治療用電子儀器課件

1、第五章治療用電子儀器 人類對抗疾病的過程分為四個階段，即：預(yù)防、診斷、治療及健康。其中治療除了藥物治療和手術(shù)治療外，各種新的物理治療方法及相應(yīng)的儀器現(xiàn)正發(fā)揮著日益重要的作用。物理治療 (簡稱理療)就是利用熱、光 (包括輻射)、電、磁、聲、機(jī)械等物理能量作用于人體，達(dá)到治療疾病或緩解病痛的目的。 理療在我國有著悠久的歷史。中醫(yī)中的針炙、按摩、拔火罐、熱療、磁療等治療方法至今仍在使用?，F(xiàn)代理療技術(shù)，是伴隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而興起的，不僅出現(xiàn)了利用靜電、交直流電、微波、射頻電磁波、激光、紅外、紫外、超聲波、高能粒子等效應(yīng)的新型物理治療手段和方法，而且給傳統(tǒng)的理療方法注入了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的新內(nèi)容。本章

2、主要介紹利用電、微波、射頻電磁波、超聲波等物理能量的治療用電子儀器。治療用電子儀器 電刺激治療儀 心臟除顫器 高頻電刀 微波熱療治癌儀 射頻熱療儀 超聲治療儀 體外沖擊波碎石機(jī)體外反搏裝置 電化學(xué)治癌儀 遠(yuǎn)紅外理療儀 5.1 電刺激治療儀 電刺激治療儀利用低頻率、小電流及低電壓的脈沖電流來治療某些類型的疾病。醫(yī)學(xué)上把頻率從01000Hz的脈沖電流稱為低頻電流，常用的低頻電流波形有三角波、方波 (單向脈沖)、梯形波、正弦波、雙向非對稱脈沖和雙向?qū)ΨQ脈沖。最常用的是雙向?qū)ΨQ或不對稱脈沖。雙向脈沖方向正負(fù)變化，在電極處無電解作用。低頻脈沖電流具有興奮神經(jīng)肌肉組織、促進(jìn)局部血液循環(huán)、鎮(zhèn)痛和消炎等多種生

3、理作用，在臨床理療上用來治療周圍神經(jīng)麻痹、肌肉萎縮、關(guān)節(jié)腫痛、肩周炎、偏癱、肌肉勞損、軟組織損傷、神經(jīng)痛等疾病。 上圖是一種電刺激治療儀的電路原理框圖，由單片機(jī)、D/A轉(zhuǎn)換器、可編程定時器、刺激脈沖合成、功率放大器、脈沖變壓器、刺激電流檢測及數(shù)碼顯示、過載保護(hù)等部分組成。 D/A轉(zhuǎn)換器用來控制刺激脈沖的幅度，即微機(jī)向D/A轉(zhuǎn)換器輸出一個數(shù)字量，由D/A轉(zhuǎn)換為與某數(shù)字量成正比的模擬電壓，此模擬電壓的大小就決定了刺激脈沖的幅度。可編程定時器通過編程產(chǎn)生的脈沖決定刺激脈沖的頻率和寬度。刺激脈沖合成電路將上述信號合成為一定幅度的雙向脈沖送功率放大器。在刺激器的輸出級采用脈沖變壓器，一方面起升壓作用，另

4、一方面起人體安全隔離作用。在變壓器輸出端，接有高頻濾波器，以防止上電和關(guān)電時對病人可能產(chǎn)生的電沖擊。 電流檢測電路的用途是檢測輸出刺激電流的大小，以進(jìn)行恒流輸出反饋控制以及微機(jī)實時顯示刺激電流的實際大小。其原理是在脈沖變壓器輸出回路中串聯(lián)一個測流電阻，在這個電阻上可得到與刺激電流成正比的脈沖電壓信號，此信號經(jīng)光電耦合后送A/D轉(zhuǎn)換器，由微機(jī)實時采集電流大小，再由微機(jī)根據(jù)刺激電流的大小實時調(diào)節(jié)D/A輸出，從而調(diào)節(jié)刺激電流保持恒定，這也就是通過微機(jī)自動控制刺激電流的大小及恒定，而不是采用電流負(fù)反饋電路自動調(diào)節(jié)。另一方面，微機(jī)將電流大小送顯示數(shù)碼管實時顯示。 電流檢測的另一目的是過載保護(hù)，當(dāng)刺激電流

