心脏起搏器

第二章 心脏起搏器,1,第二章 心脏起搏器 (Pacemaker),基础知识,第二章 心脏起搏器,2,发展过程,第二章 心脏起搏器,3,第二章 心脏起搏器,4,Biomedical Measurement and Instrumentation - LTG,第二章 心脏起搏器,5,Biomedical Measurement and Instrumentation - LTG,1991,1995,1985,第二章 心脏起搏器,6,第二章 心脏起搏器,7,第二章 心脏起搏器,8,第二章 心脏起搏器,9,第二章 心脏起搏器,10,Biomedical Measurement and Instrumentation - LTG,第二章 心脏起搏器,11,第二章 心脏起搏器,12,第二章 心脏起搏器,2.1 心脏起搏器简介人工心脏起搏过程： 脉冲电流心脏（功能障碍、传导障碍）频率收缩心脏起搏器功能： 产生电脉冲（一定强度、宽度）导线、电极心肌。心脏起搏器结构： 起博器(脉冲发生器、控制电路)、导线、电极、电源。,第二章 心脏起搏器,13,2.1.1 人工心脏起搏器的作用,1用于治疗： 病症：心律失常（高度或完全性房室传导阻滞、 重度病态窦房结综合症等） 效果：显著，死亡率，大部分可从事工作。 用者：1976年始，全世界新装约：2030万人年， 目前依靠起搏器维持生命的500万人。2用于诊断： 心房调搏辅助诊断冠心病。 心房超速起搏法诊断窦房结功能不全。 预测完全性房室传导阻滞是否将发生心脑综合症。3用于研究： 心血管生理、病理，药理、临床应用的实验研究。,第二章 心脏起搏器,14,2.1.2 心脏起搏器临床应用的适应症,一、长期起搏的适应症 1房室传导阻滞： 度、度(莫氏度)房室传导阻滞，使： 心动过缓 引起 脑综合症(阿-斯综合症) 心律失常 症之一 心力衰竭 2三束支阻滞伴有心脑综合症者。 3病态窦房结综合症(病窦综合症)；心动过缓及过速 交替出现并以心动过缓为主，伴有心脑综合症者。 二、临时性起搏适应症 心脏病变可恢复；紧急时保护性，或诊断性应用。 使用时间：几小时、几天到几星期。,心源性因素而产生的急性脑缺血发作 晕厥 ,抽搐,呼吸困难和无力,第二章 心脏起搏器,15,2.1.2 心脏起搏器临床应用的适应症,二、临时性起搏适应症 1急性前壁或下壁心肌梗塞，伴有度或高度房室传导阻滞，经 药物治疗无效者。 2急性心肌炎或心肌病，伴有心脑综合症者。 3药物中毒伴有心脑综合症发作者。 4心脏手术后出现度房室传导阻滞者。 5电解质紊乱，如高血钾引起高度房室传导阻滞者。 6超速驱动起搏应用于诊断上，以及用于治疗其他治疗方法已经 无效的室性或室上性心动过速者。 7在必要时可应用于安置长期心外膜或心肌起搏电极之前，冠状 动脉造影、电击复律手术、重大的外科手术及其他手术科室的 手术中或手术后作为保护性措施者。 8其他紧急抢救的垂危病人。,第二章 心脏起搏器,16,2.1.3 心脏起搏器的分类,一、心脏起搏器的分类 1按照起搏器与病员的关系分类 （置入方式） p210 测 (1)感应式： 体外起搏脉冲载波发射体内接受器(感应线圈)解调(检波) 起搏脉冲电极心脏。 优点：体内无电源，无电池使用寿命之忧。 缺点：接受效果不佳，易受高频磁场干扰。仅构成固定型起搏。 应用：已趋于淘汰。 (2)经皮式(体外携带式)： 体外（按需或固定）起搏器电极经皮肤、静脉心脏。 优点：起搏频率、输出幅度、脉冲宽度、感知灵敏度等均可调。 缺点：导线经过皮肤，易感染，携带不便， 应用：仅用于临时抢救，不宜永久佩带。,第二章 心脏起搏器,17,2.1.3 心脏起搏器的分类,（3）埋藏式： 埋植于皮下(胸部或腹部)，电极静脉心内膜或心肌表面。 