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1、第四章 生理功能辅助仪器,生理功能辅助仪器有呼吸机、麻醉机、心脏起搏器、人工心肺机和血液透析机等。这类仪器在人的某种生理功能衰竭或丧失时，起到辅助完成这种生理功能及治疗的作用，又被称为生命支持系统。其中人工心肺机又称人工肺，血液透析机又称人工肾。本章只介绍上述前三种仪器。,第四章 生理功能辅助仪器,呼吸机 麻醉机 心脏起搏器（Pacemaker）,4.1 呼吸机,呼吸机是一种用于抢救呼吸衰竭患者的装置，常置于危重病人监护中心（ICU），对术后患者进行辅助呼吸。现代呼吸机的发展，最早始于1915年哥本哈根的Mol-gaard和Lund，以及1916年斯德哥尔摩的外科医师Giertz。1934年F
2、renkner研制出第一台气动限压呼吸机“Spiropulsator”，它的气源来自钢筒，气体经两只减压阀，产生50cm水柱的压力。呼气时通过平衡器取得足够的气流，吸气时间由开关来控制，气流经吸入管入肺，当内压力升至预计要求时，阀门关闭，呼吸停止。,呼吸机的治疗作用,改善通气功能、改善换气功能、减少呼吸功的消耗和节约心脏储备能力。,呼吸机的基本工作原理,工作原理：利用机械动力建立肺泡和外环境之间的压力差，使肺泡充气和排气。也有利用高频振荡的原理产生通气。临床上所用的呼吸机从设计原理上主要有:呼吸道直接加压（正压呼吸）；胸廓外加压（负压呼吸）；高频振荡通气（HFOV）。,1940年，Frenkn
3、er和Crafoord合作，在“Spiropulsator”的基础上进行改进，使之能与环丙烷同时使用，成为第一台麻醉呼吸机。1948年美国工程师Bennett研制成功间歇正压呼吸机TV-2P，以治疗急、慢性呼吸衰竭。1951年瑞典的Engstrom Medical公司生产出第一台定容呼吸机Engstrom100，取代了当时的“铁肺”，救治了大量的由流行性小儿麻痹引起的呼吸衰竭病人。许多工程师、医师等投入呼吸机的研究，欧洲各国纷纷生产出代表呼吸机达到10种类型。,进入60年代，呼吸机的应用更为广泛，1964年Emerson的术后呼吸机，是一台电动控制呼吸机，呼吸时间能随意调节，配备压缩空气泵，各
4、种功能均由电子调节，根本改变过去呼吸机纯属简单的机械运动的时代而跨入精密的电子时代。1970年利用射流原理的射流控制的气动呼吸机研制成功，它是气流控制的呼吸机。全部传感器、逻辑元件、放大器和调节功能都是采用射流原理，而无任何活动的部件，但具有与电路相同的效应。80年代后计算机技术的迅猛发展，使新一代多功能电脑型呼吸机具备了以往不可能实现的功能，如监测、报警、记录等。进入90年代，呼吸机不断向智能化发展，计算机技术的应用使呼吸机的性能更臻完善。,我国呼吸机的研制起步较晚，1958年在上海制成钟罩式正负压呼吸机。1971年制成电动时间切换定容呼吸机。呼吸机按其工作方式可分为气动手动、电动电控（电子
5、控制或计算机控制）、气动电控等，现代呼吸机大都采用气动电控方式。按其应用范围又可分为成人、小儿及新生儿呼吸机，最先进的呼吸机可一机多用，适合各种不同的患者。,呼吸机的组成可分为气路系统和电路系统两大部分。呼吸气体用的是空气压缩机压缩的空气（即所谓气动方式），有的呼吸机还可将氧气通过氧气管道与压缩空气混合。储气室中的压缩空气经调节阀进入脉动缓冲室，调节阀的出口压力一般调节在20磅/平方英寸。当吸气时，吸气单向阀自动打开，脉动缓冲室中的压缩空气经过气流量控制阀、吸气流量传感器和吸气单向阀进入患者气道。患者气道出口是一个三通管，一路是吸气通道，一路是气道压力测量通道，一路是呼气通道。当呼气时，吸气单
