治疗类仪器设计基础

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1、第九章治疗类仪器设计基础9.1概述现代临床医学对疾病的治疗方法主要有以下几种：药物治疗手术治疗仪器治疗心理治疗人工器官治疗类仪器的设计原理是基于各种物理因子对人体不同的生理和生物效应。除超声属非电磁波谱外，其他物理因子大多分布在电磁波谱上。电磁波谱的不同频段对人体会产生不同的生理效应：在1000Hz以下主要是刺激效应；1000Hz～3×1015Hz主要是热效应；而在3×1015Hz以上主要是生物效应。电磁波谱。9.2电治疗仪频率小于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（哺乳动物神经纤维的绝对不应期大约为1ms

2、，因此每秒最多只能产生1000次兴奋，而当频率大于1kHz时，组织细胞将不再产生相应反应）。所以这一波段的电磁波被用来设计出各种电刺激治疗仪。从小电流的周期刺激器（如心脏起搏器）到大电流单脉冲刺激器（如除颤器）。1.电刺激系统的组成：电刺激系统通常由三部分组成：①脉冲发生器，产生使神经去极化的脉冲序列；②导联线，把脉冲传输到刺激位置；③电极，把刺激脉冲安全、有效地传输到可兴奋组织。2．电刺激类型按照电刺激部位，刺激类型可划分为：（1）表面刺激电刺激的三部分都在体外，电极放在皮肤上或要刺激的肌肉的运动点附近。（2）经皮刺激电极放在体内

3、，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。（3）植入式刺激植入式刺激是指将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方式进行的。9.2.4人工心脏起搏器心脏传导系统：由一系列特殊心脏细胞联结组成的传导系统，这些细胞组织既有自动产生兴奋的功能，又有较一般心肌细胞为快的传导功能，这样使兴奋有节律地按一定顺序传播，使心脏保持正常的有节律的收缩和舒张，以维持血液循环。当心脏传导系统出现问题时（总称为心脏传导阻滞）心脏便不能保持正常的有节律的收缩和舒张。人工心脏起搏器产生

4、周期性电脉冲，这些脉冲加到放在心脏表面或心肌内或心腔里的电极，这些刺激通过电极传到心脏上，引起心脏的收缩，就可以使心脏恢复正常的有节律的收缩和舒张。人工心脏起搏器可分为非同步心脏起搏器和同步心脏起搏器。根据起博器的放置位置又可分为体外起搏器和植入式起博器。（1）非同步心脏起搏器非同步心脏起搏器是一种自由振荡的起博器，它不管人体心脏的实际情况，总是给出一定频率的电刺激。下图为非同步心脏起搏器的方框图。电源振荡器脉冲输出电路引线电极1）电源对植入式心脏起搏器，使用的电源主要有三种：原电池、经皮射频感应电源和原子能电源。①原电池植入式心脏

5、起搏器最常使用的电源是原电池。最早使用的原电池是水银电池，使用寿命约2年；现在开始使用锂电池，使用寿命可达10年左右。②经皮射频感应电源植入式心脏起搏器也可用经皮射频感应电源供电。③原子能电源能保证有更长的寿命和更高的可靠性。辐射源吸收器热电堆DC/DC变换器起博器2）定时电路非同步心脏起搏器是最简单的一种起博器，它不管心脏的实际功能情况而只是提供一串恒定重复频率的刺激脉冲。这种情况下，振荡器可以采用自由振荡的间歇振荡器或多谐振荡器。设计的要点是：低耗电和受电源波动影响小。3）输出电路输出电路对电脉冲进行放大并耦合到电极上去。输出电

6、路由一个工作在开关状态的晶体管和到电极去的一个合适的耦合电路所组成。4）引线和电极在大多数起搏器的设计中，脉冲输出电路都是位于远离心脏的某一位置上，所以必须有合适的引线把电刺激传到心脏并且加到合适的部位。对引线的要求：①引线必须是良导体；②机械性能必须很结实；③必须保持良好的绝缘。为了满足以上要求，引线通常都是由弹簧丝合金互相盘绕的一些螺旋线圈浇铸在硅橡胶筒内制成的。电极心脏起博器有单极型电极和双极型电极。用单极型电极时，此电极放在心脏上，负向脉冲加到此电极上，另外有一个大的无关电极放在身体的其它部位。用双极型电极时，两个电极都放在

7、心脏上，刺激脉冲加在两个电极之间。电极可放在心脏表面（心外电极）、埋在心壁里面（心肌内电极）或紧贴在心脏内表面（心内膜电极或腔内电极）。对电极的要求：①电极必须能够经受住由于心脏的机械运动使它们受到的反复弯曲，并且必须保持在有效起搏位置上；②必须在长期植入过程中不被溶解，对邻近的组织不能产生过度刺激；③在加上刺激信号后不会产生电解反应。最常用的材料是铂。5）外壳外壳是起博器的一个很重要的组成部分，对外壳的要求是：①具有好的生物相容性；②对内部电路提供必要的保护，以确保电路的正常工作；③体积小、重量轻。植入式起博器通常密封在铸制环氧树

8、脂中，外包一层硅橡胶。（2）同步心脏起搏器通常病人只需要断续地对心脏进行起搏，因为在间歇期间病人自身能形成正常心律。对于这些病人，不需要连续地刺激心脏。在有些情况下，如果连续刺激甚至还会引起一系列严重的并发症。解决的最好办法是采用同步