现代医学电子仪器原理与设计.pptx

1第一节 电刺激治疗类仪器设计原理频率小于频率小于1kHz1kHz时的电时的电流对流对人体细胞组织的作用主人体细胞组织的作用主要要是以刺激效应为主。是以刺激效应为主。低频电刺激是一种不安全的低频电刺激是一种不安全的因素，应予以高度重视。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。第1页/共113页2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。第2页/共113页3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第3页/共113页4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。第4页/共113页5电刺激的类型按电刺激部位分为三类：表面刺激；经皮刺激；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。第5页/共113页6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。第6页/共113页7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。(12Hz50Hz)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。第7页/共113页8电刺激与电兴奋的基本因素实验表明，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：第8页/共113页9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。第9页/共113页10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。第10页/共113页11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、为两个常数。当时间t时，I=IR R，即时值，与曲线上升部分的斜率有关。第11页/共113页12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 R，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。第12页/共113页13电刺激引起组织兴奋的原理静息状态兴奋状态第13页/共113页14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。第14页/共113页15电刺激引起组织兴奋的原理第15页/共113页16电刺激引起组织兴奋的原理第16页/共113页17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。第17页/共113页18电刺激的常见波形第18页/共113页19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第19页/共113页20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。第20页/共113页21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。第21页/共113页22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)的敏感性生产和测试第22页/共113页23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。第23页/共113页24 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：2030万人年，目前依靠起搏器维持生命的500万人。第24页/共113页25一、人工心脏电起搏器的作用2用于诊断：心房调搏辅助诊断冠心病。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。