《心脏治疗仪器与高频电刀(修改版).ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《心脏治疗仪器与高频电刀(修改版).ppt（122页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、现代医学电子仪器原理与设计,杨荣骞华南理工大学生物医学工程系B6-134,第七章 心脏治疗仪器与高频电刀,7.1 电刺激治疗类仪器设计原理7.2 心脏起搏器简介7.3 固定型和R波抑制型心脏起搏器7.4 心脏起搏器的能源和电极7.5 心脏除颤器7.6 典型心脏除颤器7.7 高频电刀,目录,医学诊断-感知各种生理参数信号，完成信号的处理最后显示和记录，供临床和医学研究使用。治疗-在治疗类设备中，电刺激器是医学电子仪器中非常重要的代表。,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-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。,
2、高频电刀 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。取代手术刀进行各种外科手术 明显地减少出血，甚至不出血 杀菌作用,7.1电刺激治疗类仪器设计原理,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常见波形植入式电刺激器的基本要求封装要求导联和电极设计安全设计,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。如图所示为频率小于1kHz时电流大小对人体的不同效应，在这个频段，人体能耐受的电流很小。低频电刺激是一种不安全的因素，应予以高度重视。另一方面，低频电刺激
3、用于疾病的治疗时有其特殊效果，如各类植入式刺激治疗仪。,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，如微波热疗仪、高频电刀的应用等。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。,刺激方式与效应,电刺激的类型电刺激系统通常由三部分组成 1.脉冲发生器 2.导联线 3.电极 按电刺激部位，刺激类型可划分如下表面刺激经皮刺激植入式刺激,电刺激与电兴奋的基本因素在功能性电刺激中，典型的刺激波形是方波序列，使用这种波形的原因是它的效率和易于产生。刺激序列的三个参数，即频率、幅度、脉宽，全部对肌肉收缩有影响
4、。一般来说，刺激频率应尽可能小，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。这个频率是变化的，可以小到12Hz（通常为1214Hz），大到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。腓神经刺激幅度：小到25V/200s 臀大肌刺激幅度：120V/300s,若电压降一定，则刺激能量由It来确定。这表明，电刺激引起的组织兴奋不仅与I有关，而且还与刺激的作用时间有关。,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。若刺激的波形如图所示，则引起的组织兴奋的能量激为：,1.强度阈
5、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。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，如图所示。,曲线上的每一点代表一个阈刺激。阈刺激：刺激时间一定时，引起组织兴奋所必需的最低刺激强度；或者刺激强度一定时，引起组织兴奋所必须的刺激电流的最短持续时间。,基强度：刺激期间无论多长，必须有一个最低的基本强度阈值，称为基强度IR。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期间称为利用时
