率大于100kHz，再强的刺激也不能引起组织兴奋， 但由于使组织发热可用于理疗。可以看出，为了研究电刺激对组织的作用规律，必须精确控制电刺激的参数，包括幅度、时间 、频率等。二、电刺激引起组织兴奋的原理在直流电流作用下，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

5、性升高；反之在阳极 膜极化加强，组织兴奋性下降。电刺激作用原理的实验示意电刺激作用下的膜电流方向 (a)通电时 (b)断电时二、电子刺激器的组成原理和应用1.电子刺激器的组成原理一般由频率单元、延时单元、宽度单元、功率单元、隔离器、电源等组成。(1)单脉冲刺激器输出重复单脉冲或手控单脉冲，脉冲频率、宽度和幅度参数可分别控制，也可用示波器或其它频率发 生器进行外触发。单脉冲刺激器一般由频率单元、延 时单元、宽度单元、功率单元和电源组成。单脉冲刺激器框图频率单元：可变频率的脉冲信号； 工作方式选择开关：内触发、手控触发和外触发； 延时单元：单稳态触发器，改变RC时间常数，示波器清晰观测； 宽度单元

6、：单稳态触发器，改变RC时间常数； 输出单元：由恒流或恒压单元组成；单脉冲刺激器各单元波形(2)双脉冲刺激器输出成对脉冲。宽度单元1输出脉冲除送到输出单元外，还用间隔单元的后沿触发宽度单元2，脉冲1和 脉冲2在输出单元混合后输出。双脉冲刺激器的组成原理框图双脉冲刺激器波形图(3)刺激器隔离技术当待测信号很小(几微伏)时，刺激电流在刺激电极 和记录电极之间形成电导性耦合，在记录电极间产生 刺激伪迹，使实验工作无法进行。图中A和B是刺激电极，C是记录电极。刺激生物标本时非等位面测量模式及等效电路考虑寄生电容时刺激与记录系统的等效电路几种伪迹波形A、B、C为RC不平衡时的伪迹波形；D是R平衡、C不平

7、衡；E是C平衡、R不平衡；F是R、C平衡而时间常数不同；G是R、C均平衡，理想记录波形；减小伪迹的措施： 桥臂电阻平衡； 刺激器隔离：光耦合、变压器耦合光耦合变压器耦合2.电刺激用于康复治疗(1)直流电及直流电药物离子导入疗法u直流电疗法：在直流电作用下，机体组织内各种不同 电荷的离子分别向着与自己极性相反的电极移动，使组 织内离子浓度比发生变化，从而引起组织物理化学反应 的改变。 促进局部小血管扩张，改善局部营养和代谢； 对神经系统功能有明显的作用； 直流电促进骨折愈合作用； 较大强度的直流电对静脉血栓有促进溶解退缩作用； 治癌作用；直流电促进骨折愈合u直流电药物离子导入疗法：用直流电将药物

8、离子通 过皮肤、黏膜或伤口导入体内进行治疗。导入的离子主要堆积在表皮内形成离子堆，以后通过渗透渐渐进 入淋巴和血液。 导入的药物在局部浅表组织浓度较高，作用持续时间长，疗 效持久； 兼有反射治疗作用及直流电和药物的综合作用； 缺点是导入药量少，进入浅，对全身影响较小、较慢等；(2)低频脉冲电疗法应用频率在1000Hz以下的脉冲电流治疗疾病的方法。脉冲电流由于电压或电流呈短促的变化，使机体内离 子和带电胶粒呈冲击式移动，从而引起离子浓度比的急 剧改变，故而对运动神经、感觉神经和植物神经均有强 烈的刺激作用。在康复治疗中，常用的有神经肌肉电刺 激疗法、功能性电刺激等。u神经肌肉电刺激疗法：以中低频

9、电流刺激神经肌肉进 行治疗的方法。例如对于变性肌肉电刺激可促进局部血液循环，引起肌肉节律性收缩，从而延缓病肌萎缩；还可促进神经再 生和神经传导功能的恢复。u功能性电刺激用电刺激作用于丧失功能的器官或肢体，以其产生的即时效应来代替或纠正器官和肢体的功能。例如人 工心脏起搏器通过电刺激来补偿病窦综合症等患者所 丧失的心搏功能；刺激膈神经以调整呼吸功能；刺激 膀胱有关肌肉以改善排尿功能等。电刺激应用于神经肌肉以补偿或纠正肢体的功能，称为神经肌肉功能性电刺激。(3)中频电疗法应用频率在1100KHz的电流治疗疾病的方法。中频 电对运动、感觉神经的刺激作用虽然不及低频电明显， 但对植物神经、内脏功能的调

10、节却优于低频电，而且可 以作用到组织深处，在引起强烈肌肉收缩时皮肤无明显 刺痛。有人证明在60008000Hz范围内肌肉收缩的阈值 和痛阈有明显的分离现象，因此利用这种频率就可能使 肌肉发生强烈的收缩而不引起疼痛。适应关节和软组织损伤、肩周炎、周围神经麻痹、肌 肉萎缩等。采用半波型调整电流时，可广泛用于药物离 子导入，与直流电相比，正弦调制中频电的导入量多， 导入较深。(4)高频电疗法应用频率大于100KHz的高频电流治疗疾病的方法。高频电 作用于人体时主要产生热效应，温热效应可以改善血液循环。 中等剂量高频电可使局部血管扩张、血流加速、血液循环改善 。大剂量高频电则使血管麻痹，出现淤血、毛细