第25页/共113页26二、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：度或度(莫氏度)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。第26页/共113页27二、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：第27页/共113页28二、心脏起搏器临床应用的适应症(4)心脏手术后出现度房室传导阻滞者。(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。第28页/共113页29三、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。第29页/共113页30三、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。第30页/共113页31三、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。第31页/共113页32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。第32页/共113页33三、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)。第33页/共113页34三、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。第34页/共113页35三、心脏起搏器的分类及临床应用的起搏器简介2R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。第35页/共113页36三、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。应用较少第36页/共113页37三、心脏起搏器的分类及临床应用的起搏器简介3P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。第37页/共113页38三、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心房（按需）；脉冲发生器心室（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。第38页/共113页39三、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字母序列序列 12345表示起搏器表示起搏器的心脏位置的心脏位置 表示感知的表示感知的心脏位置心脏位置 表示反应表示反应模式模式 程序编码程序编码功能功能 治疗心动治疗心动过速功能过速功能 字母字母意义意义 V心室心室A心房心房D双腔双腔 V心室心室 A心房心房D双腔双腔O无感知无感知 T触发或触发或 同步输出同步输出I抑制抑制D双重双重O无反应无反应R逆转逆转 P程序程序M多功能多功能 程程 序序 编编码码O无程序无程序 B猝发猝发N与额定与额定 频率竞争频率竞争S频率扫描频率扫描E体外控制体外控制 起搏器起搏器 第39页/共113页40四、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，能维持心输出量最大时的心率为最适宜的心率，大部分患者6090次min较为合适2起搏脉冲幅度和宽度幅度电压幅度；宽度脉冲持续时间。幅度宽度能量心搏所需能量（微焦级）5V(0.51)ms还与电极形状、面积、材料及导管阻抗等有关影响电池寿命第40页/共113页41四、心脏起搏器的几个参数3感知灵敏度感知灵敏度是指起搏器被抑制或被触发所需最小的R波或P波的幅值。R波同步型=1.52.5mV。（R波=515mV，路径损失剩下23mV）P波同步型=0.81mV。（P波=35mV，路径损失后更小）合理选取：过低不感知、感知不全；过高误感知、干扰敏感。第41页/共113页42四、心脏起搏器的几个参数4反拗期反拗期（ni）：同步型起搏器对外信号不敏感时间（=不应期）。R波型：反拗期=30050ms。防止T波或起搏脉冲后电位的误触发。P波型：反拗期=300500ms。防止窦性过速、外界干扰的误触发。