6、。时值：用“时值”来表明兴奋性高低，其定义是用基强度IR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（即脉冲宽度）称为时值（）。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、为两个常数。当时间t时，I=IR，与曲线上升部分的斜率有关。,实际中不能完全确定时值是衡量组织兴奋性的绝对数值在实际应用时，为得到有效刺激，通常采用电流为I=2IR，脉冲宽度略大于时值，此时产生兴奋所需的能量最小。,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；而当刺激作用时间减小到远离时值以下时，即便大大增加刺激强度，也同样不能引起组织兴奋。因此，兴奋性组织的刺激
7、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。,电刺激引起组织兴奋的原理,在直流电作用下，在阴极附近部分膜外正离子被中和，使膜极化减弱，组织兴奋性升高。阳极则相反。极兴奋法则：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。电刺激引起组织兴奋的原理分析，可用下图所示的模型来说明。图中R和C分别代表膜电阻和膜电容。神经纤维在静息时处于极化状态，即静息电位的极化膜外为正，膜内为负。,电刺激的其他效应刺激的电化学效应 电极腐蚀组织损伤,电刺激常见波形,各种刺激波形引起组织损伤、电极腐蚀和兴奋阈值的优劣比较,植入式电刺激器
8、的基本要求,植入式电子仪器的封装1.电子电路必须在人体的环境下受到保护。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。2.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。聚合体不能提供密封的保护，因此不能用于高密度、高阻抗的电路的封装，一旦进入湿气，最终会影响电子元件，表面离子导致短路、漏电、电路灵敏度降低和其他功能失效。,3.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。电信号经过焊接在封装壁上的连通器进出封装。连通器装配利用陶瓷或玻璃绝缘使一根或多根导线出入封装壁而不与封装壁接触。在装配过程中，
9、电路放在封装内部与连通器连接，然后，焊接关闭封装。钨惰性气体、电子束或激光焊接设备用于最终的封装。金属封装要求接收线圈放在封装外以避免射频信号或能量的明显损失。因此，在体内需要额外的空间容纳全部的植入装备。通常，密封封装和接收天线共同嵌入在环氧中，环氧封装为金属天线提供绝缘，并使整个植入装备结构稳定。,导联和电极设计-导联线连接脉冲发生器和电极，要穿过连接处，必须足够坚固。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。把导线卷成螺旋状，并插入小直径的硅管中，可以获得弯曲和伸展的能力。-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。例如，由于1
10、0%铱和90%铂组成的铂-铱合金通常用作电极材料，一种肌外电极用4mm Pt90Ir10圆盘放置于涤纶加强的硅背上。而肌肉电极使用末端不绝缘的导联线作为电极头部，上面有一个小的伞状锚钩，这样安排使得电极头部与导联线直径相差不大，可以用类似套针管的工具把电极放入肌肉深部。,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。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。电磁干扰(EMI)和静电放电(ESD)的敏感性EMI的发射可能来自外部源静电放电电击并非少见。这些电击电压可能高达15kV或更高。如果没有防护设计措
