治疗类仪器设计原理ppt课件

治疗类仪器设计原理9.1概述概述现代临床医学对疾病的治疗的方法主要现代临床医学对疾病的治疗的方法主要有以下几种：有以下几种：药物治疗药物治疗手术治疗手术治疗仪器治疗仪器治疗心理治疗心理治疗人类对抗疾病的过程分为四个阶段，即：预防、诊断人类对抗疾病的过程分为四个阶段，即：预防、诊断、治疗及健康。其中治疗除了药物治疗和手术治疗外，各、治疗及健康。其中治疗除了药物治疗和手术治疗外，各种新的物理治疗方法及相应的仪器现正发挥着日益重要的种新的物理治疗方法及相应的仪器现正发挥着日益重要的作用。作用。 物理治疗物理治疗 (简称理疗简称理疗 )就是利用热、光就是利用热、光 (包括辐射包括辐射 )、电、磁、声、机械等物理能量作用于人体，达到治疗疾病电、磁、声、机械等物理能量作用于人体，达到治疗疾病或缓解病痛的目的。或缓解病痛的目的。理疗在我国有着悠久的历史。中医中的针炙、按摩理疗在我国有着悠久的历史。中医中的针炙、按摩、拔火罐、热疗、磁疗等治疗方法至今仍在使用。现代理、拔火罐、热疗、磁疗等治疗方法至今仍在使用。现代理疗技术，是伴随着现代科学技术的发展而兴起的，不仅出疗技术，是伴随着现代科学技术的发展而兴起的，不仅出现了利用静电、交直流电、微波、射频电磁波、激光、红现了利用静电、交直流电、微波、射频电磁波、激光、红外、紫外、超声波、高能粒子等效应的新型物理治疗手段外、紫外、超声波、高能粒子等效应的新型物理治疗手段和方法，而且给传统的理疗方法注入了现代科学技术的新和方法，而且给传统的理疗方法注入了现代科学技术的新内容。本章主要介绍利用电、微波、射频电磁波、超声波内容。本章主要介绍利用电、微波、射频电磁波、超声波等物理能量的治疗用电子仪器。等物理能量的治疗用电子仪器。仪器治疗包括手术治疗和非手术治疗仪器治疗包括手术治疗和非手术治疗。手术治疗是指用激光、高频电磁波、放。手术治疗是指用激光、高频电磁波、放射线、微波、超声等单独的或配合传统手射线、微波、超声等单独的或配合传统手术的治疗。而非手术治疗则是用电疗、磁术的治疗。而非手术治疗则是用电疗、磁疗、热疗、放疗等宏观无创的方式进行治疗、热疗、放疗等宏观无创的方式进行治疗。疗。治疗类仪器的设计原理是基于各种物理因子治疗类仪器的设计原理是基于各种物理因子对人体不同的生理和生物效应。对人体不同的生理和生物效应。电磁辐射的特点：电磁辐射的特点：根据近代物理学的观点，所有的电磁辐根据近代物理学的观点，所有的电磁辐射不仅具有波动性而且具有粒子性。射不仅具有波动性而且具有粒子性。根据量子能量的大小，在考虑实际问题根据量子能量的大小，在考虑实际问题中分别考虑波动性和粒子性。中分别考虑波动性和粒子性。量子能量足够大的电磁辐射与某种物质量子能量足够大的电磁辐射与某种物质相作用时，可将其原子或分子中的束缚电相作用时，可将其原子或分子中的束缚电子击出。子击出。电治疗类仪器设计原理电治疗类仪器设计原理 频率小于频率小于 1kHz时的电流对人体细胞的作用时的电流对人体细胞的作用主要是以刺激效应为主。主要是以刺激效应为主。神经肌肉电刺激治疗类仪器应用神经肌肉电刺激治疗类仪器应用 TENS （ Transcutaneous Electrical Nerve Stimulation）疗法原理，使用恒流或恒压、一定频率的波形施疗法原理，使用恒流或恒压、一定频率的波形施加于人体肌肉组织，在人体肌肉组织中产生电阻加于人体肌肉组织，在人体肌肉组织中产生电阻性发热、神经肌肉的电兴奋及其他生化反应，从性发热、神经肌肉的电兴奋及其他生化反应，从而具有解痉镇痛、消炎、改善血液循环等疗效。