11、血管内栓塞， 血管周围出血。三、心脏起搏器对于心脏的电刺激，是人体电刺激研究和应用中开始最早、最为成功的。正常状态下，由心脏窦房结产生兴奋传导到心房再传导到心室引起心脏的搏动；如果由于心脏疾患而使这种 传导受阻，则心搏减缓而危及生命。1932年，海曼 (Hyman)设计了第一台心脏电刺激起搏器，看到了心脏 电刺激的可能性。1952年，佐尔(Zoll)通过皮肤电极成 功地对两名患者的心脏进行电起搏，使已经停止跳动的 心脏复苏，从而将起搏器用于临床。现在已经实现了全 面植入式心脏起搏器的长期使用，据报道全世界每年植 入的心脏起搏器有150000个。长期的心脏电起搏涉及能源、电极材料、电极-电解质溶

12、液界面的电化学过程、刺激电极附近的电场功耗、 金属电极周围组织的反应、心脏细胞对刺激的反应等物 理化学方面的问题。u心脏的泵血功能 右心：泵血入肺循环； 左心：泵血入体循环。1.心脏起搏的电生理基础心脏内特殊的传导系统，即窦房结、房室交界、房室束和浦肯野纤维，具有产生节律性兴奋的能力， 并将节律性兴奋传导到心脏各部分的心肌，通过兴奋 -收缩耦联机制，引起心房和心室的有序的节律性收 缩和舒张。 正常情况下，窦房结的自律性最高，整个心脏的兴奋和收缩是由它自动产生的兴奋引起的，所以窦房 结为心脏跳动的正常起搏点。u心脏的节律性和传导性 传导过程窦 房 结 结间束 房间束 （优势传导通路） 房室交界

13、心房肌 房室束 左、右束支 浦肯野纤维 心室肌传导时间心房内-房室交界-心室内(0.1s) u心动周期心房或心室每收缩和舒张一次称心动周期。T1/f60s/750.8s 房缩 0.1s 房舒 0.7s 室缩 0.3s 室舒 0.5su心电图ECG 将引导电极置于身体一定部位，记录整个心动周期 中心电变化（各心肌细胞的综合心电向量）的波形图 。心脏各部分动作电位与心电图的关系名 称 时间（S） 幅度（mV) 意 义P波 0.060.10 0.050.25 两心房去极化Q波R波 0.060.10 0.52.0 两心室去极化S波 T波 0.050.25 0.11.5 两心室复极化过程 P-R间期0.

14、120.20 兴奋：房室的时间 S-T段 0.050.15 心室肌的AP处于平台期 Q-T间期 0.4 心室去极化+复极化的时间在一个心动周期内，根据不同时期兴奋性的变化，一 般分为绝对不应期、相对不应期、超常期。 绝对不应期：心肌细胞发生一次兴奋后，在一段时间 内，无论给予多强的刺激，都不会产生动作电位。 相对不应期：心肌细胞一次兴奋后，在有效不应期后 ，有一段时间，用阈上刺激可以引起动作电位。 超常期：相对不应期后，有一段时间，用小于阈强度 的刺激就能引起心肌细胞产生动作电位。2.人工心脏电起搏器类型心脏起搏器的基本结构是由脉冲发生器、刺激电极和感知放大器组成。心脏起搏器按照作用不同分为

15、不同的类型，其刺激心脏的脉冲电流形式和电极位置 各不相同。心房电极导线心室电极导线单腔起搏系统心室双腔起搏系统三腔起搏系统人工心脏起搏器的分代及功能 分代名称问世时间基本功能缺点第一代固律型1958年起搏起搏竞争性心 律失常第二代按需型1967年起搏、感知起搏器综合征第三代生理型1978年起搏、感知、各 种生理功能起搏器介导性 心动过速第四代 自动化起搏器1992年起搏、感知、各 种生理功能 工作参数自动化 调整价格较贵(1)固定频率型刺激强度和频率固定，产生的刺激脉冲与心脏自身的节律无关，而无感知功能。这种起搏器仅适用于完全性房室传导阻滞或永久窦性过缓。当心脏出现自身搏动时，起搏器成为 多余

16、的额外刺激，自身节律和起搏节律之间发生干 扰，形成竞争节律，导致心律紊乱。这种起搏器结构简单，性能稳定可靠，体积小，功耗低且价廉。(2)P波同步型在心房安置一感知电极，心室安置起搏电极，当心房电极感知P波之后，脉冲发生器向心室发出延迟120ms的刺激脉冲，因此心室速率随心房速率而改 变，从而恢复了心脏的调节功能。由于P波幅度小，频谱基波频率低，所以对感知放大器要求较高，电路比较复杂，心房电极定位也 比较困难。(3)R波(心室)同步型当心脏有自身心搏发生时，起搏器能够自动控制刺激脉冲的发放，以避免刺激脉冲和自身心搏的竞争。心室电极具有感知QRS复波和同步刺激心室的双 重功能。当自身心搏的QRS波出现时，起搏器随即取消下一个预定的刺激脉冲的发放，从自身心搏的QRS波开始 重新安排刺激脉冲的周期；而在此QRS波后的规