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1、心脏起搏器与物理 摘要：心脏起搏器(cardiac pacemaker)，就是一个人为的“司令部”，它能替代心脏的起搏点，使心脏有节律地跳动起来。心脏起搏器是由电池和电路组成的脉冲发生器，能定时发放一定频率的脉冲电流，通过起搏电极导线传输到心房或心室肌，使局部的心肌细胞受到刺激而兴奋，兴奋通过细胞间的传导扩散传布，导致整个心房和（或）心室的收缩。心脏的电信号使它跳动。当运行时，心脏跳动加速；当睡眠时，心脏跳动减慢。如果心电系统异常，心脏跳得很慢，甚至可能完全停止。人工心脏起膊器发出有规律的电脉冲，能使心脏保持跳动。（1）关键词：心脏， 起搏器，脉冲，电流 心脏起搏原理及应用1. 原理心肌对任何
2、形式的电流刺激都可以产生收缩反应, 这是人工心脏起搏的生理基础。通过起搏器发放一个短时限(0. 51. 5ms ) 、低强度(5V) 的脉冲电流, 经导线和电极传递到达心肌,刺激心肌而使其产生兴奋,传导和收缩,完成一次有效的心脏跳动, 其有效的刺激使心脏按一定的起搏频率搏动, 它犹如一个人工的异位兴奋灶。若心肌已无兴奋、传导和收缩功能,电刺激则不能激起电极周围的心肌兴奋, 即使局部心肌能兴奋,但不能扩散传播,亦不能引起心脏整体的有效收缩。当病人自身的心率慢于所设定的起搏器频率时, 起搏器发放阈上脉冲刺激, 引起心脏搏动而维持稳定的心率; 当病人出现心动过速时, 起搏器按设定形式, 发放高于心动
3、过速频率的阈上脉冲刺激, 该脉冲刺激一旦夺获心肌, 导致原心动过速兴奋灶的输出阻滞;或者发放适当的1 个、2 个或一串期前刺激打断心动过速的折返途径,从而终止心动过速的发作。起搏基本参数主要有起搏阈值(0. 51. 5V) 、起搏频率(60100 次/ min) 、最高极限频率(120150 次/min) 、脉冲宽度(0. 50. 3ms) 、感知灵敏度(临床要求愈小愈好) 、反拗期(300350ms) 及去颤保护(400W s) 等。 2 应用埋藏于体内的起搏器为埋藏式起搏器, 作为永久性心脏起搏, 用于慢性或间歇发作的严重缓慢性心律失常如心脏传导阻滞、病态窦房结综合征等;放在体外的起搏器为
4、体外起搏器,用于临时性起搏, 如永久性起搏器植入的过渡或心脏骤停的抢救等等。（2）3心脏起搏器电源与电极 1脉冲发生器的电源,在体外起搏器可随时更换,一般无严格要求。而对于埋藏式起搏器,要求其电源能量密度高、自放电小、高可靠性和使用寿命长等优点。目前有以下几种。1) 镉- 镍电池。通过高频振荡器和功率放大器可在体外充电。体外的初级线圈放在皮下埋置的次级线圈的皮肤表面上,这时体内线圈可从体外线圈感应出电压。经过整流、滤波变为直流电。在体外可进行万次以上充电。2) 核素电池和“生物燃料”电池。一般采用具有高能、长半衰期的核燃料。其寿命为目前起搏器电池中最长的一种, 预计可达20 年,被誉为终身能源
5、,对青年较适合。但其价格昂贵及射线防护等问题, 在许多国家禁用; 生物能源是利用人体血液中的葡萄糖氧化或电磁转换等生理活动将化学能或机械能转换为电能。但目前仍在试验阶段。3) 锂- 碘电池及锂系列电池。锂电池具有高能量、寿命长、密封好不产生气体和漏液, 尤为重要的是还有电池耗竭早期预报功能。锂- 亚硫酰氯电池已成为埋藏式起搏器较理想的能源。2 电极和导线。这两者是人体心脏与起搏器联系的重要部件, 是起搏器发放脉冲到心脏, 心脏的R 波或P 波信号传送至起搏器感知放大器的通道。临床研究证明电极的形状、材料、面积等都可改变起搏阈值。因此,要求电极形状合理、材料物理性能和生物相容性好,而且电极面积应
6、适当减小。3 电极类型。按安置位置及用途分为心内膜电极、心外膜电极和电肌电极; 心内膜电极分为双极电极和单极电极两种。双极电极的两个电极分别为起搏器的正负极。单极电极仅有一个电极接触心脏, 作为负极, 而起搏器金属外壳作为另一极,一般称为无关电极。心内膜电极由于安装简便,临床使用约占90 %以上。4电极结构和形状。由于其重要的作用, 对其物理化学性能要求极高。导线电极大多用硅橡胶做外套, 用El gilo y 合金、镍合金或铂铱合金等材料作导体和电极头电极的形状有勾头、盘状、柱状、环状、螺旋状、伞状等。（3） 脉冲发生定义脉冲发生器是用来发生信号的系统，产生所需参数的电测试信号仪器。按其信号波
7、形分为四大类。 分类：按其信号波形分为四大类： 正弦信号发生器。主要用于测量电路和系统的频率特性、非线性失真、增益及灵敏度等。按其不同性能和用途还可细分为低频（20赫至10兆赫）信号发生器、高频（100千赫至300兆赫）信号发生器、微波信号发生器、扫频和程控信号发生器、频率合成式信号发生器等。 函数（波形）信号发生器。能产生某些特定的周期性时间函数波形（正弦波、方波、三角波、锯齿波和脉冲波等）信号，频率范围可从几个微赫到几十兆赫。除供通信、仪表和自动控制系统测试用外，还广泛用于其他非电测量领域。 脉冲信号发生器。能产生宽度、幅度和重复频率可调的矩形脉冲的发生器，可用以测试线性系统的瞬态响应，或
