心臟起搏器與除顫器

心臟起搏器與除顫器第1頁/共58頁§7.1心臟起搏器簡介§7.2固定型和R波抑制型心臟起搏器§7.3心臟起搏器的能源和電極§7.4心臟除顫器的一般介紹§7.5典型的心臟除顫器《醫(yī)學電子儀器原理與設計》第七章心臟起搏器與除顫器第2頁/共58頁心臟起搏器CardiacPacemaker

第七章心臟起搏器與除顫器第3頁/共58頁心臟起搏器CardiacPacemaker

人工心臟起搏——用外加脈沖代替心臟起搏點的電興奮，刺激心臟搏動的一種治療方法。是心律失常非藥物治療的一種有效治療方法。

人工心臟起搏器——能產(chǎn)生一定形式電脈沖，并將脈沖傳至心臟，使心臟按一定頻率有效收縮的脈沖發(fā)生器。能替代或補充正常激勵和控制心臟收縮的生理電子系統(tǒng)。人工心臟起搏技術是實現(xiàn)生物機能控制的典型范例。第七章心臟起搏器與除顫器第4頁/共58頁7.1.1心臟起搏技術的發(fā)展簡史

1761～1846一種由于嚴重心律失常以致循環(huán)障礙、腦供血不足引起的危險急癥，稱為阿－斯綜合征，或“心源性腦缺氧綜合征”。是發(fā)展人工心臟起搏技術的重要背景。

1791

觀察到肌肉對電刺激有收縮反應。

1819

用直流電刺激死刑者停止搏動的心臟，使之復跳。

1858、1862

動物實驗，用電刺激使心臟跳動。

1930Hyman創(chuàng)制發(fā)條脈沖發(fā)生器心臟起搏器，重7.2kg，用針穿刺心房通電起搏搶救心臟停搏患者，命名為心臟起搏器臨床43例，救活14例，但受不公正輿論指責?！?.1心臟起搏器簡介第5頁/共58頁§7.1心臟起搏器簡介7.1.1心臟起搏技術的發(fā)展簡史

1947～1958

刺激竇房結(jié)復跳；胸壁刺激(75～150V，2ms脈沖)

成功，但痛苦大；心外膜電極起搏；心內(nèi)膜電極起搏。

1958Elmqvist(瑞典)工程師、Senning醫(yī)師第一臺埋藏式固定頻率起搏器。術后，20多次排除故障，患者存活20余年。

1960

晶體管電路、鋅－汞電池起搏器，盛行十余年。1971以后，鋰電池逐漸代替汞電池。

1963～

P波同步型心室起搏；按需起搏；房室順序起搏；房室全能起搏；頻率自適應起搏；抗心動過速起搏；埋藏式自動復律－除顫器。

全世界每年約有30萬個起搏器安裝與更換。第6頁/共58頁§7.1心臟起搏器簡介7.1.2人工心臟起搏的作用主要用以治療緩慢型心律失常心律失常是多種病因引起心肌電生理特性改變的一種疾病。某些嚴重心律失常的藥物療效差，如，高度或完全性房室傳導阻滯、重度病態(tài)竇房結(jié)綜合癥。安裝起搏器則效果顯著。用于某些疾病的診斷例如，心房調(diào)搏輔助診斷可疑冠心病，心房超速起搏法診斷竇房結(jié)功能不全，預測完全性房室傳導阻滯患者是否有發(fā)生心腦綜合癥的危險等。用于實驗研究心血管生理、病理生理、藥理和臨床應用第7頁/共58頁§7.1心臟起搏器簡介7.1.3心臟起搏的適應癥長期起搏的適應癥房室傳導阻滯三束支阻滯伴有心腦綜合癥者病態(tài)竇房結(jié)綜合癥；心動過緩為主伴有有心腦綜合癥者臨時性起搏適應癥心臟病變可望恢復，緊急情況下保護性應用、診斷應用。短時間使用心臟起搏器，幾小時、幾天至幾星期。（適應癥例，見教科書）第8頁/共58頁§7.1心臟起搏器簡介7.1.4心臟起搏器的分類