而具有解痉镇痛、消炎、改善血液循环等疗效。此类仪器根据其电原理又分为许多种类型，有直此类仪器根据其电原理又分为许多种类型，有直流电离子导入治疗仪、低频电刺激治疗仪、中频流电离子导入治疗仪、低频电刺激治疗仪、中频电刺激治疗仪、高频电刺激治疗仪、温热脉冲电电刺激治疗仪、高频电刺激治疗仪、温热脉冲电流刺激治疗仪、差频电疗仪、电针灸治疗仪等。流刺激治疗仪、差频电疗仪、电针灸治疗仪等。为了适应人体的各生理部位，以及人 为了适应人体的各生理部位，以及人体的个体差异和病症不同等特点，电刺激体的个体差异和病症不同等特点，电刺激信号的频率、脉宽、幅度均设计成有较广信号的频率、脉宽、幅度均设计成有较广泛的调节范围。为了避免人体组织对电刺泛的调节范围。为了避免人体组织对电刺激的生理适应性反应，电刺激信号的波形激的生理适应性反应，电刺激信号的波形也设计成各种各样，有脉冲波、尖峰波、也设计成各种各样，有脉冲波、尖峰波、三角波、锯齿波、正弦波等，并有多种疗三角波、锯齿波、正弦波等，并有多种疗程选择。程选择。低频电刺激频率范围为低频电刺激频率范围为 01kHz，中频范围为，中频范围为1k100kHz，高于，高于 100kHz属高频范围。现在电刺属高频范围。现在电刺激频率向中高频发展，因为中高频使人体容抗减激频率向中高频发展，因为中高频使人体容抗减少，治疗电流量增加，不适感减小，但由于中频少，治疗电流量增加，不适感减小，但由于中频电流的周期性会使人产生适应性，所以有人设计电流的周期性会使人产生适应性，所以有人设计出随机中频电刺激治疗仪。电针灸治疗仪是根据出随机中频电刺激治疗仪。电针灸治疗仪是根据中医针灸原理结合电刺激的治疗仪器，它产生频中医针灸原理结合电刺激的治疗仪器，它产生频率为几十至几百率为几十至几百 Hz的双向脉冲波，通过针电极刺的双向脉冲波，通过针电极刺激人体穴位。有人还研制出专用的（如专治哮喘激人体穴位。有人还研制出专用的（如专治哮喘病）电针灸治疗仪。病）电针灸治疗仪。此类仪器早期大都采用电子线路控制 此类仪器早期大都采用电子线路控制，功能比较单一。现在一般采用单片机控，功能比较单一。现在一般采用单片机控制，功能较多，不但有多档参数选择，而制，功能较多，不但有多档参数选择，而且有刺激参数显示。有的仪器还做成治疗且有刺激参数显示。有的仪器还做成治疗诊断两用型的，即不但可用来电刺激治疗诊断两用型的，即不但可用来电刺激治疗，而且具有强度，而且具有强度 -时间曲线检查和时值测定时间曲线检查和时值测定等诊断功能。等诊断功能。电刺激方式：电刺激方式：电刺激系统通常由三部分组成： 电刺激系统通常由三部分组成：、脉冲发生器，产生使神经去极化的 、脉冲发生器，产生使神经去极化的脉冲序列；脉冲序列；、导联线，把脉冲传输到刺激位置； 、导联线，把脉冲传输到刺激位置；、电极，把刺激脉冲安全、有效地传 、电极，把刺激脉冲安全、有效地传输到可兴奋组织。输到可兴奋组织。