心脏起搏器和除颤器的学习.ppt
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1、第七章 心脏起搏器和除颤器,心脏起搏定义,人工心脏起搏(artificial cardiac pacing)是通过人工心脏起搏器或程序刺激器发放人造的脉冲电流刺激心脏,以带动心脏搏动的治疗方法。主要用于治疗缓慢心律失常,也用于快速的心律失常和治疗。,什么是心脏起搏器?,心脏起搏器由脉冲发生器、导线和电极组成。脉冲发生器呈扁圆形,体积非常小,大约有40506毫米,重量约30克。它实际上是一个微型计算机,由高性能电池提供能量。起搏器通常埋植在上胸部的皮下,它的导线通过静脉到达心脏,导线顶端的电极固定在心脏的内侧面心肌上。起搏器工作时,脉冲发生器发出的电脉冲,经导线、电极传到心肌,心肌感受到电脉冲刺
2、激产生收缩。同时,起搏器电极也将心脏的电活动收集起来存入脉冲发生器内的芯片内,以便进行分析。,人工心脏起搏器工作原理:监测心电、电激心脏,临床上广泛应用的人工心脏起搏:就是用低能量电脉冲暂时或长期地刺激心脏,使之发生激动,以治疗严重心动过缓,心脏起搏也可用以终止或控制室上性和室性快速心律失常,称为抗心动过速起搏。,心脏起博器的功能,能替代或补充正常激发和控制心脏收缩的生理电子系统。它通过周期性发放的电脉冲刺激心脏,引起心搏,并实现生物机能控制。,如果心脏原有的起搏点丧失其作用而使冲动形成受扰,或者心脏固有的传导系统不能正常工作(如窦性停止、窦房阻滞、窦性心动过缓或某心房、心室出现异使节律,以及
3、心动过速等),起搏器能帮助心脏恢复、接近正常功能。特别是对那些药物疗效不佳,甚至于治疗无效的心脏病患者,人工心脏起搏器在临床上获得了成功。,绝大多数起搏器具有四个功能,刺激心脏使它除极感知心脏自身电活动 对增加的新陈代谢需求作出反应,提供频率适应性起搏提供由起搏器存储起来的心电诊断信息,心脏起搏器的临床应用,长期起搏 房室传导阻滞 三束支阻滞伴心脑综合症 病态窦房结综合症临时性起搏 指心脏病变可望恢复,紧急情况下保护性应用和诊断应用的短时间使用心脏起搏,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
4、症的危险等。,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。,儿童和青少年的起搏,肥厚性、或扩张性心肌病及心脏移植后的起搏,起搏预防和终止快速心律失常,与急性心肌梗塞有关的房室传导阻滞的起搏,成人获得性房室传导阻滞的起搏,颈动脉窦过敏和迷走血管性晕厥综合征的起搏,窦房结功能障碍的起搏,慢性双束支和三束支传导阻滞的起搏,2002ACC/AHA 永久起搏的适应证,历史,1819年,A1dini应用直流电刺激断头尸体停跳的心脏,结果出现跳
5、动,1929年,澳大利亚医生Lidwell和物理学家Booth合作设计出一种起搏装置,当电流通过针刺心室电极时将一死婴救活,这是人工心脏起搏史上临床应用的首次成功。,美国胸外科医生Hyman研制成一种重达7.2公斤的心脏起搏装置,能使停跳的心脏复跳,并把这种装置称之谓人工心脏起搏器。,1932年,历史,1952年,美国哈佛大学医学院医生Zoll首先采用体外经皮式起搏器(2ms,100V)成功地抢救了2例完全性房室传导阻滞并阿斯综合征的濒死患者,从而引起了医学界与工程技术界的重视。Zoll被称为“心脏起搏之父”。,l958年10月l5日,在瑞典斯德哥尔摩,由Senning安装了世界上第一只埋藏式
6、心脏起搏器,设计者是Elmgvist,它仅是由2只晶体管构成的固定频率刺激器。,1959年,Greatbatch和Chardack也相继将起搏器系统(VOO)全部埋入人体内并取得成功,此系统致力于恢复心室节律,以治疗病理及手术所致三度房室传导阻滞。,历史,1962年Nathan和Centher报道埋藏式VAT起搏器应用于临床,这是最初型的生理起搏器。1965年,Lemberg、Castellanos和Berkovit5将VAT的感知功能应用于心室起搏,为心室抑制型按需起搏器(VVI)的开始。70年代程序控制器问世。1972年11月世界上第一个用锂碘电池的起搏器植入人体获得成功。l979年Sut