适合：永久起搏。目前使用大多属此类， 缺点：电源使用寿命短等。,第二章 心脏起搏器,18,2.1.3 心脏起搏器的分类,2按照与心脏活动的P波和R波的关系分类,横坐标时间 (0.04s格)， 纵坐标电位差（心电激动体表）(1mV10格)。 含P、Q、R、S、T波等，据振幅、时间、形状可诊断心脏病。,(1)非同步型(固定型)起搏脉冲与P波、R波无关。 (2)同步型起搏器分为P波同步、R波同步等。,120,第二章 心脏起搏器,19,2.1.3 心脏起搏器的分类,3按起搏电极分类 (1) 单极型： 阴极起搏导管(或导线)静脉或开胸右心室(或右心房)， 阳极(无关电极)腹部皮下(体外起搏器)或置于胸部 (埋藏式起搏器，外壳即阳极)。 (2)双极型： 阴极、阳极均与心脏接触(固定在心肌上) ； 或阴极心内膜，阳极心腔内。,第二章 心脏起搏器,20,第二章 心脏起搏器,21,第二章 心脏起搏器,22,2.1.4 临床应用的起搏器简介,一、各类起搏器简介 1. 固定型起搏器 固定：电脉冲频率、幅度（或经调节改变，与心电非同步） 缺点：当f心f脉时，电脉冲成多余，与心电竞争，当落于易激期 (T波波峰前附近) ，可能诱发室颤或室性心动过速，危险！ 适用：完全性房室传导阻滞、永久性窦性过缓。 优点：电路简单，可靠性高，价格便宜。 2P波同步起搏器 心房P波放大延迟120ms脉冲心室（人造房室传导） 电极：心房1个，心室2个 适用：房室传导阻滞 缺点：电路复杂，使用不方便。,第二章 心脏起搏器,23,2.1.4 临床应用的起搏器简介,3R波同步型起搏器 电脉冲受R波控制，分两类： （1）R波抑制型(又称为按需型) 脉冲受R波控制： 当f心f脉时，电脉冲停止 当f心f脉时，电脉冲输出 适应症：高度或完全房室传导阻滞、病态窦房综合症。 应用量大，约占总量90左右。 （2）R波触发型(又称为备用型) R波出现时，脉冲落在绝对不应期内（无效）(如图2.1所示) R波没有时，脉冲起搏（备用） 优点：脉冲总是存在，便于监测。 缺点：功耗较大。 应用较少。,第二章 心脏起搏器,24,4. 房室顺序型起搏器 脉冲心房延迟（可被QRS波抑制）心室。 缺点：性能尚不够完善，房、室各一个电极。 5. 双灶按需型起搏器 脉冲发生器 心房（按需），脉冲发生器心室（按需） 6程序控制型起搏器 体内部分：埋藏式起搏器+记忆+保持 体外部分：控制装置+电磁铁（可改变起搏参数、方式） 新型起搏器，应用广泛。,第二章 心脏起搏器,25,结论,纤颤,第二章 心脏起搏器,26,Biomedical Measurement and Instrumentation - LTG,第二章 心脏起搏器,27,/u37/v_ODI0NTM2Mg.html,第二章 心脏起搏器,28,2.1.5 心脏起搏器的命名,起搏器命名的五字母编码法国际心脏病学会制定（如表2.1）,第二章 心脏起搏器,29,2.1.6 心脏起搏器的几个参数,1起搏频率 最大心输出的心率，约 6090次min，小儿快些。可调节。2起搏脉冲幅度和宽度 幅度电压幅度；宽度脉冲持续时间。 幅度宽度能量心搏所需能量（微焦级）5V(0.51)ms 还与电极形状、面积、材料及导管阻抗等有关影响电池寿命。3感知灵敏度 同步型起搏器感知的最小R波或P波的幅值 R波同步型=1.52.5mV。（R波=515mV，路径损失剩下23mV） P波同步型=0.81mV。 （P波=35mV，路径损失后更小） 合理选取：过低不感知、感知不全；过高误感知、干扰敏感4反拗期 反拗期（ni）：同步型起搏器对外信号不敏感时间（=不应期）。 R波型：反拗期=30050ms。防止T波或起搏脉冲后电位的误触发。 P波型：反拗期=300500ms。