5、超過一個設(shè)定的安全值時，過載保護(hù)電路會停止刺激脈沖合成電路的輸出，從而保證了由于意外情況對病人造成的傷害。 電刺激治療儀采用光電隔離和變壓器隔離保護(hù)措施，以保證人身的電氣安全。 除顫器的電源用交流電或直流電(鎳鎘蓄電池)。高壓發(fā)生器將交流電整流濾波后所得的+l5V直流電或蓄電池的+l5V直流電通過DC/DC(直流/直流)變換電路變成直流高電壓，即將+l5V直流電通過電子開關(guān)變?yōu)榻蛔兠}沖電壓，再通過升壓變壓器升壓，并經(jīng)高壓整流后變成直流高壓，向高壓電容器C充電。因為除顫器是非常重要的搶救用儀器，所以現(xiàn)代除顫器大多是便攜式和交直流兩用的，內(nèi)有鎳鎘可充電電池，平常充電或一直處于充足電狀態(tài)，以便隨時急

6、用。 電容器放電時的峰值電流很大，約幾十安培，電流脈沖寬度一般在幾個ms之內(nèi)。在電容器C的放電回路中串聯(lián)一個電感線圈L，其作用是為了得到一個單次的大電流脈沖，而峰值電流又受到限制而不致過大。 現(xiàn)代除顫器上還有心電監(jiān)護(hù)儀部分，心電測量電極與除顫電極共用，心室除顫后立刻可以看到心電波形，判斷病人是否轉(zhuǎn)復(fù)。心電監(jiān)護(hù)的另一用途是使除顫脈沖的釋放與心電R波同步，以保證除顫的安全和療效。這是因為房顫的病人還有心電波形和節(jié)律，這時就不允許隨便什么時刻除顫，因為如果除顫脈沖恰好打在心電T波上（易激期），會引起心室纖顫而有致命危險，所以除顫脈沖只允許落在R波下降沿。因此，除顫脈沖在心電監(jiān)護(hù)電路檢測到R波的下降沿

7、時才立刻釋放，這稱為R波同步除顫 。5.3 高頻電刀 高頻電刀(High-Frequency Electrotome )（高頻手術(shù)器）是一種新型的取代機(jī)械手術(shù)刀進(jìn)行組織切割的電外科器械。它通過電極 (電刀筆和敷肌板)將高頻電流送入人體，在電刀筆下的局部組織中形成高密度電流，從而使局部產(chǎn)生高熱而達(dá)到切割和凝結(jié)兩種電外科效果。使用高頻電刀切口小，可以減少流血甚至做到不流血，目前已得到廣泛應(yīng)用。 高頻電刀自1920年應(yīng)用于臨床至今，已有70多年的歷史了，經(jīng)歷了火花塞放電大功率電子管大功率晶體管大功率MOS管四代的變更。隨著計算機(jī)技術(shù)的普及應(yīng)用和發(fā)展，目前，高性能的單片機(jī)廣泛應(yīng)用在高頻電刀的整機(jī)控制中

8、，實施了對各種功能下功率波形、電壓、電流的自動調(diào)節(jié)，各種安全指標(biāo)的檢測，以及程序化控制和故障的檢測及指示。因而大大提高了設(shè)備本身的安全性和可靠性，簡化了醫(yī)生的操作過程。國內(nèi)60年代就出現(xiàn)了電子管式和火花放電式高頻電刀，90年代出現(xiàn)了采用先進(jìn)的VMOS場效應(yīng)功率管的高頻電刀。 高頻電刀由主機(jī)和電極 (電刀筆、敷肌板)兩部分組成。主機(jī)由振蕩器、調(diào)制器、功率放大、單片機(jī)控制等電路組成。振蕩器頻率一般采用 500KHz正弦波，調(diào)制頻率采用25KHz方波，有25%50%的占空比。功率放大器采用VMOS場效應(yīng)功率管，電切 (純切)時輸出開路電壓要求為3000V，最大輸出功率 300W，電凝時輸出開路電壓要