7、ton和Citron报道了VDD起搏器(心房同步心室按需起搏器)的埋藏起搏疗法。80年代双腔起搏器及抗心动过速起搏器研制成功,这种房室顺序收缩双腔触发抑制型起搏器(DDD)是当代最先进的起搏器,它不仅能无创性程控调节,而且实现了房室均可被感知和双腔起搏。90年代以后,性能更高的频率自适应起搏器、双心室/双心房同步三腔起搏器,以及具有除颤功能的起搏器。,1930,Hyman,7.2Kg,6min西门子公司二战被毁,简单,复杂,寿命短,长,大、重,小、轻,心脏起搏器植入,心脏起搏器的分类,按照起搏器与病员的关系分类按起搏器与患者心脏活动发出的P波与R波的关系分类按起搏电极分类,按照起搏器与病员的关
8、系分类,1)感应式起搏脉冲在体外通过载波发射给体内的接收器,再经解调为原形起搏脉冲,通过电极刺激心脏。无需电源,接收效果差,易受干扰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入心脏。按需起搏,易受感染,携带不便3)埋藏式 起搏器全部埋植于患者皮下,电极经静脉固定在心内膜或心肌表面。永久起搏,电源寿命问题,永久性与临时性心脏起搏器,埋藏于体内的起搏器为埋藏式起搏器,作为永久性心脏起搏,用于慢性或间歇发作的严重缓慢性心律失常如心脏传导阻滞、病态窦房结综合征等;放在体外的起搏器为体外起搏器,用于临时性起搏,如永久性起搏器植入的过渡或心脏骤停的抢救等等。,临时起搏的适应征,1.急
9、性前壁心肌梗塞伴有度或高度房室传导阻滞,或下壁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阿斯综合征者 3.药物中毒引起的心动过缓,并发阿斯综合征者.4.心脏手术后发生的度房室传导阻滞者,5.电解质紊乱,如高血钾引起的度房室传导阻滞者。6.超速起搏用以诊断及治疗其他方法所不能解决的室上速或室性心动过速。7.保护性应用于更换永久起搏导管前,冠脉造影,电击复律,外科手术等。,按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P波同步起搏器R波同步起搏器,绝对不应期(absolute refractory
10、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。,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)。2)双极型:阴极、阳极均与心脏接触(固定在心肌上);
11、或阴极心内膜,阳极心腔内。,心脏起搏器的几个参数,1)起搏频率 起搏器发放脉冲的频率,一般6090次/min较为合适。2)起搏脉冲幅度和宽度幅度指起搏发放脉冲的电压强度。宽度指起搏器发放单个脉冲的持续时间。脉冲幅度和宽度决定对心肌的刺激能量的强弱。一般选择5v、0.51ms为宜。改进与起搏能量有关的电极形状、面积、材料和导管阻抗等,可减少电源的损耗。,3)感知灵敏度指起搏器被抑制或被触发所需最小的R波和P波的幅值。一般:R波同步型:1.52.5mv;P波同步型:0.81mv感知灵敏度选择不合适,将造成起搏器工作不正常。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
12、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)反拗期同步型起搏器中对外界信号不敏感的时间,相当于心脏心动周期中不应期。反拗期防止误触发。R波同步型反拗期30050ms;P波同步型反拗期300500ms。,人工心脏起搏器的标识码,心脏起搏器的种类和特性,固定频率型起搏器(AOO,VOO)按需型心脏起搏器(SSI,AAI,VVI)DDD起搏器(全自动型心脏起搏器)房室顺序起搏器(DVI)DDI起搏器VAT起搏器心房同步心室按需型起搏器(VDD起搏器)三腔起搏器,频率应答式起搏器,1)固定型起搏器,起搏器发出固定频率、幅度的电脉冲
13、,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,自主心率和起搏脉冲将发生竞争心率。如果电脉冲落于易激期可能诱发室颤等,危及安全。仅适用于完全性房室传导阻滞和永久性窦性过缓。电路简单可靠,价格便宜,有时被临床使用。连续工作,电池寿命短。,几种类型的心脏起搏器,固定型起搏器组成,电源:提供整个电路电源供电。多谐振荡器:产生一定速率的脉冲信号,一般为50150次/min。单稳态电路:决定起搏脉冲的宽度,一般为1.52ms。脉冲输出电路:将单稳态的输出进行电流放大,同时降低整机电路的输出电阻。提供给电极输出信号。,多谐振荡器,单稳态电路,脉