防止窦性过速、外界干扰的误触发。,第二章 心脏起搏器,30,2.2 固定型和R波抑制型心脏起搏器,2.2.1 一种固定型心脏起搏器电路分析,多谐振荡器,单稳态,射极输出,第二章 心脏起搏器,31,2.2.1 一种固定型心脏起搏器电路分析,1多谐振荡器 组成：CMOS与非门F1、F2、F3、RC电路环形多谐振荡器 波形：图2.3中VA 调节：T R2C1，可变R2。 2单稳态电路 组成：与非门F5、F6积分型单稳态 输入：VB， 输出：VC。 作用：决定脉冲宽度。 调节：TU R3C2，可变R3， 3输出电路 组成：VTl、VT2复合管，射极输出电路， 作用：电流，输出电阻。 C隔直、DW稳压管，限幅。 输出：一定幅度(DW决定)的负脉冲。VD。,第二章 心脏起搏器,32,多谐振荡器是一种能产生矩形波的自激振荡器，也称矩形波发生器。它可以由分立元件构成，也可以由集成电路构成。 “多谐”指矩形波中除了基波成分外，还含有丰富的高次谐波成分。 多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态。在工作时，电路的状态在这两个暂稳态之间自动地周期性地交替变换，由此产生矩形波脉冲信号，常用作脉冲信号源及时序电路中的时钟信号。 多谐振荡器：利用深度正反馈，通过阻容耦合使两个电子器件交替导通与截止，从而自激产生方波输出的振荡器。常用作方波发生器。,v脉冲是突然变化的、间断的电压或电流。,1. 脉冲发生器,第二章 心脏起搏器,33,v怎样产生方波：若使非门周期性地开通和关闭，便,可在它的输出端得到矩形波。,v怎样控制非门的开通和关闭：,电路中引入1个反馈环节，实现对门状态的控制。,v反馈环节必须满足两个条件： 产生延迟：保证高低电平都有一定的停留时间， 以得到矩形波。反馈信号Uf和原输入信号Ui的相位必须相反。,D,第二章 心脏起搏器,34,带RC回路的环形多谐振荡器原理,1,2,3,R,A RS,uo1,uo,uo2C,第二章 心脏起搏器,35,uo1 RC,1,2 uo2,ui,A,2. 积分型单稳态电路原理,起搏脉冲宽度,第二章 心脏起搏器,36,2.2.2 R波抑制型心脏起搏器的一般结构原理,1感知放大器 作用：选择R波放大，限制T波及干扰波，辨认心脏自身搏动。 要求：正、负感知（双向感知）；放大倍数=8001000； 频宽=1050Hz（3dB带宽）；电流3mA（微功耗）； 电路稳定、可靠，抗干扰强。 2按需功能控制器 作用：提供稳定的反拗期，抑制脉冲，克服“竞争心律”。 反拗期后无R波（R-R间期过长）时，发出起搏脉冲。3脉冲发生器 作用：产生矩形电脉冲， 要求：频率=30120次min，脉宽 =1.11.5ms； 易起振，稳定，可靠， 可调：频率、脉宽、幅度。,第二章 心脏起搏器,37,2.2.3 QDX-2型体外按需起搏器的电路分析,第二章 心脏起搏器,38,2.2.3 QDX-2型体外按需起搏器的电路分析,属于R波抑制型，电路结构如图2.5。1各单元电路分析 (1)感知放大器 组成：VTl、VT2放大，VT3射极输出器。 输入：心导管电极来的心电或输出反馈。 目的：检测R波（或）或输出脉冲。 元件：C10耦合；VD2C5放电管； R1+RPl衰减，可调感知灵敏度； C1+R2+R4微分；C1还限制T、P波； VD1抑制负向输出； C4+R7微分。 特性：放大并输出正向信号； 为减功耗，VTlVT3工作点近截止区； 高频截止fT 50Hz； 波形：如图 2.6所示,图2.6 输入波及微分后波形,第二章 心脏起搏器,39,第二章 心脏起搏器,40,RC微分电路,vRC微分电路是脉冲技术,中常用电路之一。,v微分电路的特点是能够突出反映输入信号的跳变部分。