8、用作模拟信号来测试雷达、多路通信和其他脉冲数字系统的性能。 随机信号发生器。通常又分为噪声信号发生器和伪随机信号发生器两类。噪声信号发生器主要用途为：在待测系统中引入一个随机信号，以模拟实际工作条件中的噪声而测定系统性能；外加一个已知噪声信号与系统内部噪声比较以测定噪声系数；用随机信号代替正弦或脉冲信号，以测定系统动态特性等。当用噪声信号进行相关函数测量时，若平均测量时间不够长，会出现统计性误差，可用伪随机信号来解决。（4）4 脉冲发生器电路脉冲发生器的原理图示于图4，由充电回路和放电回路组成。充电电源v 是逆变谐振高压电源，通过充电电阻R 向开路的高压电缆进行脉冲充电 高阻值的取样电阻尺 对
9、高压电缆的电压进行取样，并送至稳压控制电路 控制电路通过控制充电脉冲的个数来控制电缆的充电电压，直至到达设定的电压值。在，=0时，触发电路工作，闸流管K(EEv CX1174)作为理想开关导通。这时，传输线通过闸流管、冲击磁铁 k和匹配电阻R放电。冲击磁铁是一对电流板，可视为一电感，并可通过TDR(Time Domain Reflectometry)系统测出电感值l7 J。此外，线路的自感也须予以考虑受高压充电电源的限制，为到达一定幅度的放电电流，用4根高压脉冲电缆并联，以降低回路阻抗，增大电流的幅度。由TDR系统测出传输线的长度约为45 ns。冲击磁铁和整个系统的连接线较短，且采用同轴结构，
10、分布电感较小。高压充电电源最大可使脉冲电缆被充电至24 kV，放电回路总电感为0105 H，利用PSpice 模拟冲击磁铁上的放电电流(图5)。电感的存在使放电回路的电流不能突变，电流按指数变化。从图3所示的等效原理图可解出放电电流为：当回路中的电感值增大时，放电波形的上升 下降沿变得非常缓慢，必须采取相应措施以降低电感量。图5显示了回路中不同电感量对放电波形的影响（5）（5）（5）（5）5起搏器无线充电系统5.1 功能需求分析目前为止， 将无线充电技术应用于心脏起搏器还处于方案设计和样机试制阶段， 根据相关的医疗仪器标准， 本文介绍的应用于心脏起搏器的无线充电设备应具备以下功能需求：（1）
11、植入体内的接收端部分的体积力求尽可能小，以避免造成病人的不便。因此， 最好采用贴片元器件和集成电路芯片， 部分元器件的使用也需要考虑到相关医疗标准。（2） 工作电压采用1215V 直流电， 减小病人由于设备漏电而可能受到高电压伤害的可能。（3） 设备工作温度尽量低以防造成病人的不适， 因此在组建放大电路时， 要考虑三极管等元器件的工作温度， 或者采用集成电路来代替散热大的元器件。（4） 设备可以在5cm 以内稳定供电， 以发射端工作时可以不接触到皮肤为最佳。（5） 为了确保病人的安全， 在可能的情况下设计了电压和电流保护电路， 确保万无一失。（6） 电路中采用漏电保护和抗干扰设计措施。5.2
12、实现方案待添加的隐藏文字内容2实现无线充电主要通过三种方式， 即电磁感应、无线电波以及共振作用。本文采用的是电磁感应方式， 整个设备的工作原理是通过初级和次级线圈感应产生电流， 将能量从传输端转移到接收端。这样选择技术方案的优点是制造成本较低， 结构简单， 技术可靠。电磁感应的能量传输原理并不复杂， 本质上就是电能和磁能随着电场与磁场的周期性变化， 以电磁波的形式向空间传播。如果需要产生电磁波， 首先要有电磁振荡， 电磁波的频率越高其向空间辐射能量就越大， 在通常情况下电磁振荡的频率至少要高于100kHz， 才会有足够的电磁辐射且使传输效率至少可以达到50%。因此， 如下图所示在设计中将无线发
13、射端分为三个模块： 振荡电路、放大电路和主线圈。接收端也分为三个模块： 充电电路、整流电路和副线圈。线圈的匝数和直径等参数主要根据以下公式来计算和选择：式中， Lm电感（H）电感量也称自感系数，是表示电感器产生自感应能力的一个物理量。； N总匝数； r1主线圈半径（mm）； r2副线圈半径（mm）； L线圈长度（mm）。参考资料：（1） （2） 李广平. 实用临床心脏病诊断治疗学M . 北京:中国医药科技出版社,2002.（3） 张锦,张立毅. 现代临床医疗仪器原理与应用M . 北京:军事医学科学出版社,2001.（4） （5）樊宽军 ，冯光耀 ，裴元吉。，王相綦 ，钟国俭。(1中国科学技术大学国家同步辐射宴验室，安徽台肥2300292 华东电子程研究断，安徽音肥230031（6）郑晓晨1,2， 汪木兰2， Hung T. Nguyen1（1University of Technology Sydney， 新南威尔士悉尼2007；2南京工程学院先进数控技术江苏省高校重点建设实验室， 江苏南京211167）
