《医学仪器设计》课件9 心脏起搏器与除颤器

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,7.1 心脏起搏器简介,7.2 固定型和R波抑制型心脏起搏器,7.3 心脏起搏器的能源和电极,7.4 心脏除颤器的一般介绍,7.5 典型的心脏除颤器,?医学电子仪器原理与设计?,第七章 心脏起搏器与除颤器,心脏起搏器,Cardiac Pacemaker,第七章 心脏起搏器与除颤器,心脏起搏器,Cardiac Pacemaker,人工心脏起搏用外加脉冲代替心脏起搏点的电兴奋，刺激心脏搏动的一种治疗方法。,是心律失常非药物治疗的一种有效治疗方法。,人工心脏起搏器能产生一定形式电脉冲，并将脉冲传至心脏，使心脏按一定频率有效收缩的脉冲发生器。,能替代或补充正常鼓励和控制心脏收缩的生理电子系统。,人工心脏起搏技术是实现生物机能控制的典型范例。,第七章 心脏起搏器与除颤器,7.1.1 心脏起搏技术的开展简史,17611846 一种由于严重心律失常以致循环障碍、脑供血,缺乏引起的危险急症，称为阿斯综合征，或“心源性脑,缺氧综合征。是开展人工心脏起搏技术的重要背景。,1791 观察到肌肉对电刺激有收缩反响。,1819 用直流电刺激死刑者停止搏动的心脏，使之复跳。,1858、1862 动物实验，用电刺激使心脏跳动。,1930 Hyman 创制发条脉冲发生器心脏起搏器，重，,用针穿刺心房通电起搏抢救心脏停搏患者，命名为心脏,起搏器临床43例，救活14例，但受不公正舆论指责。, 7.1 心脏起搏器简介,7.1 心脏起搏器简介,7.1.1 心脏起搏技术的开展简史,19471958 刺激窦房结复跳；胸壁刺激(75150V，2ms 脉冲),成功，但痛苦大；心外膜电极起搏；心内膜电极起搏。,1958 Elmqvist(瑞典)工程师、Senning医师 第一台埋藏式固定,频率起搏器。术后，20屡次排除故障，患者存活20余年。,1960 晶体管电路、锌汞电池起搏器，盛行十余年。1971以,后，锂电池逐渐代替汞电池。,1963 P波同步型心室起搏；按需起搏；房室顺序起搏；房,室全能起搏；频率自适应起搏；抗心动过速起搏；埋藏式,自动复律除颤器。,全世界每年约有30万个起搏器安装与更换。,7.1 心脏起搏器简介,7.1.2 人工心脏起搏的作用,主要用以治疗缓慢型心律失常,心律失常是多种病因引起心肌电生理特性改变的一种疾病。,某些严重心律失常的药物疗效差，如，高度或完全性房室传,导阻滞、重度病态窦房结综合症。安装起搏器那么效果显著。,用于某些疾病的诊断,例如，心房调搏辅助诊断可疑冠心病，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。,用于实验研究心血管生理、病理生理、药理和临床应用,7.1 心脏起搏器简介,7.1.3 心脏起搏的适应症,长期起搏的适应症,房室传导阻滞,三束支阻滞伴有心脑综合症者,病态窦房结综合症；心动过缓为主伴有有心脑综合症者,临时性起搏适应症,心脏病变可望恢复，紧急情况下保护性应用、诊断应用。,短时间使用心脏起搏器，几小时、几天至几星期。,适应症例，见教科书,7.1 心脏起搏器简介,7.1.4 心脏起搏器的分类,按照起搏器与,病员的关系分类,按照起搏器与,患者P波与R波,的关系分类,按照起搏器,电极分类,感应式,经皮式(体外携带式),埋藏式,非同步(固定)型,同步型,单极型,双极型,7.1 心脏起搏器简介,7.1.4 心脏起搏的分类,感应式 脉冲发生器在体外，起搏电极与接受器植体内。体内无电源但易受干扰。,经皮式 起搏器在体外，按需起搏频率、幅度、脉宽、感知灵敏度均可调，携带不便，易感染，仅用于临时抢救。,埋藏式 起搏器埋植与胸部或腹部皮下，得到广泛使用，关键是电池寿命问题。,非同步(固定)型发出的起搏脉冲与P波或R波无关。,同步型 分为P波同步起搏器和R波同步起搏器。,单极型 阴极置于右心室或右心房，阳极置于胸部起搏器外壳或腹部皮下体外携带式,双极型 起搏器的阴极与阳极均与心脏直接接触。