11、施，敏感元件可能很容易被损坏。植入刺激器的电子电路通常用金属外壳防护。然而，电路可能被通过连通器进入的干扰信号损坏。如果使用长导联线，即使在植入后也可能发生损害。,生产和测试植入电路及其封装，在许多情况下不符合监控产品和集成电路的封装标准而失败。为了减小失败的可能，植入电子装置应在受控的洁净环境中用高品质元件和严格制定的生产流程进行生产，最终产品在植入前应进行严格测试。,7.2 心脏起搏器简介,人工心脏起搏器是一个以电池为动力的、体积小而能植入体内、可产生连续稳定的电脉冲的装置。心脏起搏系统的基本结构由心脏起搏器（低频脉冲发生器及其控制电路）、导线、刺激电极、电源等组成。,人工心脏起搏器的作用
12、,1、治疗：人工心脏电起搏器能治疗一些严重的心律失常。心律失常是由多种病因引起的心肌电生理特性改变的一种疾病，某些严重的心律失常如高度或完全性房室传导阻滞、重度病态窦房结综合症等,2、诊断：还可用于某些疾病的诊断。例如心房调搏辅助诊断可疑的冠心病、心房超速起搏法诊断窦房结功能不全，预测完全性房室传导阻滞患者是否有发生心脑综合症的危险等。,3、药理及实验研究：人工心脏起搏技术在心血管的生理和病理生理以及药理和临床应用的实验研究工作中，也取得了发展。例如在心律失常方面，将逐步揭示一些我们还不能解释的电生理现象，对心律失常的诊断和治疗会起到更积极的作用。,心脏起搏器的临床应用的适应症,1、长期起搏适
13、应症房室传导阻滞、三束支阻滞、病态窦房结综合症2、临时性起搏适应症临时性起搏指心脏病变可望恢复，紧急情况下保护性应用或诊断应用的短时间使用起搏器，一般使用几个小时、几天或几个星期.,心脏起搏器类型,第1代为固律型起搏器（VOO），仅有起搏功能第2代为按需起搏器（VVI），具有起搏+感知功能第3代为生理性起搏器（DDD），具有起搏+感知+生理性起搏功能第4代为自动化起搏器，其功能及工作参数可自动调整,对运动的频率反应性频率滞后睡眠频率频率稳定性,心脏起搏器的分类,（一）按起搏器与病员的关系1、感应式：起搏器的脉冲发生器在体外，通过载波发射给被埋植在体内的接受器（感应线圈）接收，再经解调（检波）为
14、原形起搏脉冲，通过起搏电极刺激心脏,2、经皮式（体外携带式）：起搏器在病员体外，起搏脉冲经皮肤和静脉送人心脏。3、埋藏式：起搏器全部埋植于患者的皮下（胸部或腹部），电极经静脉固定在心内膜或心肌表面,（二）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：非同步型（固定型）：起搏器发出的起搏脉冲与患者的P波或R波无关 同步型起搏器：分P波同步起搏器和R彼同步起搏器,心肌的兴奋性?,绝对不应期（absolute refractory period）：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（relative refractory period）:对较强
15、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（vulnerable period）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。,（三）按起搏电极分类有两种：,1、单极型：阴极由起搏导管（或导线）经静脉或开胸送至右心室（或右心房）；阳极（无关电极）置于腹部皮下（当起搏器为体外携带式时）或置于胸部（当应用埋藏式起搏器时其外壳即是阳极）。,2、双极型：起搏器的阴极与阳极均与心脏直接接触（固定在心肌上，或阴极与心内膜接触而阳极在心腔内）。,各类起搏器简介,固定型起搏器：这类起搏器无论心脏自搏心率快慢与否，起
16、搏器只发出固定（或经调节改变）频率、幅度的电脉冲，不受自主心率的支配,一旦心脏自主心率超过电脉冲频率，心脏将自身搏动，而这个电脉冲的刺激对心脏来说则是多余的。,适应症：完全性房室传导阻滞和永久性窦性过缓缺点：如果电脉冲落在易激期，则患者自己发出的心室激动与起搏器节律发生竞争心律，诱发心室纤颤或室性心动过速,R波同步型起博器,（1）R波抑制型，又称为按需型，它不但能对心脏发放刺激脉冲，又能接受来自心脏的R波的控制；当心脏自搏心率超过起搏器的速率时，起搏器被抑制而停止发放刺激脉冲，避开易激期，克服了固定式起搏器与心脏自搏发生竞争心律的缺点；当心脏自搏心率低于起搏速率时，起搏器输出脉冲刺激心脏起搏。