可把信号中的跳变部分转变为尖脉冲加以利用。,第二章 心脏起搏器,41,2.2.3 QDX-2型体外按需起搏器的电路分析,(2)按需功能控制电路 组成：VT4、VT5互补型单稳态触发器 过程：稳态：VT4、VT5截止VT4e0VT6截止 暂态：正脉冲到VT4、VT5饱和* VT4eVT6饱和 C5充电，电流（定时，反拗期） VT4、VT5截止VT4eVT6截止 C5放电（通过VD2、Rl0） * 注： VT4、VT5 、C5构成正反馈,第二章 心脏起搏器,42,2.2.3 QDX-2型体外按需起搏器的电路分析,(3)脉冲发生器 组成：VT7、VT8、VT9等 VT7、VT8构成正反馈回路，互补式张弛振荡器 过程：当VT6截止： E对C7充电（经R12、R13等）VT7、VT8饱和VT8e输出高 C7放电（经R13、VT7、VT8）VT7、VT8截止VT8e输出低 （经VT6） VT6饱和VT4eVT4、VT5饱和VT3 eVT1、VT2放大 C5充电，电流（定时，反拗期 ） VT6截止VT4eVT4、VT5截止,第二章 心脏起搏器,43,2.2.3 QDX-2型体外按需起搏器的电路分析,可见： C7充电慢、放电快，形成锯齿波。 起搏脉冲： 周期反拗期+锯齿波充电期 宽度R13C7 幅度由RP3微调 VT4与VT5；及VT7与VT8 同时通断，且短通长断，故功耗很小。,第二章 心脏起搏器,44,v2按需功能的实现当f心f脉时，如图2.7(a)患者固有心律,周期t1(b)起搏器输出,周期t2(c)单稳输出波(t3即反拗期)(d)C7充放电波形,充电期t4t2t3t4(f)心脏被起搏器起搏后心律,由(a) (b)可见：f心f脉，(t1t2)图2.7自主心率低于起搏频率,t1t4,t3,t2t2,t2,第二章 心脏起搏器,45,v当第一个起搏脉冲，刺激心肌，心脏被起搏时，患者心脏将在被起搏后按自主固有心律在t1时间发出自搏。由于t2 (=t3+t4) t1，起搏器先于心脏发,出起搏脉冲，心脏被提前起搏，自主固有心律被抑制。,v以后每次均如此，患者的心率按起搏器的频率。v心电图中QRS波群前均有起搏脉冲图形，如图(f),所示。,第二章 心脏起搏器,46,v(2) 自主心律不齐,图2.8所示,假定：如图(a)、(b)患者第一心动周期：t1t2；患者第二心动周期：t1t2，起搏器第一个脉冲，使心脏起搏。并抑制自主心率，周期开始。因第一心动周期t1t2，t1后，患者自搏。自搏R波经感知放大触发单稳电路，形成反拗期，使VT6导通，C7放电，从而抑制起搏器的第二个脉冲。(若不抑制，将易造成竞争心律)。由于第二心动周期t1t2，起搏器发出脉冲，心脏再次被起搏。,t1,t2t2,t1t2t1t1t2,第二章 心脏起搏器,47,v(3) 当f心f脉时，即t1t2某次搏动(自搏或第一次起搏)后，由于t1t2，t1时间后，患者自搏。自搏R波经感知放大后，触发单稳态电路，抑制起搏脉冲发放。又过t1时间后，患者再次自搏，再次抑制起搏脉冲发放。起搏脉冲均被抑制，全为自搏。如(f)所示。心电图均无起搏脉冲。可见：任何一次搏动后，自身心率快于起搏节律，则自搏，抑制起搏脉冲；自身心率慢于起搏节律，则起搏，抑制自身波。,t2,t1,t1,第二章 心脏起搏器,48,2.3 心脏起搏器的能源和电极,2.3.1 心脏起搏器的能源 （埋藏式）起搏器能源(电池) 的寿命起搏器的寿命1锌汞电池 结构：（-）锌，（）氧化汞，电解质氢氧化钾溶液 优点：内阻低，放电性能平坦。 缺点：漏碱、涨气、自放电大、搁置寿命短。 现状：新结构寿命达5年，不如锂电池。埋藏式中已淘汰。2锂电池 锂电池类型有多种： (1)锂碘电池 结构：（-）金属锂、（）聚二乙烯基吡啶碘， 电解质碘化锂。 