,7.1 心脏起搏器简介,7.1.4 心脏起搏的分类,北美起搏和电生理学会与英国起搏和电生理组,NBG起搏器编码1987年,起搏心腔,感知心腔,感知的反应,程控功能，,频率自适应,抗快速性心率失常功能,V =心室,V 心室,T触发,P =程控频率,和/或输出,P抗快速性心率失常,A心房,A心房,I抑制,M多项参数程控,S电击,D双腔,D双腔,DT+I,C遥测,DP+S,O无,O无,R频率自适应,O=无,O无,注： 、 、用于抗过缓心率失常的起搏,厂家常用S表示单腔心房或心室,7.1 心脏起搏器简介,7.1.4 心脏起搏的分类,使用NBG起搏器编码的例：,VVI,心室起搏，心室感知的按需型起搏器,DDDR,心房、心室都具有起搏和感知功能，响应方式可以是触发式，也可以是按需抑制型，具有频率自适应功能,7.1 心脏起搏器简介,7.1.4 心脏起搏的分类,1,固定型起搏器,以固定频率(非同步)发放起搏脉冲刺激心室(VOO)或心房(AOO)， 只发出固定频率、幅度的脉冲(约70次/分)，不受自主心率支配，一旦心脏自主心律超过起搏频率，便可发生竞争心律电脉冲落于易激期，有可能诱发心室纤颤或室性心动过速而危及病人平安，目前仅临时用于测试磁铁频率或用于竞争起搏终止某些心动过速。,7.1 心脏起搏器简介,7.1.4 心脏起搏的分类,2 R 波同步型起搏器起搏器发放脉冲受R波控制,(1) R波抑制型(按需型，VVI型),单极电极置于心室，兼有起搏与感知功能，常称为心室按需型起搏器。适应证广泛。,平时以固有频率发放脉冲，留神脏自搏心率超过起搏器脉冲频率，将自动感知并抑制起搏器脉冲发放。一旦自搏心率低于起搏器的固有频率，即心室电极感知不到自搏心率产生的R波，起搏器将等待预定的一段时间(逸搏间期)后，立即又按固有起搏频率发放脉冲。这种按病人需要而工作的起搏器应用最广泛。,(2) R波触发型(备用型，VVT型),当自身心搏R波出现时，立即触发起搏器发出一个脉冲，是落在不应期内的无效脉冲。假设自身心搏未发生，那么起搏器脉冲起作用(备用型)。 有无效脉冲产生，功耗较大，应用少。,7.1 心脏起搏器简介,7.1.4 心脏起搏的分类,3 P 波同步型起搏器起搏器发放脉冲受P波控制,心房、心室都放置电极,心房电极感知P波(心房冲动),送起搏器放大并延迟约120ms,触发起搏器发生脉冲,刺激心室(心室电极),对有房室传导阻滞患者，相当于一条人造房室传导通路。不能用于窦房结综合症患者。电路复杂，使用不方便。, P波抑制型AAI型,单极电极置于心房，兼有起搏与感知功能，常称为心房按需型起搏器。可保持房室顺序收缩。仅适用于房室传导功能正常的病窦患者。,7.1 心脏起搏器简介,7.1.4 心脏起搏的分类,4 房室顺序型起搏器,心房、心室各放置一个电极,每次先发放一个心房起搏脉冲,经适当延迟,再发放一个心室起搏脉冲(保持房室冲动生理顺序),如有自身心脏活动，其QRS波将抑制后一脉冲发放,5 双灶按需型起搏器,两个相关脉冲发生器，按一定时序发放起搏脉冲，使心房和心室的起搏都是按需方式工作。,7.1 心脏起搏器简介,7.1.4 心脏起搏的分类,6 程序控制型起搏器,能够与体外控制装置通讯的起搏器。,按照患者病理生理需要，由医生或患者任意改变起搏参数和起搏器工作方式。, 双腔(DDD)起搏器,心房和心室都放置电极。不同的心率反响为不同的起搏方式，总能保持心房和心室得到同步、顺序、协调的收缩。,自身心率慢于起搏器低限频率房室顺序起搏(DVI),自身心房(P)频率超过起搏器低限频率房室传导功能障碍,感知P波触发心室起搏(VDD),自身心房(P)频率过缓房室传导功能是好的,起搏心房，并下传心室 (AAI),7.1 心脏起搏器简介,7.1.4 心脏起搏的分类, 频率自适应(R)起搏器,起搏器频率能自动适应肌体对心排血量(需氧量)的要求。研究使用的代谢感受器有10余种，体动型、每分钟通气量型两种得到应用。