按照起搏器與病員的關系分類按照起搏器與患者P波與R波的關系分類按照起搏器電極分類

感應式經(jīng)皮式(體外攜帶式)埋藏式非同步(固定)型同步型單極型雙極型第9頁/共58頁§7.1心臟起搏器簡介7.1.4心臟起搏的分類感應式

——脈沖發(fā)生器在體外，起搏電極與接受器植體內(nèi)。體內(nèi)無電源但易受干擾。

經(jīng)皮式

——起搏器在體外，按需起搏（頻率、幅度、脈寬、感知靈敏度均可調(diào)），攜帶不便，易感染，僅用于臨時搶救。

埋藏式

——起搏器埋植與胸部或腹部皮下，得到廣泛使用，關鍵是電池壽命問題。

非同步(固定)型——發(fā)出的起搏脈沖與P波或R波無關。

同步型

——分為P波同步起搏器和R波同步起搏器。單極型

——陰極置于右心室（或右心房），陽極置于胸部（起搏器外殼）或腹部皮下（體外攜帶式）

雙極型

——起搏器的陰極與陽極均與心臟直接接觸。第10頁/共58頁§7.1心臟起搏器簡介7.1.4心臟起搏的分類北美起搏和電生理學會與英國起搏和電生理組NBG起搏器編碼（1987年）ⅠⅡⅢⅣⅤ起搏心腔感知心腔感知的反應程控功能，頻率自適應抗快速性心率失常功能V=心室V＝心室T＝觸發(fā)P=程控頻率和/或輸出P＝抗快速性心率失常A＝心房A＝心房I＝抑制M＝多項參數(shù)程控S＝電擊D＝雙腔D＝雙腔D＝T+IC＝遙測D＝P+SO＝無O＝無R＝頻率自適應O=無O＝無注：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ用于抗過緩心率失常的起搏廠家常用S表示單腔（心房或心室）第11頁/共58頁§7.1心臟起搏器簡介7.1.4心臟起搏的分類使用NBG起搏器編碼的例：

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，響應方式可以是觸發(fā)式，也可以是按需抑制型，具有頻率自適應功能第12頁/共58頁§7.1心臟起搏器簡介7.1.4心臟起搏的分類

1．固定型起搏器

以固定頻率(非同步)發(fā)放起搏脈沖刺激心室(VOO)或心房(AOO)，只發(fā)出固定頻率、幅度的脈沖(約70次/分)，不受自主心率支配，一旦心臟自主心律超過起搏頻率，便可發(fā)生競爭心律（電脈沖落于易激期），有可能誘發(fā)心室纖顫或室性心動過速而危及病人安全，目前僅臨時用于測試磁鐵頻率或用于競爭起搏終止某些心動過速。

第13頁/共58頁§7.1心臟起搏器簡介7.1.4心臟起搏的分類

2．

R波同步型起搏器（起搏器發(fā)放脈沖受R波控制）

(1)R波抑制型(按需型，VVI型)

單極電極置于心室，兼有起搏與感知功能，常稱為心室按需型起搏器。適應證廣泛。平時以固有頻率發(fā)放脈沖，當心臟自搏心率超過起搏器脈沖頻率，將自動感知并抑制起搏器脈沖發(fā)放。一旦自搏心率低于起搏器的固有頻率，即心室電極感知不到自搏心率產(chǎn)生的R波，起搏器將等待預定的一段時間(逸搏間期)后，立即又按固有起搏頻率發(fā)放脈沖。這種按病人需要而工作的起搏器應用最廣泛。

(2)R波觸發(fā)型(備用型，VVT型)

當自身心搏R波出現(xiàn)時，立即觸發(fā)起搏器發(fā)出一個脈沖，是落在不應期內(nèi)的無效脈沖。若自身心搏未發(fā)生，則起搏器脈沖起作用(備用型)。有無效脈沖產(chǎn)生，功耗較大，應用少。第14頁/共58頁§7.1心臟起搏器簡介7.1.4心臟起搏的分類

