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2019年8月4日星期日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。3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。4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。5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6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。7电刺激的类型按电刺激部位分为三类：⑴表面刺激；⑵经皮刺激；⑶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。8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。9电刺激与电兴奋的基本因素刺激波形——方波序列刺激序列参数——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。(12Hz~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。10电刺激与电兴奋的基本因素。；IUtIUttIUdtIUWRRRttR为电流为通过活组织的电压降式中,)17()(1221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：11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。12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。13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、τ为两个常数。当时间t→∞时，I=IR，即时值τ，τ与曲线上升部分的斜率有关。14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。15电刺激引起组织兴奋的原理静息状态兴奋状态16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。17电刺激引起组织兴奋的原理18电刺激引起组织兴奋的原理19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。20电刺激的常见波形21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22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。23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。24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。⑴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境改变而改变其属性。⑵电磁干扰(EMI)和静电放电(ESD)的敏感性⑶生产和测试25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。26一、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：20～30万人／年，目前依靠起搏器维持生命的＞500万人。27一、人工心脏电起搏器的作用2．用于诊断：①心房调搏辅助诊断→冠心病。②心房超速起搏法诊断→窦房结功能不全。③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。28二、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：Ⅲ度或Ⅱ度(莫氏Ⅱ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。29二、心脏起搏器临床应用的适应症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Ⅲ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：30二、心脏起搏器临床应用的适应症(4)心脏手术后出现Ⅳ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。31三、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。32三、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。33三、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。34绝对不应期（absoluterefractoryperiod）：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（relativerefractoryperiod）: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。易激期（vulnerableperiod）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。35三、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)。36三、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。37三、心脏起搏器的分类及临床应用的起搏器简介2．R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。38三、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39三、心脏起搏器的分类及临床应用的起搏器简介3．P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。40三、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①→心房（按需）；脉冲发生器②→心室（按需）。6．程序控制型起搏器体内部分：埋藏式起搏器+记忆+保持体外部分：控制装置+电磁铁（可改变起搏参数、方式）新型起搏器，应用广泛。41三、心脏起搏器的分类及临床应用的起搏器简介起搏器命名的五字母编码法——国际心脏病学会制定字母序列12345表示起搏器的心脏位置表示感知的心脏位置表示反应模式程序编码功能治疗心动过速功能字母意义V－心室A－心房D－双腔V－心室A－心房D－双腔O－无感知T－触发或同步输出I－抑制D－双重O－无反应R－逆转P－程序M－多功能程序编码O－无程序B－猝发N－与额定频率竞争S－频率扫描E－体外控制起搏器42四、心脏起搏器的几个参数1．起搏频率即起搏器发放脉冲的频率。一般认为，能维持心输出量