9、求為7000V，最大輸出功率120W。單片機(jī)控制輸出功率的大小，并有按鍵選擇及數(shù)碼管顯示輸出功率的大小，而且還有安全保護(hù)功能。 1、單極模式電路由高頻電刀內(nèi)的高頻發(fā)生器、病人極板、接連導(dǎo)線和電極組成。在大多數(shù)的應(yīng)用中，電流通過有效導(dǎo)線和電極穿過病人，再由病人極板及其導(dǎo)線返回高頻電刀的發(fā)生器。注意：能摧毀病變組織的高頻電刀的加熱效應(yīng)，并不是由加熱電極或刀頭造成的，像電燒灼器那樣。它是將高電流密度的高頻電流聚集起來，直接摧毀處于與有效電極尖端相接觸一點(diǎn)下的組織的。當(dāng)與有效電極相接觸或相鄰近的組織或細(xì)胞的溫度上升到細(xì)胞中的蛋白質(zhì)變性的時候，便產(chǎn)生凝血，這種精確的外科效果是由波形、電壓、電流、組織的類

10、型和電極的形狀及大小來決定的。為避免在電流離開病人返回高頻電刀時繼續(xù)對組織加熱以致灼傷病人，單極裝置中的病人極板必須具有相對大的和病人相接觸的面積，以提供低阻抗和低電流密度的通道。某些用于醫(yī)生診所的高頻電刀電流較小、密度較低，可不用病人極板，但大多數(shù)通用型高頻電刀所用的電流較大，因而需用病人極板。 現(xiàn)代高頻電刀在電刀筆頭處通以氬氣，以獲得特殊的凝血效果，這類儀器叫氬氣高頻電刀。 高頻電刀具有電切 (純切、混切)、電灼、電凝 (單極電凝、雙極電凝)等功能。根據(jù)不同的手術(shù)需要，設(shè)定不同的輸出功率。適用于普通外科、心臟外科、泌尿外科、婦科等手術(shù)。 5.4 微波熱療治癌儀 手術(shù)、放療、化療及免疫治療是

11、常用的治療惡性腫瘤的四種方法，但仍有約1/3的患者由于腫瘤得不到控制而死亡。20世紀(jì)90年代以來，又有了一種新的治療方法熱療，可以將癌癥治愈率提高，已迅速成為癌癥治療的第五種方法。 熱療有多種透熱方法，有射頻療法、激光療法、超聲波療法以及微波療法等。目前在我國使用較多的是微波療法。 微波熱療治癌儀的組成包括以下四部分：微波源、輻射器、測溫及微機(jī)控制。微波源是微波熱療儀的關(guān)鍵部件。使用頻率一般為915MHz和2450MHz兩種。工作頻率與透熱深度成反比，即工作頻率升高，加熱深度變淺。915MHZ的微波穿透深度可達(dá)57c。微波源的功率大小可根據(jù)腫瘤情況及加熱方式 (體內(nèi)、體外)的不同而合理選擇，儀

12、器功率范圍一般為1040W。微波源有普通微波源和固態(tài)微波源兩種。普通微波源采用磁控管或金屬陶瓷三、四極管微波器件；固態(tài)微波源采用微波固態(tài)器件。為了適應(yīng)不同方式和加熱的需要，一臺儀器中往往采用多個微波源器件，即可分源使用，又可合成使用。 輻射器的作用是將微波能集中在一定范圍內(nèi)，而且能有效地輻射到所需加熱區(qū)，而對健康組織少升溫或不升溫。根據(jù)加熱方式的不同，有各種形狀的輻射器。體外加熱用的有圓形和方形；體內(nèi)加熱用的有桿形直腸輻射器、棒狀頸輻射器、尿道輻射器、食道輻射器、鼻腔輻射器等；而組織間加熱使用針狀輻射器；聚焦式加熱輻射器則將多個輻射器分布在一個圓周上，腫瘤位置置于圓周中心，即各個輻射器的焦點(diǎn)上

13、，這樣可以集中加熱。 測溫在任何方式的熱療中是必須的。目前臨床上是采用半導(dǎo)體熱敏電阻或熱電耦等測溫元件置于腫瘤中心，為有創(chuàng)的或少創(chuàng)的；為避免微波的干擾，測溫要采用間斷式的，即在測溫瞬間停止微波輸出。當(dāng)然，最好的方法是無損測量溫度和連續(xù)測量，目前無損測溫方法是研究的前沿課題，有的方案采用微波輻射測量技術(shù)，有的方案采用XCT或MRI斷層成像中腫瘤形狀的改變及組織密度的改變，從而找到與溫升之間的關(guān)系，有的采用輻射計、光纖測溫裝置等。 微波熱療儀都采用計算機(jī)控制，對加熱溫度進(jìn)行自動測量控制?？刂撇糠峙c微波源采取分立式，即微波源與治療床放在屏蔽室內(nèi)，以防微波的泄漏對操作人員造成損害。 1.射頻熱療治癌儀