17、它是按病人需要而工作,所以称为按需型起搏器。,优点:不发生无用刺激,从心脏生理和电能消耗看均比较合理.临床应用最广,占90%。,（2）R波触发型，又称为备用型，它能发出有一定节率的起搏脉冲。当心脏自身心搏R波出现时，起搏器立即被触发，发出一个脉冲，它将落在心动周期的绝对不应期内，而对心脏活动是无效的，下一个起搏脉冲将以R波出现前的时刻为起点重新安排，在规定的时间内，如无自身心搏发生，起搏器发放脉冲刺激心脏起搏（所以又称为备用型），以后如自身心博R波出现，起搏器又被触发，重复上述过程。,起搏器受P波控制，达到一定同步作用。其原理是将心房活动时产生的P波，经心房电极送给起搏器进行放大、并延迟约12
18、0 ms时间，再触发起搏器的脉冲发生器，最后通过电极向心室发放刺激脉冲，心室活动受到心房电激的控制，对有房室传导阻滞的患者，相当于一条人工造成的房室传导通路，使房室传导得以通畅。,P波同步起搏器,房室顺序型,其原理是每次刺激先发放一个脉冲，刺激心房起搏，经过延迟适当一段时间后再发放一个脉冲刺激心室起搏，以此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。这种起搏器的缺点是性能尚不够完善，且心房、心室各要装一个电极。,DDD 模式,双腔起搏，双腔感知，双腔触发抑制型起博器：又称为房室顺序收缩双腔触发抑制型起搏器即全自动起搏器。DDD起搏器能模拟人类窦房结和房室结的生理功
19、能，按顺序起搏心房和心室，又能感知心房和心室 自身的电活动。感知之后的反应方式有触发型和抑制型两种，根据电生理情况而自动选择。,DDD起搏器的多种功能,它能根据心脏的电生理情况而自动选择和更换发放脉冲的方式。如病人有自身的心房和心室搏动，则起搏器全部被抑制，停止起搏脉冲的发放。如无自身的心房搏动，或心房率过缓，起搏器便发放脉冲起搏心房。起搏心房的脉冲发出之后，经过一段预定的A-V延迟性间期(约0.120.20s)，如心室无自身搏动出现，则起搏器发出脉冲，激动心室；如心室有自身搏动出现，则心室的电极感知之后，起博器不再发出刺激心室的脉冲。,术后心电图,单腔起搏器心室感知心室起搏,单腔起搏器心房感
20、知心房起搏,双腔起搏器房室感知房室起搏,双灶按需型,其核心部分是两个相关脉冲发生器，它们先后按一定时序发放起搏脉冲，使心房和心室的起搏都在按需方式下进行，其房室激动保持生理顺序。,新型心脏起搏器,程序控制型心脏起搏器无线心脏起搏器,程序控制型,这种起搏器由两部分构成:体内部分是在一般埋藏式起搏器的基础上增加了数字电路，它还具有记忆、保持等功能；体外部分主要由控制装置和电磁铁组成，控制部分可以按照患者病理生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（即类型），并发出编码的磁脉冲，通过电磁铁产生的磁场传给体内部分,程控起搏器,起搏器及起搏电极,程 控 仪,人工心脏起搏器的标识码,心脏起
21、搏器的几个参数,1起搏频率即起搏器发放脉冲的频率，心脏起搏频率以多少为好，要视具体情况选择，一般认为，能维持心输出量最大时的心率为最适宜的心率，大部分患者6090次分较为合适，小儿和少年快些。2.起搏脉冲幅度和宽度 脉冲幅度是指起博器发放脉冲的电压强度；起搏脉冲宽度是指起搏器发放单个脉冲的持续时间。脉冲的幅度越大，宽度越宽，对心脏刺激作用就越大，反之脉冲的幅度越小，宽度越窄，对心肌的刺激作用就小。从能量的观点上看，起搏脉冲所具有的电能转换为心肌舒张，收缩所需要的机械能。一般脉冲幅度为5V,宽度为0.5-1ms；降低起搏脉冲的幅度和宽度，会降低了起搏能量，但可以减少电源的消耗，延长电池的使用寿命
