置入式心律轉(zhuǎn)復(fù)除顫器的電容器

置入式心律轉(zhuǎn)復(fù)除顫器的電容器置入式心律轉(zhuǎn)復(fù)除顫器（ImplantableCardioverter-Defibrillator，ICD）是一種有多種程控模式的電子裝置，可以針對室性快速性心律失常進(jìn)行高能量除顫電擊、低能量（轉(zhuǎn)復(fù)）電擊或抗心動過速起搏等形式治療，對于緩慢性心律失常也可進(jìn)行常規(guī)起搏治療。起搏器一般只需要輸出1～3V的電刺激脈沖就可以起搏奪獲心肌，而鋰碘電池在輸出2.4V左右時工作良好，通過電壓放大器可以把起搏器發(fā)放的電脈沖升高到7V（個別可達(dá)10V）。然而，除顫所需要的電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于這個數(shù)字，ICD一次治療發(fā)放的電壓往往是500～700V，甚至更高。ICD所采用電池為鋰-氧化銀釩電池或鋰-二氧化錳電池，前者的單體工作電壓為2.5~3.2V，后者為2.8~3.2V，這個數(shù)量級的電壓距離成功除顫所需要的電壓相差很大。ICD的電池能夠產(chǎn)生的電荷足夠發(fā)放許多次電擊，但卻不能在一個時間點產(chǎn)生大量電荷。高壓電容器的使用解決了這個難題。電壓放大器只能小幅增高電壓，而電容器則能先保存一定量的電荷，隨后再快速將電能釋放出來。電容器就像一個桶，電池就像水泵一樣不停地向桶內(nèi)注入電荷，直到達(dá)到電容器的預(yù)定容量，需要時就會把所存儲的電量在極短時間內(nèi)釋放出來。在ICD中，電容器是最大的組成成分之一，甚至比電池還要大。一、電容器的概念電容器是一種電子元件，是由絕緣材料分隔的兩個具有傳導(dǎo)性的表面組成，這兩個傳導(dǎo)表面被稱作極板（金屬材料制成），分隔極板的絕緣材料（如干空氣或塑料）被稱作電介質(zhì)。電容器就像一個存儲器，是儲存電（即電荷）的裝置。圖1電容器充電示意圖電容器儲存電荷的能力被稱作“電容量”（capacitance）。電荷（Q）表示電量；電壓（V）表示電位差，代表對電子的驅(qū)動力。電容器通過將一個極板上的部分電荷（一定數(shù)量的電子）移動到另一個極板上來進(jìn)行充電。在金屬表面的電荷由電子過剩（-）或缺乏（+）引起。1庫侖電荷對應(yīng)6.242×1018個電子的帶電量。電荷的再分布可以通過電池（電源）從一邊到另一邊泵送電子來完成（圖1）。泵送的電荷量（Q）與電池的電壓（V）成比例，二者比值即為電容量（C）。電荷＝電容量×電壓（即Q＝C×V），而（即）。電容量的單位是法拉（F）。電容器1法拉（1F）的電容量，即電壓為1伏特（1V）時，產(chǎn)生1庫侖的電荷或1安培×1秒（1C＝1A?s），即。電容器的充放電過程1.電容器的充電過程電容器充電時，是電池（電源）將電子從電容器的一側(cè)泵入電容器的另一側(cè)。開始時，電容器完全放電，Vc=0。在充電過程中，隨著兩個極板上的電荷增加，加載在電容器的電壓（Vc）增加，電源向電容器所泵的電子流逐漸減少，由于電介質(zhì)是絕緣的，當(dāng)加載在電容器的電壓等于電源電壓（Vs）時電子流動停止，充電終止，所以電子流也是短暫的（圖1）。如圖2所示，充電開始時，Vc＝0，根據(jù)歐姆定律電子流或電流Ic＝Vs/R，當(dāng)充電完全時，電流減少為零。當(dāng)電路中存在電阻時，則削弱了瞬時電流而延長了充電現(xiàn)象。