,例： VVIR型心室按需自适应型,AAIR型心房按需自适应型,DDDR型双腔自适应型,7.1 心脏起搏器简介,7.1.5 心脏起搏的几个参数,1,起搏频率,6090次/min,能维持心输出量最大时的心率。,2,起搏脉冲幅度和宽度,脉冲幅度：5V,脉冲宽度：1ms,起搏能量与电极形状、面积、材料及导管阻抗损耗等有关。,3,感知灵敏度,R波同步型：,P波同步型： 1mV,4,反拗期,同步型起搏器具有的对外界信号不敏感的时间(不应期)。,R波同步型：30050ms，防止T波或起搏脉冲后电位。,P波同步型：300500ms，防止窦性过速或干扰误触发。,起搏系统的构成起搏电路、电池、金属外壳与起搏导管电极,一脉冲发生器起搏电路,将CMOS ASIC起搏芯片与电阻、电容等元件一起安装在陶瓷基片上构成混合型Hybrid厚膜集成电路作为起搏器主体电路。感知心电活动或其他生理反响，按需自动调整起搏功能，形成和发放脉冲。表达了小型化，程控化和多功能化。,二电池,需体积小、容量大、缓慢释放能量、密封性能好及性能可靠的电池，目前普遍使用锂碘电池，起搏器使用寿命达10年以上。决定起搏器的功能寿命的因素：电池容量；电池自放电；输出阻抗；电路成效；工作的百分率：起搏电路的消耗比感知电路大得多；输出程控；持续的电池消耗。, 7.2 固定型和R波抑制型心脏起搏器,起搏系统的构成起搏电路、电池、金属外壳与起搏导管电极,三电极导线,电极接触心脏经导线与起搏器连接。用生物相容性好、韧性好、抗老化、耐腐蚀的材料制成。电极通常采用爱尔近合金(Elgiloy) 或用镍铬钴钼合金制成，且含多孔，其优点是：纤维组织长入电极空隙可增加固定性。电极感知的有效面积较大。有的电极顶端有激素缓释放装置，电极头的材料以外表活化各向同性低温热解碳或铂为优。,导线的金属材料要求电阻率小，强度高，一般用抗折强度较高的不锈钢。,导线绝缘层有高纯硅橡胶和医用聚氨酯两种，两者生物相容性均好，但前者较粗且脆弱，后者较细而巩固，但易老化。,四起搏器外壳,金属钛生物相容性好，毫无锈蚀。采用钛材料拉伸成型，各部以较大圆弧连接，采用激光焊接封装。,7.2 固定型和R波抑制型心脏起搏器,ASIC设计,Application Specific Integrated Circuits,全定制ASIC芯片掩膜ASIC,定义芯片上所有晶体管的几何图形和工艺规那么，将设计结果交由IC厂家掩膜制造完成。优点：芯片可获得最优性能，即面积利用率高、速度快、功耗低。缺点是：开发周期长，费用高，只适合大批量产品开发。,半定制ASIC芯片,约束性设计方法：门阵列设计法和标准单元设计法，主要目的是简化设计，以牺牲芯片性能为代价来缩短开发时间。,可编程ASIC芯片可编程逻辑器件,自七十年代以来，经历了PAL、GAL、CPLD、FPGA几个开展阶段，高密度CPLD/FPGA已达200万门/片，集成度高、应用产方便，特别适合于样品研制或小批量产品开发，可以很容易转由掩膜ASIC实现，开发风险低。,7.2.1 一种固定型心脏起搏器电路分析,多谐振荡器,单稳态电路,输出电路,R,2,、C,1,决定频率 R,3,决定脉宽 复合管射随输出功率放大、R,i,高 R,o,低,7.2 固定型和R波抑制型心脏起搏器,7.2 固定型和R波抑制型心脏起搏器,7.2.2 R 波抑制型心脏起搏器的一般结构原理,1 感知放大器,选择性放大R波，识别心脏自身搏动，推动按需功能控制器,要求：双向感知、放大8001000倍、频宽1050Hz、,工作电流3mA、稳定、可靠、抗干扰能力强,2 按需功能控制器,为起搏器提供稳定的反拗期，还可克服“竞争心律的危险,感知R波后，控制器在反拗期内抑制脉冲发放,3 脉冲发生器受控于按需控制电路,要求：频率30120Hz、脉宽可调、幅度可调、,易起振、稳定、可靠,7.2 固定型和R波抑制型心脏起搏器,7.2.3 QDX2型体外心脏起搏器的电路分析,R波按需抑制型VVI,1 各单元电路分析,感知放大器,按需功能控制电路,脉冲发生器,2 按需功能的实现,患者的自主心率低于起搏频率时的情况,自主心率不齐,自主心率完全高于起搏频率的情况,感知放大器 按需功能控制电路 