22、。,3.感知灵敏度指起搏器被抑制或被触发所需最小的R波或P波的幅值。同步型起搏器接受R波或P波的控制，使起搏器被抑制或被触发。感知灵敏度要合理选取，选低了将不感知（起博器不被抑制或触发）或感知不全（不能正常同步工作）；如果选取过高，可能导致误感知（即不该抑制时而被抑制，或不该触发时而被误触发）以及干扰敏感等，造成同步起搏器工作异常。4.反拗期 各种同步型起搏器都应具有一段对外界信号不敏感的时间，这个时间相当于心脏心动周期中的不应期。,7.3 固定型和R波抑制型心脏起搏器,一、一种固定心脏起搏器电路分析,多谐振荡器电路,单稳态电路,输出电路,二、R波抑制型心脏起搏器的一般结构原理,1.感知放大器
23、 起搏器输入端的R波信号一般仅有2-3mV。感知放大器的作用是有选择地放大来自心脏的R波，以推动下一,级按需功能控制器工作，并限制T波和其他干扰波的放大，以辨认心脏的搏动。感知放大器要求：双向感知，放大倍数800-1000倍，频宽为10-50Hz（3db带宽），工作电流小于3mA（微功耗）；电路稳定、可靠，具有良好的抗干扰能力。,2.按需功能控制器 主要作用是为起搏器提供稳定的反拗期。当感知放大器感知R波后，控制器在反拗期内抑制脉冲发生器发放刺激脉冲。,3.脉冲发生器 脉冲发生器产生合乎心脏要求的矩形电脉冲，它是在按需控制电路控制作用下工作的。,要求：电路容易起振，可靠性高，频率在30-120
24、次/min、脉冲宽度在范围内可调，幅度也能调节等。,7.4 心脏起搏器的能源和电极,心脏起搏器的能源（电池）对埋藏式起搏器来说很重要，能源的寿命就是起搏器的寿命。能源寿命长，则可减少更换起搏器的次数。这是设计人员和临床医师十分关心的问题。下面简略介绍几种主要能源。,一、心脏起搏器的能源,1.锌汞电池锌汞电池以锌作为负极、氧化泵作为正极，电解质为氢氧化钾水溶液。优点：内阻低，放电性能平坦缺点：漏碱、胀气、自放电大、搁置寿命短，因贡的比重大，汞粒容易穿过极间隔膜造成短路。性能无法与锂电池相比，在埋藏式起搏器中几乎被淘汰。,2.锂电池（1）锂碘电池锂碘电池的阴阳极及电解质皆属于固体介质，无泄漏和胀气
25、等致命缺点，完全可以密封，电池不会突然损坏，并且自放电很低，10年不超过10%，因此可靠性高，寿命长，目前在国内外大量使用。,（2）锂亚硫酰氯电池属于非水解电质电池，放电性能平坦，重量和体积都很小，不会造成电池内压升高，保用期可长达10年。主要存在的问题是电压滞后和高温储存后不会有大电流放电。目前国内外大量使用。（3）锂铬酸银电池阴极是铬酸银和石墨粉混合物，隔膜是三种聚丙烯毡，还有两层阻挡层，用以阻挡银离子的迁移。分两段放电：前一段为3.2V，占放电容量的75%；后一段为2.5V，占放电容量的25%，这对埋藏起搏器的更换报警是有价值的。这种电池没有气体产生，自放电可忽略不计，具有很高的可靠性，
26、在国外已普遍使用。,（4）锂碘化铅电池阳极是碘化铅和铅粉的混合物，电解质是固态的碘化锂和氧化铅的混合物。每个电池由3组（每组由7个单体并联组成）串联组成。在放电过程中内阻不断增加，电池电压缓慢下降，使用安全，可在温度高达150时使用，目前在国外已有生产使用。,3.核素电池 核素电池有Pu333热电式和Pm147电压式两种。核素电池是目前起搏器显示能源中寿命最长的，预计寿命可达20年，被誉为终身能源，对于青年患者较适合。但由于价格昂贵，并且放射线需要严格防护，体积和重量较大，采用者不如化学能源多。,4.“生物燃料”电池（1）利用人体血液中的氧和葡萄糖通过氧化机制使葡萄糖氧化，然后将氧化反应中产生
27、的化学能转化为电能。这种电池体积微小，可作为终身能源。但还存在易感染、反应物影响血液成分，电特性不均匀等问题，目前仍在试验阶段。（2）用电磁能转换器或者具有压电效应的晶片将正常生理活动的机械能（心包搏动等）转换为电能的。但这种方法获得的能源电压输出低，性能不稳定，因此不能载临床上使用，还处于实验研究阶段。,二、心脏起搏器的电极,（一）导线和电极的作用 导线和电极是起搏系统中的无源部分，是人体心脏与起搏器联系的重要环节。通过临床应用以及心脏电生理学得出结论，电极的形状、材料、面积等可以改变起搏阈值（即心脏起搏所需的最低能量）。,起搏导线兼有起搏刺激和感知的功能，要求有良好的电性能。起搏导线与体液