14、冲输出电路,多谐振荡器波形,单稳态电路波形,脉冲输出电路,2)R波同步型起搏器,1)R波抑制型(按需型)不但能对心脏发放刺激脉冲,而且能接受来自心脏R波的控制:a)当自主心率超过起搏器速率时,起搏器被抑制,停止发放脉冲,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b)当自主心率低于起搏器速率时,起搏器输出脉冲刺激心脏起搏。应用量大,约占总量90左右,2)R波触发型(备用型)a)能发出一定速率的起搏脉冲,当自主心率R波出现时,起搏器立即被触发,发出一个脉冲,且落在绝对不应期,不影响正常心脏活动。b)当自主心率下降到预置速率时,起搏器自动以预置速率同步工作。优点:脉冲总是存在,便于监
15、测。缺点:功耗较大,应用较少。,起搏器发放脉冲受R波控制,达到一定同步作用。分两类:,R波抑制型心脏起搏器,感知放大器:有选择地放大心电R波,推动下级按需功能控制器工作,并抑制T波和其它干扰波的放大,辨认心脏自身搏动。按需功能控制器:为起搏器提供稳定的反拗期。当感知R波后,控制器在反拗期内抑制脉冲发放;当心率低到一定程度,反拗期后不出现自身R波,起搏器发放脉冲,使心室起搏。脉冲发生器:它在按需控制电路作用下产生心脏生理要求的脉冲信号。,VT6、R12、RP2、R13、RP3、R14、C7组成锯齿波电路,QDX-2型按需体外起搏器电路图,输入波及微分后波形,R波经过微分电路微分以后,得到正、负尖
16、脉冲信号,只有正信号能被放大器放大,条件:T,电路的输出近似为输入信号的微分,6.4.1 微分电路,t T,+,-,自主心率低于起搏频率,2按需功能的实现 当f心f脉时(a)患者固有心律,周期t1(b)起搏器输出。周期t2(c)单稳输出波(t3即反拗期)(d)C7充放电波形,充电期t4 t2t3t4(f)心脏被起搏器起搏后心律,自主心率低于起搏频率,患者的心律低于起搏频率,即自身心动周期t1大于起搏周期t2;在单稳态暂态时间t3(即反拗期)里,控制VT6一直饱和导通,C7上电压为低电压(约0V),脉冲发生器不工作,即起搏器处于抑制状态;反拗期t3过后,t4恢复为截止状态,R8上压降恢复为低电平
17、(0V),VT6截止,锯齿波电路开始工作,电源通过R12、RP2、R13、RP3、R14对C7充电;当C7上的电压上升到使VT7导通时,由于病员自搏周期t1大于起搏周期t2(=t3+t4),病员还没有自搏,当起搏器发放第二个起搏脉冲,心脏被第二次起搏。,自主心率有时高于起搏频率,自主心律不齐,患者自身的第一心动周期t1低于起搏周期t2,而患者自身的第二心动周期t1大于起搏周期t2;由于t1 t2时,经过时间t2后,锯齿波上升到VT7导通的电平U,起搏器发放起搏脉冲,心脏被起搏。,自主心率完全高于起搏频率,患者的心动周期t1、t1等均低于起搏器固有周期t2;患者自身心脏搏动,自搏的R波经感知放大
18、器整形、放大后触发单稳态电路,抑制第一起搏脉冲发放;经反拗期t3后,C7上电位上升,经过一段时间,C7上电位还未上升到使VT7导通的电平U时,患者自身的第一心动周期结束,发生第二次自搏,单稳态第二次触发,使VT6饱和导通,C7上的电位很快被强行放电,抑制了第二次脉冲发放。,AMQ-4型按需埋藏式起搏器,感知放大器由VT1VT4等组成;抗干扰转换网络由VT4 的输出电阻以及C4、R9、R8、C5等组成;按需功能控制器由CMOS与非门F1、F2组成的微分型单稳态电路。,强干扰信号对起搏器的影响,当患者处于较强的50Hz市电或高频强电磁场干扰的环境中时,如果这些干扰信号很强,频率远高于起搏频率,这些
19、干扰信号和感知的R波一样,能使按需功能控制器的单稳态电路提前触发;脉冲发生器在干扰信号存在的时间内一直处于抑制状态,致使起搏器停止发放起搏脉冲,从而使患者失去人工心脏起搏。,解决方法?,解决方法,保持在强干扰存在的条件下,把强干扰信号衰减,使之不能触发按需功能控制器,失去对脉冲发生器的抑制作用,脉冲发生器按自己固有频率发放起搏脉冲,起博器转换为固定式工作,其起搏频率稍快于按需型(这是扣除按需型的反拗期的结果)。强干扰一旦消失,起搏器又能自动恢复到按需工作状态。,具体如何实现?,抗干扰转换网络,随着干扰信号角频率w的增加,U将被衰减下降,合理选取抗干扰网络参数和单稳态电路的触发电平,使干扰频率大