脉冲发生器,R波输入 微分作用,放大正脉冲,限制T波、P波,互补型单稳态触发器,形成反拗期,VT,6,开关控制脉冲发生,互补式张弛振荡器,锯齿波电路,产生起搏脉冲,自主心率,t,1,t,2,起搏器固有输出,单稳输出,t,3,反拗期,C,7,锯齿波,发放起搏脉冲,起搏后心律,QRS波前均有起搏脉冲,自主心率低于起搏频率,自主心率不齐,t,1,t,2,(发放),自主心率不齐,t,1,50Hz，按需功能控制器不工作，起搏器为固定式,2,按需功能控制器,3,脉冲发生器和输出脉冲倍压电路,4,最高起搏频率限制电路,5,能量补偿电路和去颤保护电路,感知放大器 单稳(按需控制),去颤保护 抗干扰转换网络,单稳t,u,脉冲发生器 脉冲倍压电路,控制门、锯齿波、振荡器,能量补偿电路,最高起搏频率限制 输出脉冲,感知R波,微分，成为双向波,只放大正极性脉冲,经抗干扰转换后,单稳按需功能控制,最高起搏频率限制,7.3.1 心脏起搏器的能源,1 锌汞电池,2 锂电池,锂碘电池主要使用,锂亚硫酰氯电池,锂铬酸银电池,锂碘化铅电池,3 核素电池,4 “生物燃料电池, 7.3 心脏起搏器的能源和电极,7.3 心脏起搏器的能源和电极,7.3.2 心脏起搏器的电极,1 导线起搏导管和电极的作用,2 电极类型,按安置和用途分：,心内膜电极 心外膜电极 心肌电极,按心内膜使用的电极分：,单极心内膜电极 双极心内膜电极,3 电极的结构及现状,7.4.1 心脏除颤器的作用,电击除颤(电复律术)用较强的脉冲电流消除心律失常，,使之恢复窦性心律的方法。,除颤器 Defibrillator用于心脏电击除颤的设备。,电击复律作用于心脏的是一次瞬时高能脉冲：,持续时间：410ms 电能：40400Ws(J),严重快速心律失常(心房扑动、心房纤颤、室性心动过速)，造成血液动力障碍。采用除颤器消除心律紊乱、恢复心律正常，使患者得到抢救和治疗。,电击复律 时间短暂、平安性高、疗效确切、随时可采用, 7.4 心脏除颤器的一般介绍,7.4.2 心脏除颤器的一般原理,一般方法：,RLC阻尼放电,心脏急救设备：,心脏起搏器、心脏除颤器,监视器、记录仪,7.4.3 心脏除颤器的类型,按是否与R波同步分：,非同步型除颤器,同步型除颤器,按电极放置位置分：,体内除颤器,体外除颤器, 7.4 心脏除颤器的一般介绍,7.4 心脏除颤器的一般介绍,7.4.4 心脏除颤器的主要性能指标,1 最大储能值,除颤器电击前，储能电容储能值400Ws,2 释放电能量,实际向病人释放的电能量，以等效患者电阻50 计,3 释放效率,释放电能与储存电能之比。5080,4 最大储能时间,储能电容充电到最大储能值所需时间。1015s,5 最大释放电压,以最大储能值释放能量时，负荷上的最高电压。,平安要求：100 电阻负荷上最高电压5000V,7.5.1 一种电路比较简单的心脏除颤器的电路分析,1 充放电电路,2 同步电路,除颤放电与患者自主R波同步 ，避开易激期，保证平安,电击除颤时刻从R波下降沿开始,除颤前，须预试R波同步性, 7.5 典型的心脏除颤器,双端差动输入,单端输出,放大正尖脉冲,R波,微分,整形,控制可控硅导通,7.5 典型的心脏除颤器,7.5.2 QC11除颤器的电路分析,1 除颤充电及控制电路,直流变换器,高压储能电容器,高压储能指示,除颤充电控制电路,高压充电平安电路,7.5 典型的心脏除颤器,7.5.2 QC11除颤器的电路分析,2 除颤放电控制电路,驱动电路,控制电路,3 电源局部,220V交流供电，输出12V(稳压)、24V (未稳压),镉镍电池，21节干电池,电池自动充电,心脏起博器与心脏除颤器的区别：,起博和除颤都是利用外源性的电流治疗心律失常的方法,心脏起博器,通过产生一定频率、幅度和宽度的电脉冲剌激心脏，使有起博功能障碍或房室传导疾病的心脏按一定频率应激收缩。频率6090次/分，脉冲幅度5V，脉冲宽度1ms，能量几微焦耳。,心脏除颤器,产生作用于心脏的一瞬间高能脉冲，消除心律失常，恢复窦性心律。持续时间410ms，电能40400J,