28、和组织紧密接触，导线材料要求耐生物老化，抗腐蚀，与血液、组织相容性好。,（二）电极类型1.依其安置及用途的不同分,（二）电极类型2.按照心内膜使用的电极分,（三）电极的结构及形状 电极和导线不仅与体液紧密接触，而且昼夜不停地随心脏一起跳动。除这种机械运动之外，还受心房不同程度的同步运动以及呼吸运动的作用，结果使导线产生非常复杂的运动。为了防止导线长期使用而折断和电极腐蚀，从而使心肌穿孔和绝缘破损，导线电极大多用硅胶做外套，用爱尔近合金或镍合金等优质材料做导体，用爱尔近合金或铂铱合金等优质材料做电极头，这些结构方式经长期使用认为比较理想。,（三）电极的结构及形状 电极的形状有勾头、盘状、柱状、螺
29、旋状等不同的类型。最后还需要说明的是，由于埋藏式起搏器的使用寿命已达8-12年，在更换起搏器时，一般都不希望同时更换导管电极，这就要求导线和电极的使用寿命要大大超过起搏器寿命（最好是2-3倍）。,心室颤动最危险的心律失常即刻致死。现象：心室肌：不规则、不协调的收缩颤动。心电波：无规律、非同步。全身血：血循环立即停止。35分钟后死亡。,心室颤动的后果 心室作用：主要排血腔。心室颤动心脏不排血 血压0全身器官灌血 停止缺氧（35min）大脑受损（几分钟）死亡,7.5 心脏除颤器,电击除颤（electric defibrillation）:用较强的脉冲电流通过心脏来消除心律失常，使之恢复窦性心律的方
30、法或电复律术（cardioversion）。全称为经胸壁直流电电击复律术，是用电能治疗快速心律失常的方法.,心脏除颤器：Defibrillator又名电复律机，是一种对病人提供强电击（通常称为对抗电击），把过快、无效的心律失常转变为较慢的节律使得心脏泵出更多的血液的仪器。也就是应用电击来抢救和治疗心律失常的一种医疗电子设备,用于心脏电击除颤的设备。,一、心脏除颤器的作用,用除颤器治疗的最严重的心律不齐是心室颤动，如果不用除颤器及时治疗，心室颤动可导致心功能的完全丧失，并在几分钟内死亡。心房颤动、有规律的心室扑动和室性心动过速可以相对不及时治疗，尽管它们不会导致立刻死亡，但收缩期间减少可以削弱心
31、脏的充盈度，从而降低心排出量。,1、颤动机制,颤动源于心肌的无序电兴奋，导致正常心脏跳动中协调的机械收缩特性丧失，这些节律不齐普遍认为是心脏内存在兴奋的折返通路所致。导致这种不正常的生理机制的原因是心脏兴奋的传导区与心肌细胞的快速重复去极化的结果，这导致心脏的单个兴奋波或多个兴奋波的快速重复传递。如果是多个波，节律变差使得心脏纤维收缩的同步性丢失；没有同步的收缩，受影响的腔室将不会收缩，最致命的是心室颤动。节律无序的最普遍的原因是来自于动脉粥样硬化的并发症、心肌缺血或心肌梗死。其他方面如心功能紊乱、药物毒性反应，血液中的电解质不平衡，体温降低和电击（特别是交流电）等。,2、除颤机制,正确的措施
32、是用强电击来使绝大多数心肌细胞同时去极，压制快速兴奋波的产生，这些细胞可以重新极化，回到各自的相位。,3、起搏和除颤的区别,起搏是用一定形式的脉冲电流刺激心脏，使有起搏功能障碍或房室传导功能障碍等疾病的心脏按一定频率应激收缩。除颤（电击复律）时作用于心脏的是一次瞬时高能脉冲，一般持续时间是410ms，电能在40400瓦秒（焦耳）内。,二、心脏除颤器的一般设计原理,1、心脏除颤器多数采用RLC阻尼放电的方法。,电压变换器是将直流低压变换成脉冲高压，经高压整流后向储能电容C充电，使电容上获得一定储能。,除颤治疗时，控制高压继电器J动作，使充电电路被切断，由储能电容C、电感L及人体（负荷）串联接通，
33、使之构成RLC（R为人体电阻、导线本身电阻、人体与电极的接触电阻三者之和）串联谐振衰减振荡电路，即为阻尼振荡放电电路，通过人体心脏的电流刺激心肌完成除颤功能。,除颤仪设计目标：低能量、高成功率和低心肌损伤,单相衰减正弦波,低能量双向切角指数波,低能量双相方波,2、除颤波形,3、电极,a.体内电极，用于心脏经手术暴露后，直接作用于心脏的勺状除颤电极。,b.体外电极，用于前胸的手持式除颤电极。,手持式：分体内和体外两种电极。可以重复使用，但每次需用导电液体或导电固体胶，在电击过程中操作者还可用该电极挤压胸部。,粘贴式：导电材料已附着于电极上，该电极是一次性的，在电击之前就固定在胸部。,4、同步,在