14、 射頻熱療治癌儀，采用8MHz頻率，射頻功率1500W，可加熱任何深部和大小的腫瘤。儀器采用計算機(jī)控制和精密的測溫方法，測溫精度達(dá)士0.2，并使用CT掃描圖像制定治療計劃，治療過程中用CT掃描顯示加熱分布情況，由計算機(jī)控制完成治療計劃、溫度控制和功率輸出等。 2.射頻前列腺治療儀 射頻前列腺治療儀是利用射頻熱源專門治療前列腺肥大疾病的。這種儀器采用200KHz射頻電磁波，射頻功率源采用高功率VMOS管，輸出功率1050W。3.射頻消融儀 射頻消融儀利用500KHz的射頻電磁波，通過心導(dǎo)管將射頻能量釋放于心臟的異常心電傳導(dǎo)組織上，使其局部組織加熱，細(xì)胞內(nèi)水分蒸發(fā)、干燥、固縮以致壞死。將房室結(jié)或房

15、室旁道消融，用于治療室上性心律失常。 5.6 超聲治療儀 利用超聲反射回波信息成像的B超及多普勒超聲診斷儀器已廣泛應(yīng)用于臨床。利用超聲的另外一些特殊性能，如超聲波傳播的方向性較強(qiáng)，介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動的加速度很大，在液體中會產(chǎn)生“空化效應(yīng)”，聲波聚焦后可產(chǎn)生局部高溫等，可以制成各種治療儀器。常用的有超聲熱療治癌儀、超聲手術(shù)刀、白內(nèi)障超聲乳化儀等。1.超聲聚焦熱療治癌儀 超聲熱療治癌儀利用聚焦原理，36塊壓電晶體置于半球形盤內(nèi)，由同步電子發(fā)生器同時向每塊壓電晶體發(fā)激勵脈沖，36塊壓電晶體產(chǎn)生的超聲波通過探頭與皮膚之間的水囊介質(zhì)聚焦于體內(nèi)位于球心 (焦點(diǎn))處的腫瘤位置上，用B超進(jìn)行腫瘤定位。焦斑區(qū)可產(chǎn)生大

16、于80的瞬間高溫和空化效應(yīng)，這兩者可引起蛋白質(zhì)變性和細(xì)胞結(jié)構(gòu)的改變，從而使腫瘤細(xì)胞壞死。超聲聚焦治癌技術(shù)不需要切割皮膚，治療深度可達(dá)15cm，而且還由于焦斑處為瞬時高溫形成，無明顯熱擴(kuò)散，克服了射頻和微波難以對局部深層組織升溫，以及干擾溫度測控的缺點(diǎn)。2.超聲手術(shù)刀 超聲手術(shù)刀是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一種新型手術(shù)儀器。它利用超聲波作用于人體組織的三大效應(yīng)，即碎裂效應(yīng)、空化效應(yīng)和止血效應(yīng)，切開或碎裂人體組織，具有選擇性碎裂、損傷小、精度高、能止血等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。超聲手術(shù)刀不同于高頻電刀、微波手術(shù)刀、激光手術(shù)刀等，它不產(chǎn)生焦痂、煙霧和焦味。 碎裂效應(yīng)是由聲輻射頭發(fā)射的超聲波振動加速度達(dá)到切割閾值

17、 (50000g，g為重力加速度)時，輻射頭輻射出大量的聲微波，促使生物組織碎裂。碎裂效應(yīng)主要體現(xiàn)于骨科精細(xì)手術(shù)。 空化效應(yīng)是對于含水量較多的組織，如腦瘤、肝腫瘤等，超聲波在其中產(chǎn)成大量氣泡，這些氣泡的內(nèi)外壓差可達(dá)數(shù)千巴。大量氣泡的爆裂使周圍的組織乳化成乳膠體，以便使用負(fù)壓吸引器吸出，使手術(shù)視野清晰。 止血效應(yīng)是超聲波能使生物組織脫水，導(dǎo)致微血管收縮，達(dá)到止血目的。 超聲手術(shù)刀的主要組成部分包括：超聲發(fā)生器、換能器、超聲輻射頭 (手術(shù)刀)、手動與自動控制系統(tǒng)及自動故障診斷保護(hù)系統(tǒng)、負(fù)壓吸引器和沖洗器。換能器采用壓電陶瓷換能器，工作頻率分別為23KHz和30KHz。碎裂效應(yīng)使用23KHz，空化效