電阻小時，開始時的最大電流大，電容器充電時間短；當(dāng)電阻大時，開始時的最大電流小，電容器充電時間長。電流和電壓的變化曲線呈指數(shù)曲線變化。圖2電容器充電與電路中電阻的關(guān)系2.時間常數(shù)電容器的充電時間依賴于電路中的電容量C和總電阻R，兩者的乘積τ＝R·C被稱為時間常數(shù)。時間常數(shù)涉及充電的變化率，其提示加載在電容器上的電壓每變化剩余部分的63.2%所需要的時間（圖3）。圖3電容器充電的時間常數(shù)Vs=電源電壓；Vc＝加載在電容器的電壓；Ic＝電路中的充電電流3.電容器充放電時電壓及電流的變化電容器經(jīng)不同電阻充放電時，加載在電容器的電壓及充電電流和放電電流變化見圖4。經(jīng)電阻R1充電的過程，電容器與電源、電阻R1連通的開關(guān)（SW1）閉合構(gòu)成充電電路，同時電容器與電阻R2連通的開關(guān)（SW2）斷開，SW1閉合瞬時的充電電流（Ic）最大，其值等于電源電壓（VS）除以R1（即VS/R1），方向與電子流動方向相反；隨充電時間延長，加載在電容器上的電壓（VC）逐漸升高，經(jīng)過5倍時間常數(shù)（即5R1C）之后，Vc接近等于電源電壓（VS），充電電流基本停止，即IC約等于0。當(dāng)電容器與電源、電阻R1連通的開關(guān)（SW1）斷開，同時電容器與電阻R2連通的開關(guān)（SW2）閉合構(gòu)成放電電路，電容器經(jīng)電阻R2放電，此時SW2閉合瞬時的放電電流（ID）最大，其值等于電源電壓除以R2（即VS/R2）；隨放電時間延長加載在電容器上的電壓（VC）逐漸降低，經(jīng)過5倍時間常數(shù)（即5R2C）之后Vc接近等于0，放電電流基本停止，即ID約等于0。當(dāng)充電電阻小于放電電阻時，充滿電所需的時間小于完全放電所需時間；反之，充滿電時間大于完全放電時間。圖4電容器充放電電路及電流、電壓變化示意圖三、起搏器輸出起搏脈沖的過程及電路普通起搏器輸出起搏脈沖的過程大致如下：起搏器的輸出電容器（Co）通過內(nèi)部電阻Rch進(jìn)行充電，通過心臟本身起搏電阻Rp進(jìn)行放電。Rp比充電電阻Rch小許多。輸出電容器Co充電和放電電路示意圖見圖5。圖5輸出電容器Co充電和放電電路示意圖起搏輸出電容器（Co）的放電開關(guān)（S）受起搏器的計時系統(tǒng)控制，當(dāng)其斷開時，電路經(jīng)過較高的充電電阻（Rch）為起搏輸出電容器緩慢充電，充電電流為Ich，則加載在心臟的電壓（VH）等于Ich乘以心臟起搏電阻（Rp）。由于Rch高而Ich較小，則VH（也稱后電位）也較低，對心臟幾乎無影響。如果VH較高時，可能影響起搏器的感知。當(dāng)加載在心臟上的電壓等于電源電壓（Vs）時，充電電流停止（Ich＝0）。當(dāng)放電開關(guān)（S）閉合時，起搏輸出電容器（Co）向心臟放電，放電電流為Idis，則加載在心臟的電壓（VH）等于電容器兩個極板之間的電壓，在放電即刻等于電源電壓（Vs），在起搏脈沖脈寬計時結(jié)束時，放電開關(guān)S斷開，刺激脈沖終止，刺激脈沖較強可以起搏奪獲心肌。整個過程中充電電流（Ich）與放電電流（Idis）方向相反（圖5）。如果起搏器感知到心臟自身電活動，則阻止開關(guān)S的閉合而電荷仍然保留在電容器上。四、ICD高壓電容器放電圖6除顫脈沖的斜率及其與脈寬、電阻的關(guān)系1.ICD放電斜率當(dāng)電容器放電向患者發(fā)放一個電脈沖時，其電壓按指數(shù)級下降（圖6）。