34、胸部使用的大多数除颤器都有同步的功能，这是一种电子传感和触发电路，旨在确保在ECG的QRS波期间施加电击。这种功能在治疗心率不齐时比治疗心室颤动时更为需要，因为若不小心在ECG的T波期间施加电击常常会产生心室颤动。,5、自动体外除颤,房颤是一种极其危险的急性发作心脏病。病人一旦在室外发生房颤又得不到及时治疗可在短时间内猝死。美国一公司去年推出一种可随身携带的自动化袖珍体外除颤仪，其体积仅有普通香烟盒大小，可放进上衣口袋里。病人一旦突发房颤，该仪器能自动侦知到心率异常并立即发出电脉冲信号，使病人心脏重新恢复正常跳动。自动袖珍式体外除颤仪的发明使无数房颤病人可顺利外出旅游或参加各种社交活动,6、除
35、颤器的安全问题,除颤器因为其高电压输出特性，是一种有潜在危险的设备。为此国家制定了专门针对除颤器的安全标准。,即使满足标准，还可能有其他危险，比如：非同步电击的危险不正确的操作过强和过多的电击对病人造成的伤害除颤器不能正确的工作等等,三、心脏除颤器的类型,非同步型,同步型,除颤时与患者自身的R波不同步,除颤时与患者自身的R波同步。一般利用电子控制电路，用R波控制电流脉冲的发放，使电击脉冲刚好落在R波的下降支，这样使电脉冲不会落在易激期，从而避免心室纤颤。,2.按电极板放置的位置：,体内除颤器,体外除颤器,1.按是否与R波同步：,四、心脏除颤器主要性能指标,1.最大储能值：这是指在除颤器电击前，
36、必须先向除颤器内的电容器储存电能，衡量电能大小的单位是瓦秒电击的安全剂量以不超过400瓦秒为宜，即除颤器的最大储能值为400瓦秒。电容C与其上面的电压V和储能W有如下关系 W（12）CU2 从上式可知当电容C确定后，W便由U确定 2.释放电能量：这是指除颤器实际向病人释放电能的多少。,3.释放效率：这是指释放能量和储存电能之比。4.最大储能时间：这是指电容充电到最大储能值时所需要的时间 5.最大释放电压：这是指除颤器以最大储能值向一定负荷释放能量时在负荷上的最高电压值。国际标准：以最大储能值向100欧姆负荷释放时，在负荷上的最高电压不应超过5000V,7.6 典型心脏除颤器,一、一种比较简单的
37、同步心脏除颤器电路分析,1、充放电电路原理图,2、同步电路,二、除颤监护仪,1、除颤监护仪工作原理图,充电,心电电极,除颤电极,能量显示,系统 控制,心电监护,放电,2、除颤监护仪的分类,全自动除颤监护仪半自动除颤监护仪,7.7 高频电刀,高频电刀（高频手术器）是一种取代机械手术刀进行组织切割的电外科器械（electrosurgical unit,ESU）。它通过有效电极尖端产生的高频(通常200kHz至3MHz)高压电流与肌体接触时对组织进行加热，实现对肌体组织的分离和凝固，从而起到切割和止血的目的。,高频电刀具有电切（纯切、混切）、电灼、电凝（单极电凝、双极电凝）等功能。根据不同的手术需要
38、，设定不同的输出功率，适用于普通外科、心脏外科、泌尿外科、妇科等手术。,一、高频电刀的功能,切割：在一个适宜的功率水平下，当电极端产生连续的正弦波电流与组织接近时，细胞浆内部迅速产生热量，使细胞浆变成蒸气。使细胞体积扩大约5倍，引起细胞结构破坏，产生临床的切割效果。凝血：如果还没有破坏细胞结构就产生蒸发效果，则会引起分离组织干燥或者凝固的临床效果。混切：通过改变电流脉冲通过电极的时间，可能会产生干燥（凝血）和切割共同的临床效果，即混切。,二、高频电刀的设计原理,高频电刀是由主机和电刀刀柄、病人极板、双极镊、脚踏开关等附件组成的。基本原理：一个大功率的信号发生器。,射频振荡器,调制器,功率放大,