6、向阀自动关闭，呼气单向阀自动打开，呼出的气体经呼气控制阀、呼气流量传感器及呼气单向阀排入大气。,呼吸机气路系统组成框图,气路系统是由电路系统（计算机控制、监测、显示及报警系统）控制的。控制对象有：2个控制阀门（进气流量控制阀，控制范围为6毫升180升/分；呼气控制阀，进行开关动作控制），2个流量测量传感器（吸气流量传感器和呼气流量传感器，测量范围6毫升180升/分），3个压力测量传感器（系统压力传SCS感器（030磅/平方英寸）、进气压力传感器（040厘米水柱）和气道压力传感器（-20140厘米水柱）。各种传感器的输出经放大后到A/D转换器，经A/D数字化后进行计算机处理。计算机通过接口控制驱
7、动电路，从而控制吸气流量控制阀的开启程度及呼气控制阀的通断。计算机一般采用12个单片机芯片。,呼吸机能根据设定值，由微机自动检测及自动控制。老式的呼吸机多采用开环控制，现代呼吸机则采用闭环控制。主要控制的通气方式有以下4种：间歇式正压通气方式（IPPV）。同步间歇式强制通气方式（SIMV）。潮气量支持通气方式（PSV）。可调压潮气量控制通气方式（PCV）。,间歇式正压通气方式（IPPV）的气道压力控制波形如图，要求控制参数为：呼吸率15次/分(呼吸周期T1=4秒)，吸气时间T2=1.2秒，上升时间T3=0.08秒，暂停时间T4=0.2秒，呼气时间T5(余量)=2.6秒，潮气量(每次吸入)500
8、ml，压力上限P=50cmH2O。,计算机可对压力、流量等参数进行自动检测及显示(有数码显示、LCD显示及电子模拟显示等多种显示方式)，有的呼吸机还用液晶显示屏实时动态地显示压力波形、流量波形及潮气量波形。计算机还可以自动测量峰值压力、平均压力、呼气末压力、自主呼吸同步控制方式时的呼吸率、吸气呼气时间比、吸气容量、呼气容量、呼气每分钟容量等。对某些重要参数(如气道压力、潮气量、每分钟通气量、供氧浓度等)可进行上、下限越限报警。,现代呼吸机的发展趋势是呼吸监护仪，即不但控制呼吸，而且还能实时监视血氧饱和度，以判断呼吸效率如何。另外高频呼吸机也是一种发展方向。现代呼吸机继续发展各种新的通气方式，研
9、究最先进的软件技术，使呼吸机具有学习功能及预测功能，即可自动获得患者的吸气努力与呼吸机供气之间的压力、流量和容量的关系，及时预测患者当肺顺应性及气道阻力等因素变化时的新的需求量，并及时反馈控制流量阀和电磁阀，使患者和呼吸机保持和谐。,4.2 麻醉机,麻醉机是手术室必备的设备，它有两个方面的功能：一是实施全身麻醉，即麻醉气体或蒸气(氧化亚氮、氟烷、安氟醚和异氟醚等多种麻醉剂)与氧气混合后输入通气系统；二是供氧和进行辅助或控制呼吸。第一台麻醉机是于1846年发明的，实际上是一个装有乙醚的球形玻璃蒸发器。经过上百年一次又一次的改进，到20世纪80年代末，出现了由微机控制的具有麻醉、呼吸及监测功能的全
10、能型麻醉机。,现代麻醉机由四个部分构成：1.气路系统 气路系统是麻醉气体吸入和呼出的控制通道，由气源、内气路和外气路构成。气源是装有麻醉气体的贮气筒和氧气的贮气筒。内气路由减压装置、气动截断阀和流量计等部件组成，外气路由单向活瓣(吸气活瓣和呼气活瓣)、贮气囊和二氧化碳吸收器等部件组成。,2.蒸发器 蒸发器是麻醉机的关键部件，它既能有效地蒸发麻醉药液，又能精确地控制麻醉蒸气的浓度。麻醉蒸气通过截断阀和精密流量计后，与从减压阀来的压缩空气在贮气囊混合，然后通过吸气活瓣进入气道，呼气时吸气活瓣关闭，呼气活瓣打开，呼出的气体通过呼气活瓣进入二氧化碳吸收器，再回到贮气囊，周而复始，形成封闭式环流系统。二
