现代医学电子仪器原理与设计.ppt

2020年2月29日星期六 1 第七章心脏治疗仪器与高频电刀 电刺激治疗类仪器设计原理 心脏起搏器 除颤器 高频电刀 2 简介 电刺激器是医学电子仪器中非常重要的治疗类设备 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 除颤器是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 高频电刀是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 3 第一节电刺激治疗类仪器设计原理 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 低频电刺激是一种不安全的因素 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 4 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 5 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 6 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 7 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 8 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 9 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 12Hz 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 10 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 11 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 12 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 13 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 即时值 与曲线上升部分的斜率有关 14 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 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 15 电刺激引起组织兴奋的原理 静息状态 兴奋状态 16 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 17 电刺激引起组织兴奋的原理 18 电刺激引起组织兴奋的原理 19 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 20 电刺激的常见波形 21 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 22 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 23 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 24 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 25 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 26 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 20 30万人 年 目前依靠起搏器维持生命的 500万人 27 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 28 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 29 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 30 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 31 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 32 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 33 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 34 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 35 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 36 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 37 三 心脏起搏器的分类及临床应用的起搏器简介 2 R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 38 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 39 三 心脏起搏器的分类及临床应用的起搏器简介 3 P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 40 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 41 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 42 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60 90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 5 1 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 43 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 5 2 5mV R波 5 15mV 路径损失剩下2 3mV P波同步型 0 8 1mV P波 3 5mV 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 44 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 300 50ms 防止T波或起搏脉冲后电位的误触发 P波型 反拗期 300 500ms 防止窦性过速 外界干扰的误触发 45 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 46 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 T R2 C1 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 47 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 TU R3 C2 可变R3 工作状态分析 B点为低时 F5输出为高 R3 C2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 R3 C2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 48 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 49 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 50 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 800 1000 频宽 10 50Hz 3dB带宽 电流 3mA 微功耗 电路稳定 可靠 抗干扰强 51 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 30 120次 min 脉宽 1 1 1 5ms 易起振 稳定 可靠 可调 频率 脉宽 幅度 52 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 53 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 54 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 55 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 56 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 57 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 58 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 59 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 60 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 61 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 62 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 63 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 64 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8 12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2 3倍 20 30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 65 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 66 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 67 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 68 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 69 一 心脏除颤器的作用 70 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4 10ms 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 71 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 72 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 73 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 74 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 75 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70 100cm2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 76 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 77 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 78 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 79 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 80 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 81 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 82 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 83 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 1 2 CU2 84 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50 80 之间 85 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10 15s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 86 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SB VT1 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 87 充电压 U UC2 UC2 UC3 充电能 A CU2 2 其中 C C4 C3C2 C3 C2 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 L1 L2电压升高 U 体内除颤 SA1 1 SA1 2 2 位 L1 L2电压降低 U 一 一种电路比较简单的同步心脏除颤器电路分析 88 一 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 89 一 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 90 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 91 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 一种电路比较简单的同步心脏除颤器电路分析 92 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 93 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 94 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 95 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 96 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200kHz 3MHz 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 97 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 98 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 99 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 100 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 101 二 高频电刀的设计原理 102 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 250kHz 2 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 电切射频频率 500kHz 2 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 100 750W 二 高频电刀的设计原理 103 二 高频电刀的设计原理 104 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 105 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 4mm 和输卵管的封闭 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 应用范围 脑外科 显微外科 五官科 妇产科以及手外科等较为精细的手术中 106 四 高频电刀的波形设计 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 凝固波形的本质是获得黑色凝固或获得高温下组织的碳化 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 107 四 高频电刀的波形设计 注意 白色凝固的产生 它仅由变性骨胶原 弹性硬蛋白和其他天然的组织蛋白组成而不包括组织切断和部分切除 独立于所使用的波形 各种不同波形的频率在高频电刀中研究中很重要的原因 指出了信号刺激可兴奋组织的趋势 提供了滤波器设计需要的频率信息 108 五 高频电刀的安全保障体系设计 高频电刀的安全要求及必要的安全保障体系概括起来主要有以下几项 1 输出必须完全悬浮 即高频电刀的高频高压输出部分对机壳 大地 和电源 市电 应严格隔离 各输出端口 电极 对地和电源 不仅绝缘电阻要很大 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 109 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 110 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 3 5MHz之间 不得过低也不得过高 全悬浮式电刀一般在0 4 0 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 111 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 甚至严重灼伤病人 高频电刀的输出波形一定要稳定 其基波应是相对纯净的正弦波 否则 易引起输出功率不稳 增大高频漏电流或产生低频工作电流 电刀的手柄及连接电缆外表对电极的耐压应能承受3000V 交流有效值 和2倍高频电刀开路输出电压试验 否则 有可能因漏电而灼伤操作者和 或 病人 五 高频电刀的安全保障体系设计 112 极板面积应足够大 最好是粘贴式的 以保证从病人机体返回机器的电流在人体与极板接触处的密度尽可能低 0 02A cm2 当中性电极 极板 断线或阻抗过大时 仪器应具有声光报警和切断输出的功能 防止断点或大阻抗点产生功耗引起灼伤或着火 当切 凝同时启动时 应禁止功率输出或者只输出功率较小的模式 如凝 应防止误操作引起过大的功率加到患者身上 高频电刀在心脏外科使用中 经常会碰到使用除颤器的情况 CF型电刀应用部分应能承受2kV除颤电压冲击 五 高频电刀的安全保障体系设计 113 高频电刀在任何设定下均可长时间开路启动 并可多次短路而不影响机器的性能和安全 电源复通或启动复通时 任何设定下的输出不得增大20 以上 以防止过大功率突然回到患者身上 额定负载下的输出应与设定位置对应 功率偏差不大于20 不同负载下的全功率和半功率曲线与规定偏差也不大于20 五 高频电刀的安全保障体系设计 114 输出回路应串入不小于5000pF的高压电容 输出电极 对 直流阻抗应远大于2M 以防低频输出 机器内部应进行防潮处理 机壳应能防止液体 翻倒时 侵入机内 应保证仪器的绝缘和隔离性 五 高频电刀的安全保障体系设计