對于起搏器而言，其脈沖的脈寬很短，在脈沖開始與脈沖結(jié)束時的電壓差別或者降低值正常情況下很小（圖6A）。但是對于ICD而言，在高壓電容器放電時其放電時間較長，因而脈沖開始與脈沖結(jié)束時的電壓差別較大。人們用斜率（tilt）來表示電容器從脈沖開始發(fā)放到脈沖結(jié)束時電壓減少的百分比（圖6B）。斜率受電容器的狀態(tài)、電極阻抗、放電時間等因素影響。ICD可以有固定脈寬和固定斜率兩種形式來輸出電能。當(dāng)脈寬固定即放電時間固定時，ICD釋放的能量隨高壓電極阻抗的改變而改變，高壓電極之間的阻抗越小則斜率越大（圖6C）。當(dāng)斜率固定時，高壓電極之間的阻抗越小則脈寬越?。▓D6D）。研究表明，除顫波的最有效斜率為40%~65%。當(dāng)ICD發(fā)放電擊時，ICD或者通過除顫波斜率調(diào)整系統(tǒng)，或者通過除顫波脈寬調(diào)整系統(tǒng)進(jìn)行有效的調(diào)整。除顫波斜率調(diào)整系統(tǒng)，不僅能提供一個最有效的斜率值，而且將發(fā)放已程控的能量值，使除顫波的脈寬可以同時相應(yīng)改變。因此，斜率固定時，除顫能量的設(shè)定基于阻抗值，ICD系統(tǒng)能自動改變除顫波脈寬，以確保程控的能量指標(biāo)符合要求，這種固定斜率的方式幾乎被用于所有ICD系統(tǒng)。圣猶達(dá)公司生產(chǎn)ICD系統(tǒng)還允許醫(yī)生選擇固定脈沖寬度系統(tǒng)，斜率可變功能的作用和價值是在ICD植入時如果存在高除顫閾值，則通過選擇不同的斜率有望解決這一問題。2.ICD放電波形與電路圖7單相波及雙相波ICD高壓脈沖示意圖及雙相波電路圖工程師和臨床醫(yī)生早已認(rèn)識到除顫時的放電波形可以影響ICD的除顫閾值，即使在相同設(shè)置下，雙相波比單相波除顫效果更好。單相波是指波形在基線以上同一個方向（圖7A），雙相波的波形有兩相，第1相是在基線以上的正相波，第2相是在基線以下的負(fù)相波（圖7B）。發(fā)放雙相除顫脈沖的電路稍復(fù)雜些（圖7C）：在開關(guān)連接位置1時，為1相放電；開關(guān)連接位置2時，為2相放電；開關(guān)連接位置3時，則通過高壓充電器充電。ICD放電能量問題電容器充電過程是將一部分電荷由一個極板轉(zhuǎn)移到另一個極板上，在電荷的轉(zhuǎn)移過程需要耗能，同時也作為一種電勢能儲存在電容器中。當(dāng)電容器放電時，這個能量被釋放到放電電路的阻抗中，而轉(zhuǎn)化熱能。儲存在電容器中的能量與電容量以及電壓的平方成正比，即（W＝能量，單位焦耳；C＝電容量，單位法拉；V＝電壓，單位伏特）?，F(xiàn)舉例說明電容器釋放能量與電壓及斜率的關(guān)系。一個電容量為120μF的電容器最初充電到200V，其發(fā)放一個斜率為65%的電擊脈沖，則有多在的能量被釋放在患者心臟呢？斜率為65%說明電容器發(fā)放的脈沖結(jié)束時比開始時電壓下降65%，即200V×0.65＝130V，所以脈沖結(jié)束時電容器兩極板之間仍有200V-130V＝70V的電壓。在充電到200V后電容器的電能＝2.4J，在放電結(jié)束時電容器的電能＝0.3J，釋放到患者的能量2.4J-0.3J＝2.1J。已充電的電容器總共可以得到的能量只能在完全放電即脈沖時限大于5RC時才可能完全發(fā)放到心臟。由于脈沖總是被截斷，所以釋放給患者的能量總小于可以獲得的最大能量。脈沖的斜率越小，在可獲得的最大能量與釋放給患者的能量之間差值越大。