特点：固体介质，故无泄漏、涨气等致命缺点；自放电很低， 10年不超过10，可靠性高，寿命长。 应用：目前国内外大量使用。,第二章 心脏起搏器,49,2.3.1 心脏起搏器的能源,(2)锂亚硫酰氯电池 特点：非水电解质亚硫酰氯，直接在电极上还原反应。 特性：放电平坦，质量、体积小，无内压升高，保用期10年。 缺点：电压滞后，高温储存后不会有大电流放电。 应用：目前国内外已大量生产使用。 (3)锂铬酸银电池 结构：（-）锂铬酸银和石墨粉混合物，隔膜三种聚丙烯毡。 特性：前一段3.2V，占容量70，后一段2.5V，占容量25。 没有气体产生，自放电可忽略不计，可靠性很高。 应用：国外已普遍使用。 (4)锂碘化铅电池 结构：（+）碘化铅和铅粉混合物，电解质固态碘化锂和 二氧化铅混合物。由三组(每组7个单体并联)串联组成。 特性：使用中电压缓慢下降，安全，可在温度150时使用。 应用：目前在国外生产使用。,第二章 心脏起搏器,50,2.3.1 心脏起搏器的能源,3核素电池 种类：钚233热电式，钜147电压式。 特点：寿命最长，达20年，被誉为终身能源，适合青年患者。 缺点：价格昂贵，放射线要严格防护，体积、重量大。 应用：采用者较少。 4“生物燃料”电池（生物能源） 血液中：氧+葡萄糖（催化）葡萄糖氧化+化学能电能 特点：体积微小，可作终身电源。 缺点：易感染、反应物影响血液成分、电特性不均匀等。 应用：目前仍在试验阶段。 生理活动机械能(心包搏动等) （电磁能转换器、压电晶片） 电能 缺点：电压输出低，性能不稳定。 应用：还不能临床使用，只处于实验研究阶段。,第二章 心脏起搏器,51,2.3.2 心脏起搏器的电极,一、导线（又称为起搏导管）和电极的作用 作用：起搏脉冲心脏；R波、P波起搏器。 要求：形状、材料好，电极面积小，使起搏阈值低，减少能耗。 二、电极类型 1依其安置及用途的不同分类 心内膜电极 形式：心导管形式，也称心内膜导管电极，简称导管电极。 置入：切开并经体表周围静脉置入心腔内膜，与心内膜接触。 优点：不必开胸，手术损伤小。 缺点：对静脉畸形、心腔过大者，电极不易固定，不宜采用。 应用：临床上应用最多，约占90。 心外膜电极 置入：需要手术开胸，缝扎于心外膜表面，接触心外膜。 缺点：与心外膜间极易纤维增生，短期内导致起搏阈值增高。 应用：目前多为心肌电极代替。,第二章 心脏起搏器,52,2.3.2 心脏起搏器的电极,心肌电极 置入：手术开胸植入心肌内，电极头刺入心壁心肌。 优点：可减少起搏阈值增高的并发症。 缺点：需开胸，手术较大。 应用：除年轻患者(活动量大)或静脉畸形、心腔过大，心 内膜电极不宜者外，其他较少用。2按心内膜使用的电极分类 单极心内膜电极 形式：一个电极接触心脏。另一个电极（无关电极）可放在 皮肤下任何部位。埋藏式起搏器金属外壳无关电极。 双极心内膜电极 形式：两个电极，或均固定在心肌上； 或阴极接触心内膜，阳极在心肌内。 特殊电极 如：经胸外壁起搏电极、食道心房电极、纵隔心房电极等。,第二章 心脏起搏器,53,2.3.2 心脏起搏器的电极,3电极的结构及形状 状况：浸于体液，随心脏跳动（每分钟70次，每年3680万次） 要求：强度，光洁柔软，耐腐蚀，电极头电阻小，导线绝缘好。 材料：导线外套多用硅橡胶；导体用爱尔近合金(Elgiloy)或 镍合金等材料； 电极头用爱尔近合金或铂铱合金等。 形状：有勾头、盘状、柱状、环状、螺旋状、伞状等不同类型。 图2.15： (a)柱状电极，(b)锚型心内膜单电极，(c)螺旋形心肌电极。 寿命：埋藏式起搏器寿命已达812年，更换时常不希望同时更换 导管电极，故要求其寿命最好为23倍（2030年）。,图2.1