39、输出电路,电极,函数发生器,模式选择,控制电路,手动开关脚动开关,电源,电刀输出的波形,电刀输出的典型波形有三种，对应了电凝(coagulation)、电切(cutting)和混合(blended同时具有切割和凝结的功能)三种不同的功能和应用。,在使用频率、电压和输出功率等方面，电切普遍高于电凝：有关设计参数范围说明如下：1、电凝 射频频率：250kHz2.0MHz；调制（波簇）：120/s左右；输出电压（开路）：300 2000V；输出功率（500负载）：80 200W。2、电切 射频频率：500kHz2.5MHz；调制：直接输出或经调幅处理；输出电压（开路）：9000V左右；输出功率（50
40、0负载）：100750W。,1、单极模式 如图所示，在大多数的应用中，电流通过导线和电极穿过病人，再由病人极板及其导线返回高频电刀的发生器。,三、高频电刀主要的工作模式,2、双极模式 双极电凝是通过双极镊子的两个尖端向机体组织提供高频电能，使双极镊子两端之间的血管脱水而凝固，达到止血的目的。它的作用只限于镊子两端之间，对机体组织的损伤程度和影响范围远比单极方式小得多，适用于对小血管（直径4mm）和输卵管的封闭。,高频电刀输出的波形由一连续的正弦波和一中断的断的正弦波组成。连续波用于切割组织是最优的中断的正弦波通常近似于指数钳位的正弦波，对组织凝固是最适宜的。凝固波形本质是获得黑色凝固或获得高温
41、下组织的碳化；切割时需要利用弧光来获得足够大的电流密度，以便在非常小的区域内破坏组织的结构而不会对邻近的组织产生伤害。,四、高频电刀的波形设计,高频电刀本身必须具有十分完善而可靠的安全保障体系，这是保证病人和医护人员安全的最基本的条件。因此，高频电刀在设计时必须遵循严格的安全规范，出厂前应逐台逐项甚至重复进行严格测试和检查，以确保电刀的各项指标始终保持在国际电工学会和我国发布的有关高频电刀的标准（即IEC601-2-2，GB9706.4和GB9706.1）规定范围内。GB9706.1-1995医用电气设备 第一部分:安全通用要求 GB9706.4-1999医用电气设备 第二部分:高频手术设备安
42、全专用要求IEC 60601-2-2 MEDICAL ELECTRICAL EQUIPMENT-PART 2-2:PARTICULAR REQUIREMENTS FOR THE SAFETY OF HIGH FREQUENCY SURGICAL EQUIPMENT,五、高频电刀的安全保障体系设计,附：高频电刀实例讲解,LEEP手术电刀系统的研究与实现LEEP术：治疗与/或诊断宫颈上皮内瘤样病变(CIN)的一种手术。摘自ASCCP主要优点：手术精确，可用于组织活检，美观。,LEEP刀刀柄,传统手术刀,LEEP刀刀头,LEEP刀切割效果,LEEP刀切割效果,LEEP刀工作原理,切割：在适宜的功率下
43、，连续的正弦波电流使细胞浆变成蒸汽，引起细胞结构破坏，产生了临床切割效果；混切：通过改变电流脉冲通过电极的时间可产生混切效果；凝血：还没有破坏细胞结构就产生蒸发效果；,三种工作模式,不同工作模式下的调制信号不同;同一功率下输出电压不同,载波频率:500kHz,输出功率与电压,LEEP刀的安全标准,相关标准：IEC601-2-2,GB9706.1和GB9706.4。,分类:按医疗器械管理类别分类：属类的理疗设备;按电击防护分类：属于类、带应用部分的BF型、普通、移动式设备。属于全悬浮式单极电刀。,系统结构框图,按电路板分：模拟放大板、数字控制板和吸烟器板；按外观结构分：主机（带前面板）和吸烟器；
44、,主机前面板,模拟放大电路顶层图,三种工作模式：功率(电压)、(载波+调制信号)已调信号、电压范围。,数字控制电路顶层图,主要功能:功率控制(DAC)、反馈输入(ADC)、声光报警、键盘扫描、手柄与脚踏开关等.,吸烟器控制电路,综合性能,安全性：电击（漏电流）、灼伤（接触阻抗）有效性：手术效果；稳定性：主要是电源干扰问题；,系统的安全性,混切效果,切割效果,手术效果测试-1,凝血效果,凝血效果,手术效果测试-2,系统的抗干扰,系统的干扰分析:系统的高频、高压和高功率特点；采用大量的开关电源控制电路.,系统的抗干扰电路1,光耦隔离,光耦隔离,参考地隔离,高压与低压参考地隔离,电源隔离,系统的抗干扰电路2,共模滤波,RCD脉冲吸收电路,限幅,系统的抗干扰电路3,差模滤波,共模滤波,低漏感变压器,THANK YOU!,