3．

P波同步型起搏器（起搏器發(fā)放脈沖受P波控制）心房、心室都放置電極心房電極感知P波(心房激動)→送起搏器放大并延遲約120ms→觸發(fā)起搏器發(fā)生脈沖→刺激心室(心室電極)

對有房室傳導阻滯患者，相當于一條人造房室傳導通路。不能用于竇房結(jié)綜合癥患者。電路復雜，使用不方便?！頟波抑制型（AAI型）

單極電極置于心房，兼有起搏與感知功能，常稱為心房按需型起搏器。可保持房室順序收縮。僅適用于房室傳導功能正常的病竇患者。第15頁/共58頁§7.1心臟起搏器簡介7.1.4心臟起搏的分類

4．房室順序型起搏器心房、心室各放置一個電極每次先發(fā)放一個心房起搏脈沖→經(jīng)適當延遲→再發(fā)放一個心室起搏脈沖(保持房室激動生理順序)

如有自身心臟活動，其QRS波將抑制后一脈沖發(fā)放

5．雙灶按需型起搏器兩個相關脈沖發(fā)生器，按一定時序發(fā)放起搏脈沖，使心房和心室的起搏都是按需方式工作。第16頁/共58頁§7.1心臟起搏器簡介7.1.4心臟起搏的分類

6．程序控制型起搏器能夠與體外控制裝置通訊的起搏器。按照患者病理生理需要，由醫(yī)生或患者任意改變起搏參數(shù)和起搏器工作方式?！铍p腔(DDD)起搏器心房和心室都放置電極。不同的心率反應為不同的起搏方式，總能保持心房和心室得到同步、順序、協(xié)調(diào)的收縮。自身心率慢于起搏器低限頻率→房室順序起搏(DVI)

自身心房(P)頻率超過起搏器低限頻率（房室傳導功能障礙）

→感知P波觸發(fā)心室起搏(VDD)

自身心房(P)頻率過緩（房室傳導功能是好的）

→起搏心房，并下傳心室(AAI)第17頁/共58頁§7.1心臟起搏器簡介7.1.4心臟起搏的分類☆頻率自適應(R)起搏器起搏器頻率能自動適應肌體對心排血量(需氧量)的要求。研究使用的代謝感受器有10余種，體動型、每分鐘通氣量型兩種得到應用。例：VVIR型（心室按需自適應型）

AAIR型（心房按需自適應型）

DDDR型（雙腔自適應型）第18頁/共58頁§7.1心臟起搏器簡介7.1.5心臟起搏的幾個參數(shù)1．起搏頻率

60～90次/min

能維持心輸出量最大時的心率。2．起搏脈沖幅度和寬度脈沖幅度：5V

脈沖寬度：0.5～1ms

起搏能量與電極形狀、面積、材料及導管阻抗損耗等有關。3．感知靈敏度

R波同步型：1.5～2.5mVP波同步型：0.8～1mV4．反拗期同步型起搏器具有的對外界信號不敏感的時間(不應期)。

R波同步型：300±50ms，防止T波或起搏脈沖后電位。

P波同步型：300～500ms，防止竇性過速或干擾誤觸發(fā)。第19頁/共58頁起搏系統(tǒng)的構成（起搏電路、電池、金屬外殼與起搏導管電極）

一．脈沖發(fā)生器（起搏電路）

將CMOSASIC起搏芯片與電阻、電容等元件一起安裝在陶瓷基片上構成混合型（Hybrid）厚膜集成電路作為起搏器主體電路。感知心電活動或其他生理反應，按需自動調(diào)整起搏功能，形成和發(fā)放脈沖。體現(xiàn)了小型化，程控化和多功能化。

二．電池

需體積小、容量大、緩慢釋放能量、密封性能好及性能可靠的電池，目前普遍使用鋰碘電池，起搏器使用壽命達10年以上。決定起搏器的功能壽命的因素：①電池容量；②電池自放電；③輸出阻抗；④電路功效；⑤工作的百分率：起搏電路的消耗比感知電路大得多；⑧輸出程控；⑦持續(xù)的電池消耗?！?.2固定型和R波抑制型心臟起搏器第20頁/共58頁起搏系統(tǒng)的構成（起搏電路、電池、金屬外殼與起搏導管電極）

