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1、治疗类仪器设计原理,9.1概述,现代临床医学对疾病的治疗的方法主要有以下几种：药物治疗手术治疗仪器治疗心理治疗,人类对抗疾病的过程分为四个阶段，即：预防、诊断、治疗及健康。其中治疗除了药物治疗和手术治疗外，各种新的物理治疗方法及相应的仪器现正发挥着日益重要的作用。物理治疗 (简称理疗)就是利用热、光 (包括辐射)、电、磁、声、机械等物理能量作用于人体，达到治疗疾病或缓解病痛的目的。理疗在我国有着悠久的历史。中医中的针炙、按摩、拔火罐、热疗、磁疗等治疗方法至今仍在使用。现代理疗技术，是伴随着现代科学技术的发展而兴起的，不仅出现了利用静电、交直流电、微波、射频电磁波、激光、红外、紫外、超声波、高能
2、粒子等效应的新型物理治疗手段和方法，而且给传统的理疗方法注入了现代科学技术的新内容。本章主要介绍利用电、微波、射频电磁波、超声波等物理能量的治疗用电子仪器。,仪器治疗包括手术治疗和非手术治疗。手术治疗是指用激光、高频电磁波、放射线、微波、超声等单独的或配合传统手术的治疗。而非手术治疗则是用电疗、磁疗、热疗、放疗等宏观无创的方式进行治疗。,治疗类仪器的设计原理是基于各种物理因子对人体不同的生理和生物效应。,电磁辐射的特点：根据近代物理学的观点，所有的电磁辐射不仅具有波动性而且具有粒子性。根据量子能量的大小，在考虑实际问题中分别考虑波动性和粒子性。量子能量足够大的电磁辐射与某种物质相作用时，可将其
3、原子或分子中的束缚电子击出。,电治疗类仪器设计原理,频率小于1kHz时的电流对人体细胞的作用主要是以刺激效应为主。,神经肌肉电刺激治疗类仪器应用TENS （ Transcutaneous Electrical Nerve Stimulation）疗法原理，使用恒流或恒压、一定频率的波形施加于人体肌肉组织，在人体肌肉组织中产生电阻性发热、神经肌肉的电兴奋及其他生化反应，从而具有解痉镇痛、消炎、改善血液循环等疗效。 此类仪器根据其电原理又分为许多种类型，有直流电离子导入治疗仪、低频电刺激治疗仪、中频电刺激治疗仪、高频电刺激治疗仪、温热脉冲电流刺激治疗仪、差频电疗仪、电针灸治疗仪等。,为了适应人体的
4、各生理部位，以及人体的个体差异和病症不同等特点，电刺激信号的频率、脉宽、幅度均设计成有较广泛的调节范围。为了避免人体组织对电刺激的生理适应性反应，电刺激信号的波形也设计成各种各样，有脉冲波、尖峰波、三角波、锯齿波、正弦波等，并有多种疗程选择。,低频电刺激频率范围为01kHz，中频范围为1k100kHz，高于100kHz属高频范围。现在电刺激频率向中高频发展，因为中高频使人体容抗减少，治疗电流量增加，不适感减小，但由于中频电流的周期性会使人产生适应性，所以有人设计出随机中频电刺激治疗仪。电针灸治疗仪是根据中医针灸原理结合电刺激的治疗仪器，它产生频率为几十至几百Hz的双向脉冲波，通过针电极刺激人体
5、穴位。有人还研制出专用的（如专治哮喘病）电针灸治疗仪。,此类仪器早期大都采用电子线路控制，功能比较单一。现在一般采用单片机控制，功能较多，不但有多档参数选择，而且有刺激参数显示。有的仪器还做成治疗诊断两用型的，即不但可用来电刺激治疗，而且具有强度-时间曲线检查和时值测定等诊断功能。,电刺激方式：电刺激系统通常由三部分组成：、脉冲发生器，产生使神经去极化的脉冲序列；、导联线，把脉冲传输到刺激位置；、电极，把刺激脉冲安全、有效地传输到可兴奋组织。,按照电刺激部位，刺激类型可划分如下：、表面刺激、经皮刺激、植入式刺激,电刺激的生物效应：阳极中断刺激的电化学效应脑组织的刺激与效应周围神经的刺激与效应肌
6、肉组织的刺激与效应电极腐蚀组织损伤,植入式电子仪器的基本要求： 1、植入式电子仪器的封装要求 2、导联和电极设计 3、植入是刺激器的安全设计,治疗用电子仪器,电刺激治疗仪 心脏除颤器 高频电刀 微波热疗治癌仪 射频热疗仪,超声治疗仪 体外冲击波碎石机 体外反搏装置 电化学治癌仪 远红外理疗仪,电刺激治疗仪,电刺激治疗仪利用低频率、小电流及低电压的脉冲电流来治疗某些类型的疾病。 医学上把频率从01000Hz的脉冲电流称为,低频电流，常用的低频电流波形有三角波、方波 (单向脉冲)、梯形波、正弦波、双向非对称脉冲和双向对称脉冲。最常用的是双向对称或不对称脉冲。双向脉冲方向正负变化，在电极处无电解作用