第42页/共113页43第三节 固定型和R波抑制型心脏起搏器多谐振荡器单稳态射频输出第43页/共113页44 一、一种固定型心脏起搏器电路分析1多谐振荡器组成：CMOS与非门F1、F2、F3、RC电路环形多谐振荡器波形：图7-9中VA调节：TR2C1，可变R2。工作状态分析：初始状态A点为低 F1输出为高 F2输出为低（此时C1两端电压不能突变）R1 C1 R2对C1充电至F3输入端为低 A点电平翻转；反向过程同理。波形如图7-9中的VA，VB所示。第44页/共113页45 一、一种固定型心脏起搏器电路分析2单稳态电路组成：与非门F5、F6积分型单稳态输入：VB，输出：VC。作用：决定脉冲宽度。调节：TUR3C2，可变R3。工作状态分析：B点为低时F5输出为高R3C2充电，F6与非门输入端B为低，F6输出为高。稳态。B点为高时F5输出为低R3C2放电，F6与非门输入端B为高，电容C2端电压瞬间为高，F6输出为低；C2放电至F6反转电平时，F6输出反转变高。非稳态。第45页/共113页46 一、一种固定型心脏起搏器电路分析3输出电路组成：Vl、V2-复合管，射极输出电路。作用：电流，输出电阻。C隔直、DW稳压管，限幅。输出：一定幅度(DW决定)的负脉冲。VD。注意：V2，c-e反对调。C点电平高时，V1，V2截止，C3通过R4充电；C点电平低时，V1，V2导通，C3放电，放电脉冲幅度取决于DW稳压管电压。第46页/共113页47二、R波抑制型心脏起搏器的一般结构原理图7-10R波抑制型心脏起搏器的结构方框图R波抑制型心脏起搏器的一般结构框图如图7-10所示。主体部分包括感知放大器、按需功能控制器、脉冲发生器三大部分。第47页/共113页48二、R波抑制型心脏起搏器的一般结构原理1感知放大器作用：选择R波放大，限制T波及干扰波，辨认心脏自身搏动。目的：用以辨认心脏自身搏动。要求：正、负感知（双向感知）；放大倍数=8001000；频宽=1050Hz（3dB带宽）；电流3mA（微功耗）；电路稳定、可靠，抗干扰强。第48页/共113页49二、R波抑制型心脏起搏器的一般结构原理2按需功能控制器作用：提供稳定的反拗期，抑制脉冲，克服“竞争心律”。反拗期后无R波（R-R间期过长）时，发出起搏脉冲。3脉冲发生器作用：产生矩形电脉冲要求：频率=30120次min，脉宽=1.11.5ms；易起振，稳定，可靠，可调：频率、脉宽、幅度。第49页/共113页50第四节 心脏起搏器的能源和电极一、心脏起搏器的能源（埋藏式）起搏器能源(电池)的寿命起搏器的寿命1锌汞电池结构：（-）锌，（）氧化汞，电解质氢氧化钾溶液优点：内阻低，放电性能平坦。缺点：漏碱、涨气、自放电大、搁置寿命短。现状：新结构寿命达5年，不如锂电池。埋藏式中已淘汰。第50页/共113页51一、心脏起搏器的能源2锂电池锂电池类型有多种：(1)锂碘电池结构：（-）金属锂、（）聚二乙烯基吡啶碘，电解质碘化锂。特点：固体介质，故无泄漏、涨气等致命缺点；自放电很低，10年不超过10，可靠性高，寿命长。应用：目前国内外大量使用。第51页/共113页52一、心脏起搏器的能源(2)锂亚硫酰氯电池特点：非水电解质亚硫酰氯，直接在电极上还原反应。特性：放电平坦，质量、体积小，无内压升高，保用期10年。缺点：电压滞后，高温储存后不会有大电流放电。应用：目前国内外已大量生产使用。第52页/共113页53一、心脏起搏器的能源(3)锂铬酸银电池结构：（-）锂铬酸银和石墨粉混合物，隔膜三种聚丙烯毡。特性：前一段3.2V，占容量70，后一段2.5V，占容量25。没有气体产生，自放电可忽略不计，可靠性很高。应用：国外已普遍使用。第53页/共113页54一、心脏起搏器的能源(4)锂碘化铅电池结构：（+）碘化铅和铅粉混合物，电解质固态碘化锂和二氧化铅混合物。由三组(每组7个单体并联)串联组成。特性：使用中电压缓慢下降，安全，可在温度150时使用。应用：目前在国外生产使用。第54页/共113页55一、心脏起搏器的能源3核素电池种类：钚233热电式，钜147电压式。特点：寿命最长，达20年，被誉为终身能源，适合青年患者。缺点：价格昂贵，放射线要严格防护，体积、重量大。应用：采用者较少。4“生物燃料”电池（生物能源）血液中：氧+葡萄糖（催化）葡萄糖氧化+化学能电能特点：体积微小，可作终身电源。第55页/共113页56一、心脏起搏器的能源缺点：易感染、反应物影响血液成分、电特性不均匀等。应用：目前仍在试验阶段。生理活动机械能(心包搏动等)（电磁能转换器、压电晶片）电能缺点：电压输出低，性能不稳定。