三．電極導線電極接觸心臟經(jīng)導線與起搏器連接。用生物相容性好、韌性好、抗老化、耐腐蝕的材料制成。電極通常采用愛爾近合金(Elgiloy)或用鎳—鉻—鈷—鉬合金制成，且含多孔，其優(yōu)點是：①纖維組織長入電極空隙可增加固定性。②電極感知的有效面積較大。有的電極頂端有激素緩釋放裝置，電極頭的材料以表面活化各向同性低溫熱解碳或鉑為優(yōu)。導線的金屬材料要求電阻率小，強度高，一般用抗折強度較高的不銹鋼。導線絕緣層有高純硅橡膠和醫(yī)用聚氨酯兩種，兩者生物相容性均好，但前者較粗且脆弱，后者較細而堅固，但易老化。四．起搏器外殼

金屬鈦生物相容性好，毫無銹蝕。采用鈦材料拉伸成型，各部以較大圓弧連接，采用激光焊接封裝。

§7.2固定型和R波抑制型心臟起搏器第21頁/共58頁ASIC設計ApplicationSpecificIntegratedCircuits全定制ASIC芯片（掩膜ASIC）定義芯片上所有晶體管的幾何圖形和工藝規(guī)則，將設計結(jié)果交由IC廠家掩膜制造完成。優(yōu)點：芯片可獲得最優(yōu)性能，即面積利用率高、速度快、功耗低。缺點是：開發(fā)周期長，費用高，只適合大批量產(chǎn)品開發(fā)。半定制ASIC芯片約束性設計方法：門陣列設計法和標準單元設計法，主要目的是簡化設計，以犧牲芯片性能為代價來縮短開發(fā)時間?？删幊藺SIC芯片（可編程邏輯器件）自七十年代以來，經(jīng)歷了PAL、GAL、CPLD、FPGA幾個發(fā)展階段，高密度CPLD/FPGA已達200萬門/片，集成度高、應用產(chǎn)方便，特別適合于樣品研制或小批量產(chǎn)品開發(fā)，可以很容易轉(zhuǎn)由掩膜ASIC實現(xiàn)，開發(fā)風險低。第22頁/共58頁7.2.1一種固定型心臟起搏器電路分析多諧振蕩器＋單穩(wěn)態(tài)電路＋輸出電路R2、C1決定頻率／R3決定脈寬／復合管射隨輸出功率放大、Ri高Ro低§7.2固定型和R波抑制型心臟起搏器第23頁/共58頁§7.2固定型和R波抑制型心臟起搏器7.2.2R波抑制型心臟起搏器的一般結(jié)構原理1．感知放大器選擇性放大R波，辨認心臟自身搏動，推動按需功能控制器

要求：雙向感知、放大800～1000倍、頻寬10～50Hz、工作電流＜3mA、穩(wěn)定、可靠、抗干擾能力強2．按需功能控制器為起搏器提供穩(wěn)定的反拗期，還可克服“競爭心律”的危險感知R波后，控制器在反拗期內(nèi)抑制脈沖發(fā)放3．脈沖發(fā)生器（受控于按需控制電路）要求：頻率30～120Hz、脈寬1.1～1.5ms可調(diào)、幅度可調(diào)、易起振、穩(wěn)定、可靠第24頁/共58頁§7.2固定型和R波抑制型心臟起搏器7.2.3QDX－2型體外心臟起搏器的電路分析