18、應(yīng)使用30KHz，輸出功率100W。超聲輻射頭做成各種形狀，以滿足不同手術(shù)需要。超聲手術(shù)刀可進(jìn)行多種外科手術(shù)，如眼科手術(shù)、腦腫瘤、肝腫瘤、截肢及腹腔鏡手術(shù)等。5.7體外沖擊波碎石機(jī) 體外沖擊波碎石機(jī)是應(yīng)用聚焦技術(shù)，通過介質(zhì)將體外產(chǎn)生的沖擊波 (或連續(xù)超聲波)傳入體內(nèi)，將人體深部的結(jié)石 (如腎結(jié)石、尿道結(jié)石、膽道結(jié)石)震碎，然后自然排出體外。 根據(jù)沖擊波產(chǎn)生的原理不同，體外沖擊波碎石機(jī)可分為液電式；電磁式；壓電式；聚能激光式；微爆炸式等。國內(nèi)產(chǎn)品主要是液電式。 液電式?jīng)_擊波碎石通過X射線機(jī)或B超定位，由位于半橢球反射體的第一焦點(diǎn)(F1)處的水下火花放電產(chǎn)生的沖擊波，經(jīng)半橢球反射體反射并經(jīng)水囊介質(zhì)

19、進(jìn)入人體，聚焦于反射體的第二焦點(diǎn) (F2)處，被精確定位于第二焦點(diǎn)處的結(jié)石被聚焦的高能量密度的沖擊波所粉碎。 體外沖擊波碎石機(jī)的系統(tǒng)由以下部分組成：1. 沖擊波發(fā)生器 沖擊波發(fā)生器由高壓脈沖發(fā)生器及水下放電電極組成。高壓脈沖發(fā)生器采用高壓電 容充放電原理，充電電壓約1.82.5萬伏，由高壓開關(guān)管控制在1s內(nèi)的瞬間放電，引起水的爆發(fā)性汽化，產(chǎn)生瞬間壓力達(dá)1000巴的沖擊波。2.水囊介質(zhì) 由于水與人體組織具有相似的聲學(xué)特性，所以用去氣軟水作為傳導(dǎo)介質(zhì)，并有水循環(huán)去氣泡及加溫裝置。3.結(jié)石定位系統(tǒng) 由兩個成一定角度的X線電視系統(tǒng)或由一個可旋轉(zhuǎn)的X線電視系統(tǒng)對結(jié)石進(jìn)行定位；有的碎石機(jī)采用X線機(jī)和B超聯(lián)

20、合定位，用B超定位可實時監(jiān)視結(jié)石的粉碎過程。 4.計算機(jī)控制系統(tǒng) 計算機(jī)控制結(jié)石定位、電極間隙、X光曝光時間和劑量，控制X線圖像的數(shù)據(jù)采集、存儲，控制水處理系統(tǒng)以及打印病例報告等。 5.心電、呼吸監(jiān)護(hù)系統(tǒng)及同步觸發(fā) 碎石治療過程要經(jīng)過幾百次至上千次的放電，所以需要心電、呼吸監(jiān)護(hù)系統(tǒng)來監(jiān)護(hù)患者的生理狀態(tài)。放電的發(fā)生要采用心電R波同步觸發(fā)，這樣可減少心臟的并發(fā)癥。 6.治療床及運(yùn)動控制系統(tǒng) 控制床體的運(yùn)動狀態(tài)。5.8 體外反搏裝置 體外反搏技術(shù)利用壓縮空氣囊在體外進(jìn)行加壓以改善內(nèi)臟供血，對冠心病、腦血管疾病及其他內(nèi)臟的退行性疾病有顯著療效。體外反搏裝置一般由壓縮空氣機(jī)、反搏氣囊 (分上肢氣囊、下肢氣囊及軀干氣囊等)、心電監(jiān)護(hù)及同步系統(tǒng)、計算機(jī)控制系統(tǒng)等組成。體外加壓要與心臟舒張期同步。體外反搏技術(shù)可以改善內(nèi)臟供血的機(jī)制還要進(jìn)行更深入的驗證。 5.9 電化學(xué)治癌儀 電化學(xué)治療惡性腫瘤 (Eectrochemotherapy for Malignant tumors，ECT)，簡稱“電化療”，是利用電解的化學(xué)作用殺傷癌變組織的一種治癌