心脏起搏器与除颤器.ppt

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。能替代或补充正常激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 心脏起搏技术的发展简史 17611846 一种由于严重心律失常以致循环障碍、脑供血 不足引起的危险急症，称为阿斯综合征，或“心源性脑 缺氧综合征”。是发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应。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7.2kg，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 心脏起搏技术的发展简史 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多次排除故障，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。安装起搏器则效果显著。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）,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安全，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，当心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。若自身心搏未发生，则起搏器脉冲起作用(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(心房激动)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(保持房室激动生理顺序)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。不同的心率反应为不同的起搏方式，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：0.51ms 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：1.52.5mV P波同步型：0.81mV4 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应，按需自动调整起搏功能，形成和发放脉冲。体现了小型化，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；电路功效；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，电极头的材料以表面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，后者较细而坚固，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则，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几个发展阶段，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R2、C1决定频率 R3决定脉宽 复合管射随输出功率放大、Ri高 Ro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，辨认心脏自身搏动，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1.11.5ms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VT6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 t1 t2 起搏器固有输出单稳输出 t3 反拗期C7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 t1 t2(发放),自主心率不齐,t1 t2(全抑制),自主心率完全高于起搏频率,7.2 固定型和R波抑制型心脏起搏器,感知放大器按需功能控制器脉冲发生器去颤保护抗干扰转换能量补偿频率限制性能较完善电路可靠性高整机功耗极微,7.2.4 AMQ4型按需起搏器的电路分析,R波抑制型 保护电路 优点,AMQ4型,7.2 固定型和R波抑制型心脏起搏器,7.2.4 AMQ4型按需起搏器的电路分析 1 感知放大器和抗干扰转换网络 干扰频率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tu 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、安全性高、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400Ws2 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。50804 最大储能时间 储能电容充电到最大储能值所需时间。1015s5 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。安全要求：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，保证安全 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安全电路,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 电源部分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0.51ms，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,