应用：还不能临床使用，只处于实验研究阶段。第56页/共113页57二、心脏起搏器的电极（一）导线（又称为起搏导管）和电极的作用作用：起搏脉冲心脏；R波、P波起搏器。要求：形状、材料好，电极面积小，使起搏阈值低，减少能耗。（二）电极类型1依其安置及用途的不同分类心内膜电极形式：心导管形式，也称心内膜导管电极，简称导管电极。置入：切开并经体表周围静脉置入心腔内膜，与心内膜接触。第57页/共113页58二、心脏起搏器的电极优点：不必开胸，手术损伤小。缺点：对静脉畸形、心腔过大者，电极不易固定，不宜采用。应用：临床上应用最多，约占90。心外膜电极置入：需要手术开胸，缝扎于心外膜表面，接触心外膜。缺点：与心外膜间极易纤维增生，短期内导致起搏阈值增高。应用：目前多为心肌电极代替。第58页/共113页59二、心脏起搏器的电极心肌电极置入：手术开胸植入心肌内，电极头刺入心壁心肌。优点：可减少起搏阈值增高的并发症。缺点：需开胸，手术较大。应用：除年轻患者(活动量大)或静脉畸形、心腔过大，心内膜电极不宜者外，其他较少用。第59页/共113页60二、心脏起搏器的电极2按心内膜使用的电极分类单极心内膜电极形式：一个电极接触心脏。另一个电极（无关电极）可放在皮肤下任何部位。埋藏式起搏器金属外壳无关电极。双极心内膜电极形式：两个电极，或均固定在心肌上；或阴极接触心内膜，阳极在心肌内。特殊电极如：经胸外壁起搏电极、食道心房电极、纵隔心房电极等。第60页/共113页61二、心脏起搏器的电极(三)电极的结构及形状状况：浸于体液，随心脏跳动（每分钟70次，每年3680万次）要求：强度，光洁柔软，耐腐蚀，电极头电阻小，导线绝缘好。材料：导线外套多用硅橡胶；导体用爱尔近合金(Elgiloy)或镍合金等材料；电极头用爱尔近合金或铂铱合金等。形状：有勾头、盘状、柱状、环状、螺旋状、伞状等不同类型。第61页/共113页62二、心脏起搏器的电极图2.15 几种电极头寿命：埋藏式起搏器寿命已达812年，更换时常不希望同时更换导管电极，故要求其寿命最好为23倍（2030年）。图2.15：(a)柱状电极，(b)锚型心内膜单电极，(c)螺旋形心肌电极。第62页/共113页63第五节 心脏除颤器心脏除颤器又名电复律机，它是一种应用电击来抢救和治疗心律失常的一种医疗电子设备。一、心脏除颤器的作用二、心脏除颤器的一般设计原理三、心脏除颤器的类型四、心脏除颤器的主要性能指标第63页/共113页64一、心脏除颤器的作用电击除颤（又叫电复律术）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法。用于心脏电击除颤的设备称为除颤器，它能完成电击复律，即除颤。起搏和除颤都是利用外源性的电流来治疗心律失常的，都是近代治疗心律失常的方法。电能电能脉冲脉冲脉冲幅度脉冲幅度持续时间持续时间起搏起搏几个微焦耳几个微焦耳几个微焦耳几个微焦耳持续持续5V5V0.5 0.5 1ms1ms除颤除颤4040400J400J一次一次瞬时高能瞬时高能瞬时高能瞬时高能4 410ms10ms第64页/共113页65一、心脏除颤器的作用临床上通常用药物和电击除颤两种方法来治疗心律失常。(一)颤动机制含义：源于心肌的无序电兴奋，导致心脏正常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折返通路所致。原因：心脏兴奋的传导区与心肌细胞膜的快速重复去极化，使通过心脏的单个兴奋波或多个兴奋波快速重复传递。第65页/共113页66一、心脏除颤器的作用(二)除颤机制措施:是用强电击来使绝大多数心肌细胞同时去极化，压制快速兴奋波的产生。这样细胞可以重新极化，回到各自的相位。强度持续时间关系用图7-12的曲线来说明。注意：(1)持续时间短的大电流会损伤心肌。(2)过强和过长的电击可能导致迅速重新颤动，使得恢复心脏功能失败。电击强度的依赖因素：(1)病人的自身特点；(2)电极采用的技术；(3)是否正在进行特别的节律失调治疗。第66页/共113页67一、心脏除颤器的作用电流(A)负荷(C)能量(J)电击强度电击时间图7.12(b)典型的电流、能量、电荷对时间的关系电流(A)时间图7.12(a)电流强度时间曲线。第67页/共113页68二、心脏除颤器的一般设计原理(一)心脏除颤器的基本原理除颤：K动作切断充电LC人体串联RLC衰减振荡（通过心脏）放电时间：一般410ms，选取L、C值实现。