按照电刺激部位，刺激类型可划分如下 按照电刺激部位，刺激类型可划分如下：、表面刺激 、表面刺激、经皮刺激 、经皮刺激、植入式刺激 、植入式刺激电刺激的生物效应：电刺激的生物效应：阳极中断阳极中断刺激的电化学效应刺激的电化学效应脑组织的刺激与效应脑组织的刺激与效应周围神经的刺激与效应周围神经的刺激与效应肌肉组织的刺激与效应肌肉组织的刺激与效应电极腐蚀电极腐蚀组织损伤组织损伤植入式电子仪器的基本要求：植入式电子仪器的基本要求：1、植入式电子仪器的封装要求、植入式电子仪器的封装要求2、导联和电极设计、导联和电极设计3、植入是刺激器的安全设计、植入是刺激器的安全设计治疗用电子仪器治疗用电子仪器 电刺激治疗仪电刺激治疗仪 心脏除颤器心脏除颤器 高频电刀高频电刀 微波热疗治癌仪微波热疗治癌仪 射频热疗仪射频热疗仪 超声治疗仪超声治疗仪 体外冲击波碎石机体外冲击波碎石机体外反搏装置体外反搏装置 电化学治癌仪电化学治癌仪 远红外理疗仪远红外理疗仪 电刺激治疗仪电刺激治疗仪 电刺激治疗仪利用低电刺激治疗仪利用低频率、小电流及低电压频率、小电流及低电压的脉冲电流来治疗某些的脉冲电流来治疗某些类型的疾病。类型的疾病。 医学上把医学上把频率从频率从 01000Hz的脉冲的脉冲电流称为电流称为低频电流，常用的低频电流波形有三角波、方波低频电流，常用的低频电流波形有三角波、方波 (单向脉冲单向脉冲 )、梯形波、正弦波、双向非对称脉冲和双向对称脉冲。、梯形波、正弦波、双向非对称脉冲和双向对称脉冲。 最常最常用的是双向对称或不对称脉冲用的是双向对称或不对称脉冲 。双向脉冲方向正负变化，在。双向脉冲方向正负变化，在电极处无电解作用。电极处无电解作用。 低频脉冲电流具有兴奋神经肌肉组织、低频脉冲电流具有兴奋神经肌肉组织、促进局部血液循环、镇痛和消炎等多种生理作用，促进局部血液循环、镇痛和消炎等多种生理作用， 在临床理在临床理疗上用来治疗周围神经麻痹、肌肉萎缩、关节肿痛、肩周炎疗上用来治疗周围神经麻痹、肌肉萎缩、关节肿痛、肩周炎、偏瘫、肌肉劳损、软组织损伤、神经痛等疾病。、偏瘫、肌肉劳损、软组织损伤、神经痛等疾病。电刺激治疗仪的电路结构形式很多，电刺激治疗仪的电路结构形式很多，现代的电刺激治疗仪都采用微机控制，由现代的电刺激治疗仪都采用微机控制，由可编程波形发生器产生各种刺激波形，刺可编程波形发生器产生各种刺激波形，刺激脉冲的宽度、频率、幅度以及刺激的起激脉冲的宽度、频率、幅度以及刺激的起始时间及持续时间等也都用微机控制。始时间及持续时间等也都用微机控制。 既既可以恒压输出又可恒流输出，恒压输出最可以恒压输出又可恒流输出，恒压输出最大可达大可达 160V，恒流输出最大可达，恒流输出最大可达 100mA。上图是一种电刺激治疗仪的电路原理框图，上图是一种电刺激治疗仪的电路原理框图，由单片机、由单片机、 D/A转换器、可编程定时器、刺激脉冲转换器、可编程定时器、刺激脉冲合成、功率放大器、脉冲变压器、刺激电流检测及合成、功率放大器、脉冲变压器、刺激电流检测及数码显示、过载保护等部分组成。数码显示、过载保护等部分组成。D/A转换器用来控制刺激脉冲的幅度转换器用来控制刺激脉冲的幅度 ，即微，即微机向机向 D/A转换器输出一个数字量，由转换器输出一个数字量，由 D/A转换为转换为与某数字量成正比的模拟电压，此模拟电压的与某数字量成正比的模拟电压，此模拟电压的大小就决定了刺激脉冲的幅度。大小就决定了刺激脉冲的幅度。 可编程定时器可编程定时器通过编程产生的脉冲决定刺激脉冲的频率和宽通过编程产生的脉冲决定刺激脉冲的频率和宽度。刺激脉冲合成电路将上述信号合成为一定度。刺激脉冲合成电路将上述信号合成为一定幅度的双向脉冲送功率放大器。