11、氧化碳吸收器盛满钠石灰或钡石灰，用于吸收二氧化碳。,3.呼吸器 呼吸器是用于麻醉过程中控制/辅助病人呼吸及全面监测病人状况。根据其驱动方式可分为电动和气动两种，现代麻醉机多采用气动呼吸器。气动呼吸器用压缩气体驱动，靠控制对气容的充气时间，或气道压力信号的传递来控制呼吸频率和呼吸比，潮气量、通气量、呼吸频率、呼吸比等参数均可调节。,4.监测系统 监测系统用于监测麻醉机各部分的工作情况、病人的通气情况和病人的生命体征，异常时报警。监测的内容主要有：气道压力，潮气量及每分钟通气量，氧浓度，呼气末CO2浓度，血氧饱和度(SaO2)，麻醉气体浓度，病人的心电和血压，其他呼吸参数(如死腔气与潮气量之比、气
12、道阻力及胸肺顺应性等)检测。现代麻醉机采用计算机控制，具有先进的传感系统、气路系统、病人信息反馈系统、自动控制系统、多参数自动监测、显示及报警等功能。,麻醉深度监测,麻醉深度是对镇静水平、镇痛水平、刺激反应程度等指标的综合反映，而这些指标反映的中枢部位不尽相同，所以麻醉深度监测应该是多指标、多方法综合监测的结果。,深度监测的标准应满足如下条件：能显示知晓前的浅麻醉阶段；能准确反映麻醉药在体内的浓度；对不同刺激模式，尤其是外科手术刺激敏感；能即时显示结果；能在统一标准下反映所有麻醉药的麻醉深度；经济、使用方便。,脑电双频指数（BIS）,BIS是通过对脑电图波形的时域特征分析，运用快速傅立叶变换技
13、术（FFT），进行处理，计算得到的综合指数可以直接测量麻醉药和镇静药对大脑皮层作用的效果从而反映麻醉药和镇静药对麻醉意识深度的影响。,BIS是将EEG的功率和频率经双频分析得出的混合信息拟合成一个最佳数字用0100分度表示，数值减少时表示大脑皮层抑制加深。,听觉诱发电位指数(AEPindex),1、听觉诱发电位：听觉系统在接受声音刺激后，从耳蜗到大脑皮层之间的不同区域产生的一系列电位活动统称听觉诱发电位(AEP)，是应用重复的声音刺激和记录中的叠加技术，将两个刺激间的脑电信号消除，保留与刺激有严格锁时关系的特定的诱发电位。根据声音刺激后产生AEP的潜伏期及神经起源的解剖位置不同，将AEP分为三
14、部分。短潜伏期诱发电位即脑干听觉诱发电位(BAEP)，中潜伏期听觉诱发电位(MIAEP)，长潜伏期听觉诱发电位(LLAEP)。其中MLAEP在清醒状态时，个体差异很小，因此更适合与麻醉深度的判断。,2、听觉诱发电位指数：通过数学方法将波形指数化，从而取代以前用波幅和潜伏期对AEP进行的描述。从数学的观点来看将对AEP的波幅和潜伏期的描述转换成一个指数，意味着将二维空间转换成一维空间，这需要一种数据删减技术，它仅保留AEP波形中与麻醉深度相关的特征。通过不通数学方法分别计算得到两种模式的AEPindex：移动时间平均模式（MTAmodel）与外因输入自动回归模式（ARXmodel)。,熵指数(e
15、ntropy),熵与BIS的运算法则不同，熵指数分析脑电图和前额肌电图信号的复杂性。在信号分析中，熵指数描述了信号的不规则性和不可预测性。熵指数的运算法则并不根据以前的指标来分析参数，而是以所测患者的牛理状况为分析基础。目前已被应用于研究麻醉深度的熵，主要包括状态熵、反应熵、近似熵、交叉近似熵等。这些熵都是由EEG参数转化而来，所表达的是信息的不规则性，即信号越不规则熵值就越高，信号越规则熵值就越低，信号完全规则时熵值为0。,4.3 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
16、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。,心脏起搏器,起搏器的结构,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。1958年，Furmam开创心内膜电极起搏技术，同
17、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
18、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。,心脏起搏器的类型有：固定频率型(早期产品)P波同步型(早期