充电：直流低压电压变换器脉冲高压高压整流C充电储能第68页/共113页69二、心脏除颤器的一般设计原理(二)除颤波形美国心脏协会（AHA）发布的2000年心肺复苏和心血管急救国际指南除颤的关键因素是电流，而选择的能量只是产生电流的手段；另一方面，电流也是造成心肌损伤的主要因素。因此开发和研制低能量、高成功率和低心肌损伤特性的除颤器一直是除颤技术的研究重点。1.单相衰减正弦波第69页/共113页70二、心脏除颤器的一般设计原理单相衰减正弦波是最经典的、最常见的单相除颤术，其除颤脉冲波形如图所示。缺点：(1)电流峰值较大，心肌功能损伤比较严重；(2)对经胸阻抗的变化没有自动调整功能，对高阻抗病人的除颤效果不理想；(3)对房颤的转复能力较差。第70页/共113页71二、心脏除颤器的一般设计原理2.低能量双相切角指数波与单相除颤技术比较，特点如下：(2)由于电流峰值的减少，降低了心肌功能损害的程度。(3)能感应经胸阻抗的变化，通过时间代偿或电压补偿的方式，使高阻抗病人除颤成功率得到改善。(1)低能量双相切角指数波可增加电流的均值，提高了除颤的成功率；第71页/共113页72二、心脏除颤器的一般设计原理3.低能量双相方波工作原理:数码电阻桥自动测量人体阻抗，快速调节机内数控电阻值。特点:是以人体的经胸阻抗为基准，以最低的能量产生最合适的除颤“电流”，达到最佳的除颤效果和最小的心肌损伤。第72页/共113页73二、心脏除颤器的一般设计原理(三)电极体外除颤电极是金属的，表面积在70100cm2之间。必须用一种导电材料和皮肤耦合以便达到电极-皮肤间的低阻抗。分类手持式粘贴式体内（见图7-18a）体外（见图7-18b）第73页/共113页74二、心脏除颤器的一般设计原理粘贴式电极：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。手持式电极：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。电极放置通常是两个都放在前胸或分别放在前胸和后胸的位置。第74页/共113页75二、心脏除颤器的一般设计原理(四)同步危险性：在ECG的T波期间施加电击常常会产生心室颤动。功能：旨在确保在ECG的QRS波期间施加电击。第75页/共113页76二、心脏除颤器的一般设计原理操作者只需选择除颤器操作的同步模式，除颤器便会自动检测QRS波并在QRS波期间施加电击；而且在ECG显示器上电击与QRS同步显示（见图7-19），同步除颤监测中的时间标记M表示在此处施加了电击；同步显示可以使操作者确信电击未发生在T波期间。第76页/共113页77二、心脏除颤器的一般设计原理(五)自动体外除颤自动体外除颤器（AED）通常是指在紧急情况下使用，可以自动或半自动识别和快速治疗心律不齐。操作者使用AED，可以监视ECG，通过内置信号处理器决定是否与何时给予病人电击。在全自动模式下，AED可以完全靠自控。而在半自动模式下，操作者必须确认来自AED的电击请求再提供电击。AED对于提高心脏停跳患者的生还机会有潜在的价值，因为它可以使得紧急情况的处理个人化，在医务人员到来之前就可对病人实施除颤电击。第77页/共113页78二、心脏除颤器的一般设计原理(六)除颤器的安全问题不安全因素：(1)非同步电击的危险在前面已经作了介绍，需要有同步设计来防止在T波期间施加电击。(2)不正确的操作可能导致操作者或者和放电通路连接的附近其他人员的意外电击。(3)过强和过多的电击对病人造成的损害。(4)除颤器不能正常工作也可视为安全问题，因为当除颤器不能进行电击而又没有替代物时就意味着病人复苏的机会的丧失。第78页/共113页79三、心脏除颤器的类型1.按是否与R波同步来分非同步型除颤器同步型除颤器除颤器在除颤时与患者自身的R波不同步，可用在心室颤动和扑动(因为这时没有振幅足够高、斜率足够大的R波)。除颤器在除颤时与患者自身的R波同步。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，这样使电击脉冲不会落在易激期，从而避免心室纤颤。第79页/共113页80三、心脏除颤器的类型2.按电极板放置的位置来分(1)体内除颤器(2)体外除颤器是将电极放置在胸内直接接触心肌进行除颤的。是将电极放在胸外，间接接触除颤。目前临床使用的除颤器大都属于这一类型。早期:主要用于开胸心脏手术时直接心肌电击。现代:体内除颤器是埋藏式的，它除了能够自动除颤以外，还能自动进行监护，判断心律失常、选择疗法进行治疗。