7、。低频脉冲电流具有兴奋神经肌肉组织、促进局部血液循环、镇痛和消炎等多种生理作用，在临床理疗上用来治疗周围神经麻痹、肌肉萎缩、关节肿痛、肩周炎、偏瘫、肌肉劳损、软组织损伤、神经痛等疾病。,电刺激治疗仪的电路结构形式很多，现代的电刺激治疗仪都采用微机控制，由可编程波形发生器产生各种刺激波形，刺激脉冲的宽度、频率、幅度以及刺激的起始时间及持续时间等也都用微机控制。既可以恒压输出又可恒流输出，恒压输出最大可达160V，恒流输出最大可达100mA。,上图是一种电刺激治疗仪的电路原理框图，由单片机、D/A转换器、可编程定时器、刺激脉冲合成、功率放大器、脉冲变压器、刺激电流检测及数码显示、过载保护等部分组成
8、。,D/A转换器用来控制刺激脉冲的幅度，即微机向D/A转换器输出一个数字量，由D/A转换为与某数字量成正比的模拟电压，此模拟电压的大小就决定了刺激脉冲的幅度。可编程定时器通过编程产生的脉冲决定刺激脉冲的频率和宽度。刺激脉冲合成电路将上述信号合成为一定幅度的双向脉冲送功率放大器。在刺激器的输出级采用脉冲变压器，一方面起升压作用，另一方面起人体安全隔离作用。在变压器输出端，接有高频滤波器，以防止上电和关电时对病人可能产生的电冲击。,电流检测电路的用途是检测输出刺激电流的大小，以进行恒流输出反馈控制以及微机实时显示刺激电流的实际大小。其原理是在脉冲变压器输出回路中串联一个测流电阻，在这个电阻上可得到
9、与刺激电流成正比的脉冲电压信号，此信号经光电耦合后送A/D转换器，由微机实时采集电流大小，再由微机根据刺激电流的大小实时调节D/A输出，从而调节刺激电流保持恒定，这也就是通过微机自动控制刺激电流的大小及恒定，而不是采用电流负反馈电路自动调节。另一方面，微机将电流大小送显示数码管实时显示。,电流检测的另一个目的是过载保护，当刺激电流超过一个设定的安全值时，过载保护电路会停止刺激脉冲合成电路的输出，从而保证了由于意外情况对病人造成的伤害。电刺激治疗仪采用光电隔离和变压器隔离保护措施，以保证人身的电气安全。,心脏起搏器 （Pacemaker）,正常状态下，由心脏窦房结产生的兴奋传导到心房，再由心房传
10、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 (称为房室传导阻滞)，则心搏减缓，进而危及生命。心脏起搏器是用一定形式的电脉冲刺激心脏，使之按一定频率有效地收缩的一种植入式电子装置。心脏起搏技术是工程技术与心脏电生理相结合形成的一门新科学。由于对心律失常治疗有良好效果，受到人们极大的重视。特别是随着微电子技术和微处理器技术以及新能源的应用，近年来心脏起搏器技术发展十分迅速。,早在1932年Hyman创制一台用针刺入心脏起搏的重达7.2公斤的仪器，命名为人工心脏起搏器以来，这个名称一直沿用至今。1952年，Zoll创造用脉冲电流经胸壁刺激起搏的方法，挽救了32名房室传导阻滞患者的生命
11、。1958年，Furmam开创心内膜电极起搏技术，同年，由西门子公司安装了世界第一个埋藏式起搏器 (固定频率型)，并成功起搏心脏，从此人工心脏起搏技术进入成熟期，并得到迅速发展。,70年代以来又出现了心房心室顺序起博的心脏起搏器，更符合血液动力学及人体生理要求。之后又出现了植入人体后能被程控仪根据病人不同需求而改变不同工作参数的起搏器。随着临床医学及电子医学的发展，80年代后期起搏工业有了突飞猛进的发展。现代的起搏器已经具备能根据病人活动情况自动调节起搏频率；根据病人起搏阈值自动调节能量输出；起搏器与程控器实现了双向实施遥测，起搏器不但起到起搏心脏的功能，还可以记录心脏的活动情况，供医生诊断疾