20、于50Hz时,U值将减少到不触发下一级单稳态翻转,从而可是按需功能控制器不工作,使在强干扰存在的时间内起博器转换为固定式工作,以保证不间断地发出起搏脉冲。,R0为VT4的输出电阻;U0为经放大后的干扰源电动势;R为R8、R9和与非门F1的输入电阻的并联等效电阻;U为送给单稳态电路的输入触发信号,几处关键点波形,患者心电波形微分电路微分波形干扰转换电路衰减的波形按需功能控制器波形,脉冲发生器和输出脉冲倍压电路,脉冲发生器由VT5VT9组成,VT5为控制门,控制C8的充放电;C8与R14R16组成积分电路,形成锯齿波;VT6、VT7组成互补性张弛振荡电路,为正反馈闭合电路输出脉冲倍压电路由C10、
21、C11、VT10及VT11等组成 最高起搏频率限制电路由CMOS与非门F3、F4等组成的微分型单稳态电路和脉冲发生器(VT5VT9)及C13联合组成,脉冲倍压电路,当在C10后加上倍压电路后:VT9截止时,电源E通过R24、VD2对C10充电至(E-UVD2),VT10发射极电位为UVD2,不能使VT10导通;电源E通过VT11、VD3对C11充电到(E-Uce11-UVD3);VT9导通饱和时,UC9为低电位,由于C10电压不能突变,而使VT10发射极电位下降到-(E-UVD2),VD2截止,VT10导通饱和;A点电位近似等于C11上电压、VT10饱和压降和C10上电压之和,为-6V左右,如
22、果不加C10后的倍压电路,则VT9饱和时,VT9集电极电位UC9为饱和压降(0.3V);VT9截止时,集电极电位为3.6V,最高起搏频率限制电路,患者安装起搏器后的心率多数是依赖起搏器的工作频率,如果起搏器因电源、元器件变质或损坏而造成起搏频率低于40次/min或高于150次/min,后果极其危险;为了避免起搏心动过速,设置最高起搏频率限制电路,以保证在部分元件出现异常情况下起搏频率不超过150次/min。,最高起搏频率限制电路,由与非门F3、F4等组成的微分型单稳态电路和脉冲发生器(VT5VT9)和C13联合组成。其微分型单稳态电路的输出有两路:一路为按需功能控制器的输出;另一路为VT9集电
23、极输出经C13耦合输出。单稳态电路的暂态tu即为本机的反拗期,起博脉冲的周期为反拗期和积分电路锯齿波发生器对电容C充电的时间之和。充电时间常数主要由C8和R14R16决定,假如C8和R14R16数值下降到极限,则其起搏周期最短也有tu那么长,即最高频率被限制在1/tu内。,tu=400ms f=150次/min,能量补偿电路,当起搏器电池电压下降后,起博器输出的起搏脉冲幅度也随之减小,当幅度减小到一定程度以后,将出现不起搏或者起搏不完全的情况。起搏脉冲的电能与脉冲幅度和宽度有关,如果当脉冲幅度减少到一定范围的同时,脉冲宽度也相应的自动增宽,在电池电压下降到一定数值但未耗竭时,仍能输出足量的起搏
24、能量,以维持心脏起搏的正常进行。,电路实现:主要由二极管VD1完成,原理:,脉冲宽度主要取决于C8放电的时间常数,其大小与C8、R19(R19为R19和VD1的正向电阻并联值再与VT7、VT6饱和电阻相串联的总等效电阻)有关,若R19大,则脉宽增加;反之,脉宽则减少;加在二极管上的电压减少。二极管的正向电阻将增大;当起搏器电池电压下降,加在二极管两端的正向压降也下降,二极管的正向电阻增加,因而使R19也相应增加,导致脉冲宽度自动增加。,意义:,合理选取二极管和R19获取较满意的能量补偿;当发现起搏脉冲宽度增加较多时,即提示起搏器电池电压下降较多,可及时提醒患者更换起搏器,从而可避免因电池的耗竭
25、造成突发事故。,3)P波同步型起搏器,起搏器受P波控制,达到一定同步作用。将心房产生的P波经心房电极送给起搏器进行放大并延迟120ms,再触发起搏器发出脉冲信号,最后通过电极向心室发放刺激脉冲。适用于房室传导阻滞患者,不适合于窦房节综合症患者。,4)其他类型起搏器,房室顺序型起搏器 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,以此保持房室激动生理顺序。双灶按需型起搏器 有两个相关脉冲发生器,先后按一定时序发放脉冲,使心房和心室都在按需方式下进行。程序控制型起搏器 分两部分:体内部分在一般埋藏式起搏器基础上增加了数字电路,具有记忆、保持功能;体外部
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