还处于实验研制阶段，仅有少数应用于临床。第80页/共113页81四、心脏除颤器的主要性能指标最大储能值在除颤器电击前，必须先向除颤器内的电容器储存电能（用充电方法实现），衡量电能大小的单位是J，即瓦秒（焦耳）。除颤器的最大储能值为400瓦秒。电容C与其上面的电压U和储能W有如下关系W（12）CU2第81页/共113页82四、心脏除颤器的主要性能指标(2)释放电能量是指除颤器实际向病人释放电能的多少，直接关系到除颤实际剂量。是一项十分重要的性能指标。释放电能量的大小必须以一定的负荷值为前提。通常以负荷50作为等效患者的电阻值。(3)释放效率是指释放能量和储存电能之比。大多数除颤器释放效率在5080之间。第82页/共113页83四、心脏除颤器的主要性能指标(4)最大储能时间(5)最大释放电压是指电容充电到最大储能值时所需要的时间。这个时间越短越好，但因受电源内阻的限制，不可能无限度地缩短这个时间。目前，最大储能时间多在1015s范围内。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。国际电工委员会暂作这样的规定：除颤器以最大储能值向100电阻负荷释放时，在负荷上的最高电压值不应该超过5000V。第83页/共113页84第六节 典型心脏除颤器一.一种电路比较简单的同步心脏除颤器电路分析1充放电电路（如图7-20）充电：DC-DC变换。原理：低压直流高频振荡升压(倍压)整流滤波高压直流具体过程：按下SBVT1、VT2高频振荡T升压次级L2交变高压倍压整流，滤波高压直流正半周（a+，b-）时VD1导通C2充电负半周（a-，b+）时VD2导通C3充电第84页/共113页85充电压：UUC2UC2UC3，充电能：ACU2/2，其中：CC4C3C2/(C3C2)SA1体内、体外除颤选择开关双刀两位体 外 除 颤：SA1-1、SA1-2“1”位L1L2电压升高U体 内 除 颤：SA1-1、SA1-2“2”位L1L2电压降低U一一.一种电路比较简单的同步心脏除颤器电路分析一种电路比较简单的同步心脏除颤器电路分析第85页/共113页86一一.一种电路比较简单的同步心脏除颤器电路分析一种电路比较简单的同步心脏除颤器电路分析图7-20充放电电路原理图第86页/共113页87一一.一种电路比较简单的同步心脏除颤器电路分析一种电路比较简单的同步心脏除颤器电路分析图7-21同步电路2同步电路（如图7-21）第87页/共113页88波形：图7-22Uab：输入a、b两端，差动心电信号。Uc：心电信号差动放大输出（倒 相）（VT1、VT2）Ud：R波 微 分 信 号（C1、R9）Ue：对正尖脉冲放大、整形、输出脉冲（VT3，VT4，VT5）一一.一种电路比较简单的同步心脏除颤器电路分析一种电路比较简单的同步心脏除颤器电路分析图7-22同步电路波形示意图第88页/共113页89作用：除颤时与患者自主的R波同步，避开易激期。组成：VT1、VT2双端输入单端输出，差动放大电路；C1、R9微分电路；VT3单向放大；VT4整形；VT5射极输出；3CT可控硅；K1、K2继电器一一.一种电路比较简单的同步心脏除颤器电路分析一种电路比较简单的同步心脏除颤器电路分析第89页/共113页90工作过程：按下SB按钮3CT导通K1动作C放电(与R波同步)R波Ue脉冲K2动作示波器扫线增辉(检查)注意：除颤前，须反复预试R波同步性能，顺利、安全必不可少(室颤除外)。一一.一种电路比较简单的同步心脏除颤器电路分析一种电路比较简单的同步心脏除颤器电路分析作用：使电击除颤的时刻是从R波下降沿开始的，从而避开心动周期的易激期，以保证患者的安全。第90页/共113页91除颤监护仪全自动心脏监护除颤仪是集监护与治疗于一体的智能化设备，能持续监测ECG信号，精确及时地检测到室速（VT）/室颤（VF）的出现，鉴别分析需电击或不需电击心律，对威胁生命的心脏突发状况可立即给予治疗性电击。该机过程全部自动完成，无须人为干预，从而有效赢得抢救时机，显著提高存活率。概述除颤监护仪的工作原理如图7-23所示。二.除颤监护仪第91页/共113页92系统通过心电电极（或除颤极板）采集病人心电信号，经放大和A/D转换后送到系统控制部分利用专用算法进行分析。如果出现室速或室颤，对储能电容进行充电，然后将储能电容中的能量通过除颤极板向病人释放，纠正心律失常，同时显示能量水平。二.