12、病和根据具体情况调整起搏参数时作参考。,随着起搏器功能的增加，起搏治疗适应症也在增加，除了最早用于治疗房室传导阻滞和窦房结功能不良外，现在起搏器也为心肌病、心衰、房颤、迷走神经综合症等疾病的治疗提供了更多的选择。同时起搏器的电池的寿命也有了很大的改善，从最初的纽扣电池到锂碘电池，再加上自动阈值夺获功能的应用，起搏器的使用寿命可达15年以上。起搏器的体积也越做越小，目前世界上最小的起搏器为圣犹达St.Jude Medical公司生产，重量只有12.8g，体积5.9立方厘米，如一枚一元硬币。我国从1976年开始研制起搏器，至今可以生产锂电池作能源、钛钢全密封、厚膜电路按需型埋藏式心脏起搏器。,心脏
13、起搏器的类型有：固定频率型 (早期产品)，P波同步型 (早期产品)，心室同步型，房室顺序型，全自动型，其中、种又称按需型。全自动型可根据心脏的工作情况自动选择和更换发送脉冲的方式，其性能已经与人体心脏生理要求相接近，可自动抗心律失常，自动抑制心动过速的多余冲动，又能在正常时自动关闭。,随着电子技术的飞速发展，人工心脏起搏领域的新技术不断涌现，人工心脏起搏的适应证也不断拓宽。双心房起搏适宜于伴有房内阻滞的阵发快速房性心律失常患者，能起到治疗和减少房性心律失常发作的效果。双心室起搏应用于充血性心力衰竭伴有室内阻滞的患者，通过置入冠状静脉窦电极至血管分叉处来实现左室起搏。目前，多部位心脏起搏方式在国
14、内刚刚起步，其远期疗效和预后以及并发症等尚需进一步观察和研究。临床上应严格掌握适应证。新型的可感知情绪变化的闭环频率反应起搏器具有感知体力和情绪变化而自动进行频率调节的功能，是更能满足生理的频率反应起搏器。,对心脏起搏器的质量要求是极高的，要求其工作要极端地可靠。其中关键的技术问题一是材料问题，它的电极、导线及外壳材料不能与肌肉组织发生有害化学反应；二是电池寿命问题，电池寿命也就是起搏器的寿命，一定要长寿命。现在使用锂电池，寿命可达810年；三是体积尽可能要小，可使用大规模集成电路以缩小体积，现在其厚度可达1016mm，重量仅4060克；四是控制技术，一般采用微处理器，进行按需式程序控制。,心
15、脏除颤器,心脏除颤器是一种能将脉冲电流输入心脏，以消除心脏颤动，使之恢复窦性心律的近代医疗电子仪器。心脏发生纤维性颤动 (分心房纤维性颤动和心室纤维性颤动，简称房颤和室颤)，特别是发生室颤时非常危险，不及时抢救就会死亡。而一种有效的抢救方法就是对心脏进行电除颤 (defibrillation)。心脏起搏与心脏除颤的区别是：后者除颤时将一次瞬时高能脉冲作用于心脏，一般持续时间是410ms，电能在40400焦耳（瓦秒）内。,心脏除颤器的原理是利用LC电路进行高压直流充放电。高压发生器能将+l5V的低电压转变为3.5kV6kV的直流高压。经过高压继电器,K的常闭触头向高压电容器C充电。对病人除颤时，
16、一个电极放在胸前胸骨部位，另一个放在胸前心尖部位，医生按下放电按钮，高压继电器K动作，使放电的一对触头闭合，电容C中的电荷迅速通过电感线圈L和两个电极在人的心脏区域作短时间的放电，给心脏一个大电流刺激。这样，往往可以纠正室颤，使心脏恢复正常跳动。,除颤器的电源用交流电或直流电(镍镉蓄电池)。高压发生器将交流电整流滤波后所得的+l5V直流电或蓄电池的+l5V直流电通过DC/DC(直流/直流)变换电路变成直流高电压，即将+l5V直流电通过电子开关变为交变脉冲电压，再通过升压变压器升压，并经高压整流后变成直流高压，向高压电容器C充电。因为除颤器是非常重要的抢救用仪器，所以现代除颤器大多是便携式和交直流两用的，内有镍镉可充电电池，平常充电或一直处于充足电状态，以便随时急用。,除颤器对人体放电是用能量 (单位：焦耳)来计量的。医生根据病情决定用多少能量并可以调节。除颤器的能量有两种表示方法：一是电容器贮存能量，二是传递能量。传递能量是贮存能量经电路损耗后实际给人体的能量。贮存能量由下式决定：（焦耳），其中C是高压电容器的电容值，一般取1630F，U是电容器的充电电压，最大值一般为3.5kV6.0 kV。W一般最大为400焦耳。贮存能量用并联在高压电容器两端的能量计来测量。传递能量一般为贮存能量的80%，最大为320焦耳。,
