现代医学电子仪器原理与设计

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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9/26/20211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。2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

2、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。3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。4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5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。6电刺激的类型按电刺激部位分为三类：⑴

3、表面刺激；⑵经皮刺激；⑶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。7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。8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

4、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。9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：10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

5、为组织兴奋的时间阈值。11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。12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、τ为两个常数。当时间t→∞时，I=IR，即时值τ，τ与曲线上升部分的斜率有关。13电刺激与

6、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。14电刺激引起组织兴奋的原理静息状态兴奋状态15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。16电刺激引起组织兴奋的原理17电刺激引起组织兴奋的原理18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

7、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。19电刺激的常见波形20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21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