R波按需抑制型（VVI）

1．各單元電路分析感知放大器按需功能控制電路脈沖發(fā)生器

2．按需功能的實現(xiàn)患者的自主心率低于起搏頻率時的情況自主心率不齊自主心率完全高于起搏頻率的情況第25頁/共58頁

感知放大器按需功能控制電路脈沖發(fā)生器R波輸入微分作用放大正脈沖限制T波、P波互補型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器形成反拗期VT6開關控制脈沖發(fā)生互補式張弛振蕩器鋸齒波電路產(chǎn)生起搏脈沖第26頁/共58頁第27頁/共58頁自主心率

t1>

t2

起搏器固有輸出單穩(wěn)輸出

t3

—反拗期C7鋸齒波發(fā)放起搏脈沖起搏后心律QRS波前均有起搏脈沖自主心率低于起搏頻率第28頁/共58頁自主心率不齊

t1<t2(抑制)t1>

t2(發(fā)放)自主心率不齊第29頁/共58頁t1<t2(全抑制)自主心率完全高于起搏頻率第30頁/共58頁§7.2固定型和R波抑制型心臟起搏器感知放大器按需功能控制器脈沖發(fā)生器去顫保護抗干擾轉(zhuǎn)換能量補償頻率限制性能較完善電路可靠性高整機功耗極微

7.2.4AMQ－4型按需起搏器的電路分析R波抑制型＋保護電路優(yōu)點

AMQ－4型第31頁/共58頁§7.2固定型和R波抑制型心臟起搏器7.2.4AMQ－4型按需起搏器的電路分析

1．感知放大器和抗干擾轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡

干擾頻率>50Hz，按需功能控制器不工作，起搏器為固定式

2．按需功能控制器

3．脈沖發(fā)生器和輸出脈沖倍壓電路

4．最高起搏頻率限制電路

5．能量補償電路和去顫保護電路

第32頁/共58頁感知放大器單穩(wěn)(按需控制)去顫保護抗干擾轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡第33頁/共58頁

單穩(wěn)tu

脈沖發(fā)生器脈沖倍壓電路

控制門、鋸齒波、振蕩器能量補償電路

最高起搏頻率限制輸出脈沖第34頁/共58頁第35頁/共58頁感知R波微分，成為雙向波只放大正極性脈沖經(jīng)抗干擾轉(zhuǎn)換后單穩(wěn)（按需功能控制）最高起搏頻率限制第36頁/共58頁第37頁/共58頁7.3.1心臟起搏器的能源

1．鋅汞電池

2．鋰電池鋰碘電池（主要使用）鋰亞硫酰氯電池鋰鉻酸銀電池鋰碘化鉛電池

3．核素電池

4．“生物燃料”電池

§7.3心臟起搏器的能源和電極第38頁/共58頁§7.3心臟起搏器的能源和電極7.3.2心臟起搏器的電極1．導線（起搏導管）和電極的作用

2．電極類型按安置和用途分：心內(nèi)膜電極心外膜電極心肌電極按心內(nèi)膜使用的電極分：單極心內(nèi)膜電極雙極心內(nèi)膜電極3．電極的結(jié)構及現(xiàn)狀

第39頁/共58頁7.4.1心臟除顫器的作用電擊除顫(電復律術)——用較強的脈沖電流消除心律失常，使之恢復竇性心律的方法。除顫器Defibrillator——用于心臟電擊除顫的設備。電擊復律作用于心臟的是一次瞬時高能脈沖：持續(xù)時間：4～10ms電能：40～400W·s(J)

嚴重快速心律失常(心房撲動、心房纖顫、室性心動過速)，造成血液動力障礙。采用除顫器消除心律紊亂、恢復心律正常，使患者得到搶救和治療。電擊復律時間短暫、安全性高、療效確切、隨時可采用§7.4心臟除顫器的一般介紹第40頁/共58頁7.4.2心臟除顫器的一般原理

一般方法：RLC阻尼放電

心臟急救設備：心臟起搏器、心臟除顫器監(jiān)視器、記錄儀7.4.3心臟除顫器的類型

按是否與R波同步分：非同步型除顫器同步型除顫器

按電極放置位置分：體內(nèi)除顫器體外除顫器§7.4心臟除顫器的一般介紹第41頁/共58頁§7.4心臟除顫器的一般介紹7.4.4心臟除顫器的主要性能指標1．最大儲能值除顫器電擊前，儲能電容儲能值≤400W·s2．釋放電能量實際向病人釋放的電能量，以等效患者電阻＝50Ω計3．釋放效率釋放電能與儲存電能之比。50％～80％4．最大儲能時間