19、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。,1、固定型起搏器 刺激强度和频率都是固定的，产生的刺激脉冲与心脏自身的节律无关。它只能发出起搏脉冲，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性窦性缓。缺点：当心脏出现自身搏动时，起搏器成为多余的额外刺激。如果电脉冲落于易激期，则自身节律和起搏节律之间发生竞争心律，从而诱发心室纤颤或室性心动过速而危及病员安全，因此在临床应用上受到一定的限制。,2、R波同步型起搏器
20、起搏器发放脉冲受R波控制，达到一同步作用。（1）R波触发型（备用型）（2）R波抑制型（按需型）,R波抑制型心脏起搏器电路,自主心率低于起搏心率,起搏器发放第一个刺激脉冲，如图（e）所示；与此同时，此起搏脉冲刺激心肌，心脏被起搏，起搏后的心律如图（f）所示；与此同时，此起搏脉冲经C10耦合，通过感知放大器触发单稳态电路工作，输出波形如图（c）所示。在t3（即反拗期）这段时间里，起搏器对任何信号均不起反应，即不感知。t3过后，t4恢复为截止状态，R8上压降恢复为低电平，VT6截止，锯齿波电路开始工作，C7开始充电，其波形如图（d）所示。当C7上电压上升到使VT7导通时，由于患者自搏周期t1大于起搏
21、器的周期t2，患者还没自搏。,自主心率有时高于起搏心率,患者自身的第一心动周期t1低于起搏周期t2，而患者自身的第二起搏周期t1大于起搏周期t2。开始时，起搏器发放第一个起搏脉冲，心脏起搏，由于患者的第一心动周期t1低于起搏器的周期t2，故经过t1时后，锯齿波还未上升到VT7的导通电平U，患者自身心动又开始一个新的周期，即患者的自搏，此自搏的R波经感放大器触发单稳态电路工作。在反拗期里，VT6导通，使C7迅速放电，从而抑制起搏器的第二脉冲。,自主心率完全高于起搏频率,患者的心动周期t1、t1等均低于起搏器固有周期t2。此时患者自身心脏搏动，自搏的R波经感知放大器触发单稳态电路，抑制第一起搏脉冲
22、发放。经反拗期t3后，C7上电位上升，经过一段时间，C7上电位还未上升到使VT7的导通电平U，患者自身心动又开始一个新的周期，发生第二次自搏，单稳态第二次触发，使VT6导通，C7迅速放电，抑制了起搏器的第二脉冲。,3、P波同步起搏器起搏器在心房安置一感知电极，在心室安置起搏电极，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，因此心室率随心房率而改变，从而恢复了心脏的调节功能。由此可知，P波同步型起搏器模拟了心脏的话动过程。缺点：由于P波幅度小，频谱基波频率低，所以对感知放大器的要求较高，电路相对比较复杂，心房电极定位也较难。,4、房室顺序按需型和全自动型起搏器 每次刺激
23、先发放一个脉冲，刺激心房起搏，经过延迟一段时间后再发放一个脉冲刺激心室起搏，以保持房室激动的生理顺序。如有自身心脏活动，则QRS波将抑制后一脉冲的发放。缺点：性能不够完善，且心房、心室各要安装一个电极。自动型可根据心脏的工作情况自动选择和更换发放脉冲刺激心脏的方式。核心部分是两个相关的脉冲发生器先后按一定时序发放起搏脉冲，心房起搏脉冲和心室起搏脉冲使房室应激而同步收缩。,5、程序控制型起搏器 由两部分组成：体内部分在一般埋藏式起搏器基础上增加数字电路、存储电路等；体外部分由控制装置和电磁铁组成，控制部分可以按照患者病理的需要由医生或患者任意改变起搏参数和起搏器的工作方式，并发出编码的磁脉冲，通
24、过电磁铁产生的磁场传给体内部分。,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。,