通常用伏特（V）或焦耳（J）來描述ICD釋放的能量。然而它們是不同物理量的測量單位。電壓是指不同電位之間的電勢差，經(jīng)常用于描述家用電器、心臟動作電位以及電池化學(xué)特性。焦耳是一個能量單位，1焦耳是指用1牛頓的推動力通過1米的距離所做的功，其能量大約相當(dāng)于將一個蘋果提起3英尺所做的功。一臺體外除顫器可發(fā)放50J~400J的能量，而300J能量相當(dāng)于一個1kg的水泥塊從30米的高度落下。ICD可發(fā)放的能量從0.5J~41J能量，而20J能量相當(dāng)于一個1kg的水泥塊從2米的高度落下。由于起搏脈沖接近于一個恒定電壓脈沖，所以心臟起搏脈沖的閾值和脈沖大小用電壓（單位：伏特）來表示。體外除顫儀，由于沒有使用截斷，在高壓脈沖結(jié)束時電壓下降到0伏特，用能量（單位：焦耳）才能恰當(dāng)?shù)胤磻?yīng)脈沖狀態(tài)。ICD的高壓脈沖，不是恒定電壓脈沖，在發(fā)放過程中電壓確實在下降，因此沿用舊慣例，ICD的高壓輸出用能量（單位：焦耳）來表示。顯然，除顫閾值的強度-時間曲線是可以用電壓和脈寬表示的。五、ICD高壓電容器的維護(hù)1.高壓電容器的結(jié)構(gòu)由于ICD中的電容器需要達(dá)到高電壓、高電容量和小外殼的要求，目前所采用的是鋁電解電容器或濕式鉭電解電容器。鋁電解電容器的極板是兩塊鋁箔組成，中間的絕緣電介質(zhì)是極薄的氧化鋁（Al2O3）。電介質(zhì)薄片通過氧化作用在陽極表面形成，薄片的厚度與氧化電壓呈比例。作為陽極層的鋁箔通過蝕刻化和粗糙化處理接觸表面，其電容量增加數(shù)倍（圖8A）。2.電容器的電能泄漏如果跨電容器終端電壓較低（或缺乏電壓），鋁氧化層的厚度會由于電容器中正常的化學(xué)反應(yīng)而緩慢減小。也就是說，沒有周期性給電容器充電，電介質(zhì)就會隨著時間的推移而逐漸衰退和變形。此時，電容器將使一些存儲的電能泄漏（圖8B）。在應(yīng)用更高電壓時，滲漏的電流會增加而性能下降，結(jié)果導(dǎo)致ICD需要更長的充電時間才能充滿除顫的所需要的能量。圖8ICD的高壓電容器中電介質(zhì)的變形示意圖濕式鉭電容器也類似，其電介質(zhì)為氧化鉭，也存在隨時間推移的變形衰退現(xiàn)象。3.高壓電容器的重整幸運的是，可以通過周期性對高壓電容器重整來避免電容器緩慢泄漏電能。所謂ICD的電容器重整就是先往電容器內(nèi)充滿電量然后再緩慢釋放，這個過程是漸進(jìn)的，對患者沒有任何影響。這種周期性充電是為了保持電介質(zhì)的完整，也為了減少滲漏。現(xiàn)代ICD都可以自動完成電容器重整，一般以1~6個月規(guī)律的間隔周期（可程控為1個月）自動進(jìn)行。一些老的和特殊型號的ICD可能需要醫(yī)生通過程控儀手動時行電容器維護(hù)（重整或充電）。具有自動電容器維護(hù)功能的ICD根據(jù)放電所需要的電池電壓和自動調(diào)整功能制定方案時行電容器的維護(hù)。如果患者出現(xiàn)快速心律失常，其識別使得高壓電容器充電達(dá)到（或）高于維護(hù)電壓，則維護(hù)的計時器將會重置。當(dāng)電池電壓達(dá)到3.05V時，為了避免電池的“電壓衰減”，一些ICD（如圣猶達(dá)公司）中的軟件會自動調(diào)整電容器重整時間為1個月。高壓電容器充電時間延長問題為了能夠快速治療需要除顫的惡性室性快速性心律失常，高壓電容器的充電時間需要盡可能地短。