幅度的双向脉冲送功率放大器。 在刺激器的在刺激器的 输输出级采用脉冲变压器，出级采用脉冲变压器， 一方面起升压作用，另一方面起升压作用，另一方面起人体安全隔离作用。在变压器输出端一方面起人体安全隔离作用。在变压器输出端，接有，接有 高频滤波器，高频滤波器， 以防止上电和关电时对病以防止上电和关电时对病人可能产生的电冲击。人可能产生的电冲击。电流检测电路的用途是检测输出刺激电电流检测电路的用途是检测输出刺激电流的大小，以进行恒流输出反馈控制以及微流的大小，以进行恒流输出反馈控制以及微机实时显示刺激电流的实际大小。机实时显示刺激电流的实际大小。 其原理是其原理是在脉冲变压器输出回路中串联一个测流电阻在脉冲变压器输出回路中串联一个测流电阻，在这个电阻上可得到与刺激电流成正比的，在这个电阻上可得到与刺激电流成正比的脉冲电压信号，此信号经光电耦合后送脉冲电压信号，此信号经光电耦合后送 A/D转换器，由微机实时采集电流大小，再由微转换器，由微机实时采集电流大小，再由微机根据刺激电流的大小实时调节机根据刺激电流的大小实时调节 D/A输出，输出，从而调节刺激电流保持恒定，这也就是通过从而调节刺激电流保持恒定，这也就是通过微机自动控制刺激电流的大小及恒定，而不微机自动控制刺激电流的大小及恒定，而不是采用电流负反馈电路自动调节。另一方面是采用电流负反馈电路自动调节。另一方面，微机将电流大小送显示数码管实时显示。，微机将电流大小送显示数码管实时显示。电流检测的另一个目的是过载保护，电流检测的另一个目的是过载保护，当刺激电流超过一个设定的安全值时，过当刺激电流超过一个设定的安全值时，过载保护电路会停止刺激脉冲合成电路的输载保护电路会停止刺激脉冲合成电路的输出，从而保证了由于意外情况对病人造成出，从而保证了由于意外情况对病人造成的伤害。的伤害。电刺激治疗仪采用光电隔离和变压器隔电刺激治疗仪采用光电隔离和变压器隔离保护措施，以保证人身的电气安全。离保护措施，以保证人身的电气安全。 心脏起搏器心脏起搏器 （ Pacemaker） 正常状态下，由心脏窦房结产生的兴奋正常状态下，由心脏窦房结产生的兴奋传导到心房，再由心房传导到心室，引起心传导到心房，再由心房传导到心室，引起心脏的搏动。如果由于心脏疾患而使这种传导脏的搏动。如果由于心脏疾患而使这种传导受阻受阻 (称为房室传导阻滞称为房室传导阻滞 )，则心搏减缓，进而，则心搏减缓，进而危及生命。心脏起搏器是用一定形式的电脉危及生命。心脏起搏器是用一定形式的电脉冲刺激心脏，使之按一定频率有效地收缩的冲刺激心脏，使之按一定频率有效地收缩的一种植入式电子装置。心脏起搏技术是工程一种植入式电子装置。心脏起搏技术是工程技术与心脏电生理相结合形成的一门新科学技术与心脏电生理相结合形成的一门新科学。由于对心律失常治疗有良好效果，受到人。由于对心律失常治疗有良好效果，受到人们极大的重视。特别是随着微电子技术和微们极大的重视。特别是随着微电子技术和微处理器技术以及新能源的应用，近年来心脏处理器技术以及新能源的应用，近年来心脏起搏器技术发展十分迅速。起搏器技术发展十分迅速。 早在早在 1932年年 Hyman创制一台创制一台 用针刺用针刺入心脏起搏入心脏起搏 的重达的重达 7.2公斤的仪器，命名公斤的仪器，命名为人工心脏起搏器以来，这个名称一直为人工心脏起搏器以来，这个名称一直沿用至今。沿用至今。 