除颤监护仪图7-23除颤监护仪工作原理框图第92页/共113页93 除颤监护仪的分类 除颤监护仪分为全自动与半自动两类。全自动除颤监护仪 全自动除颤监护仪自动对患者心律进行分析，并决定是否需要除颤。如果检测出可除颤心律，仪器就自动充电与放电。全自动除颤监护仪工作过程自动完成。半自动除颤监护仪 半自动除颤监护仪自动对患者心律进行分析，如果检测出需除颤心律，则发出声光报警并对电容充电，由操作者进行手动除颤。二.除颤监护仪第93页/共113页94第七节 高频电刀临床医学俗称的“高频电刀”是一种取代机械手术刀进行组织切割的电外科器械。它通过电极尖端的高频（通常为200kHz3MHz)高压电流与机体接触时对组织进行加热，实现对机体组织的分离和凝固，从而达到切割和止血的目的。高频电刀自1920年应用于临床至今，已有80多年的历史了。其间经历了火花塞放电大功率电子管大功率晶体管大功率MOS管四代的变革。第94页/共113页95一、高频电刀的功能高频电刀具有电切（纯切、混切）、电灼、电凝（单极电凝、双极电凝）等功能。(1)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。最重要的是使细胞体积扩大约5倍，引起细胞结构破坏，于是产生了临床的切割效果，并在切割分离组织的边缘产生一点止血效果或不产生止血效果。第95页/共113页96一、高频电刀的功能(2)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。第96页/共113页97二、高频电刀的设计原理图7-24高频电刀系统设计框图射频振荡器调制器功率放大输出电路电极函数发生器模式选择控制电路手开关脚开关电源第97页/共113页98二、高频电刀的设计原理电极双极：一般用于局部电凝和功率较小的场合；单极：配以返回电极（又称为分离电极）可提供手术切割所需要的高功率输出。高频电刀输出的典型波形有三种：第98页/共113页99二、高频电刀的设计原理第99页/共113页100 在使用频率、电压和输出功率等方面，电切普遍高于电凝。有关参数说明如下：电凝射频频率：250kHz2.0MHz；调制（波簇）：120/s左右；输出电压（开路）：3002000V；输出功率（500负载）：80200W。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（500负载）：100750W。二、高频电刀的设计原理第100页/共113页101二、高频电刀的设计原理第101页/共113页102三、高频电刀主要的工作模式高频电刀有两种主要的工作模式：单极和双极。1.单极模式在单极模式中，用一完整的电路来切割和凝固组织，该电路由高频电刀内的高频发生器、病人极板、接连导线和电极组成。第102页/共113页103三、高频电刀主要的工作模式2.双极模式 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100M），而且在接上应用部分之后，对地分布电容要足够小（100pF)，还得经受得起约6000V交流试验电压的考验。高频电刀输出一旦悬浮不良，高、低频漏电流将迅速增大，易于发生灼伤甚至危及生命。为此高频电刀还应具有防漏防潮性能。否则，一旦受潮必然影响电刀输出的悬浮程度。第106页/共113页107电刀的金属机壳应可靠接地，即电源的地线应真正接大地，且与机器接地点之间的连续电阻应小于0.2（包括电源电缆在内），以防机壳和保护接地点悬空而带电，增加电击危险和机内对外界的高频辐射。电网电源与机壳（接地线）之间必须能承受1500V耐压。机壳对地漏电流应低于0.1mA，以保证市电（低频）与机壳隔离良好，防止电击。低频电流十分有害，过大的低频漏电流将对病人产生严重刺激甚至致命。五、高频电刀的安全保障体系设计第107页/共113页108高频漏电流必须低于150mA。高频漏电流是指电刀两输出电极对地的辐射电流，它对手术毫无作用但可造成病人的灼伤和环境污染。高频电刀的主载波频率（基波）应在0.35MHz之间。不得过低也不得过高（全悬浮式电刀一般在0.40.8MHz之间）。过低，会产生低频刺激；过高，则高频辐射严重。在任何情况下，高频电刀的输出功率均不得超过400W。过大的功率会对病人造成损伤。五、高频电刀的安全保障体系设计第108页/共113页109高频电刀的输出功率应尽可能稳定。在电源电压波动和负载变化时，输出功率仍应在规定范围内。否则，手术时，不是切、凝效果不佳，就是焦粘组织，甚至严重