導(dǎo)致高壓電容器充電時間延長有三方面原因：=1\*GB3①電容器的電介質(zhì)變形，高壓電容器維護(hù)（重整）不足；=2\*GB3②電池內(nèi)電阻增加以及電壓降低（如接近ERI而電池低電壓）；=3\*GB3③充電器、電容器等元件偶然功能障礙等。在現(xiàn)代ICD中，每次電擊及自動重整后的充電時間都被測量并記錄在存儲器中。在隨訪時必須評估這些充電時間。充電時間超過12s時需要密切關(guān)注并頻繁隨訪，若超過15s則需要更換ICD的脈沖發(fā)生器。如果ICD充電時間過長，需要注意以下幾點：檢查自動重整功能（了解是否是老一代型號而需要手動重整）。核實高壓電容器的狀態(tài)（什么時候進(jìn)行的末次完全充電或重整？在BOL時，每90天重整一次，接近ERI時，每30天重整一次。）核實電池的狀態(tài)（檢查電壓，是否為ERI？）若仍不能確定，可進(jìn)行一次手動重整，將電荷轉(zhuǎn)儲到內(nèi)部測試負(fù)荷。10分鐘后再試一次。若電池是好的，但充電時間仍很長，則可能是充電器或電容器功能異常。如果充電時間仍大于15s，需聯(lián)系廠家。ICD的高壓充電環(huán)路ICD的充電環(huán)路必須將從電池（如兩個SVO電池）獲得的典型6V電壓轉(zhuǎn)換為成功除顫所需的更高電壓（常常達(dá)到750V）。與起搏器的輸出電容器不同，高壓電容器的充電是通過充電器一點一點進(jìn)行的。ICD的高壓電容器的充電環(huán)路由電池、充電器和高壓電容器組成（圖9）。圖9ICD的高壓充電環(huán)路ICD高壓充電器由開關(guān)、變壓器和整流二極管三個主要部分構(gòu)成。開關(guān)允許一點一點的少量充電。變壓器將低水平電壓轉(zhuǎn)換為高水平電壓。變壓器有兩個線圈，通過開關(guān)與電池相連的線圈為初級線圈，另一個為次級線圈與整流二極管和高壓電容器相連。整流二極管僅能向一個方向傳導(dǎo)，可以防止電荷向后（反向）流動。開關(guān)。高壓充電電路的開關(guān)實際是通過高頻振蕩器（例如50kHz）控制的晶體管來實現(xiàn)的。通過周期性連接電池與變壓器的初級線圈而周期性產(chǎn)生少量電荷。在識別到心動過速后并提示電擊時，中央微處理器打開振蕩器，當(dāng)高壓電容器達(dá)到設(shè)定能量的預(yù)期電壓時，中央微處理器關(guān)閉振蕩器。ICD電池電壓（Vb）保持恒定，而通過開關(guān)與電池相連的變壓器初級線圈上的電壓（Vp）在0（當(dāng)開關(guān)斷開時）與Vb（開關(guān)閉合時）之間變化。每次開關(guān)閉合時，電流（Ip）流過初級線圈，同時電池的部分能量存儲在變壓器的磁場中。當(dāng)變壓器由磁能充電時，電流Ip的變化與時間幾乎呈線性關(guān)系。變壓器。當(dāng)電流流動穿過傳導(dǎo)環(huán)時，將會產(chǎn)生磁場，其強度與電流成正比，變化的電流產(chǎn)生變化的磁場。當(dāng)變化的磁場穿過電路環(huán)時，將會在環(huán)中產(chǎn)生感應(yīng)電壓。若磁場保持穩(wěn)定，則沒有感應(yīng)電壓產(chǎn)生。通過大量串聯(lián)的環(huán)路（線圈）可以使感應(yīng)電壓成倍增加。變壓器有兩個線圈，為了優(yōu)化線圈間的能量轉(zhuǎn)換，二者均纏繞在鐵芯上，使磁場集中（圖10A）。初級線圈中的由于高頻振蕩器控制開關(guān)形成的交流電產(chǎn)生變化的磁場，這一變化的磁場在次級線