1952年年 ， Zoll创造创造 用脉冲电流用脉冲电流经胸壁刺激起搏的方法经胸壁刺激起搏的方法 ，挽救了，挽救了 32名房名房室传导阻滞患者的生命。室传导阻滞患者的生命。 1958年年 ，Furmam开创心内膜电极起搏技术开创心内膜电极起搏技术 ，同年，同年，由西门子公司安装了，由西门子公司安装了 世界第一个埋藏世界第一个埋藏式起搏器式起搏器 (固定频率型固定频率型 )，并成功起搏心，并成功起搏心脏脏 ，从此人工心脏起搏技术进入成熟期，从此人工心脏起搏技术进入成熟期，并得到迅速发展。，并得到迅速发展。 70年代年代 以来又出现了以来又出现了 心房心室顺序起博的心房心室顺序起博的心脏起搏器心脏起搏器 ，更符合血液动力学及人体生理要，更符合血液动力学及人体生理要求。之后又出现了植入人体后能被程控仪根据求。之后又出现了植入人体后能被程控仪根据病人不同需求而改变不同工作参数的起搏器。病人不同需求而改变不同工作参数的起搏器。随着临床医学及电子医学的发展，随着临床医学及电子医学的发展， 80年代年代 后期后期起搏工业有了突飞猛进的发展。起搏工业有了突飞猛进的发展。 现代的起搏器现代的起搏器已经具备能根据病人活动情况自动调节起搏频已经具备能根据病人活动情况自动调节起搏频率；根据病人起搏阈值自动调节能量输出；起率；根据病人起搏阈值自动调节能量输出；起搏器与程控器实现了双向实施遥测，起搏器不搏器与程控器实现了双向实施遥测，起搏器不但起到起搏心脏的功能，还可以记录心脏的活但起到起搏心脏的功能，还可以记录心脏的活动情况，供医生诊断疾病和根据具体情况调整动情况，供医生诊断疾病和根据具体情况调整起搏参数时作参考。起搏参数时作参考。随着起搏器功能的增加，随着起搏器功能的增加， 起搏治疗适应症起搏治疗适应症也在增加也在增加 ，除了最早用于治疗房室传导阻滞和，除了最早用于治疗房室传导阻滞和窦房结功能不良外，现在起搏器也为心肌病、窦房结功能不良外，现在起搏器也为心肌病、心衰、房颤、迷走神经综合症等疾病的治疗提心衰、房颤、迷走神经综合症等疾病的治疗提供了更多的选择。同时起搏器的电池的寿命也供了更多的选择。同时起搏器的电池的寿命也有了很大的改善，从最初的纽扣电池到锂碘电有了很大的改善，从最初的纽扣电池到锂碘电池，再加上自动阈值夺获功能的应用，起搏器池，再加上自动阈值夺获功能的应用，起搏器的使用寿命可达的使用寿命可达 15年以上。起搏器的体积也越年以上。起搏器的体积也越做越小，做越小， 目前世界上最小的起搏器为圣犹达目前世界上最小的起搏器为圣犹达St.Jude Medical公司生产，重量只有公司生产，重量只有 12.8g，体积体积 5.9立方厘米，如一枚一元硬币立方厘米，如一枚一元硬币 。我国从。我国从1976年开始研制起搏器，至今可以生产锂电池年开始研制起搏器，至今可以生产锂电池作能源、钛钢全密封、厚膜电路按需型埋藏式作能源、钛钢全密封、厚膜电路按需型埋藏式心脏起搏器。心脏起搏器。 心脏起搏器的类型有：心脏起搏器的类型有： 固定频率固定频率型型 (早期产品早期产品 )， P波同步型波同步型 (早期产品早期产品 )， 心室同步型，心室同步型， 房室顺序型，房室顺序型， 全全自动型，其中自动型，其中 、 、 种又称按需型种又称按需型。全自动型可根据心脏的工作情况自动。全自动型可根据心脏的工作情况自动选择和更换发送脉冲的方式，其性能已选择和更换发送脉冲的方式，其性能已经与人体心脏生理要求相接近，可自动经与人体心脏生理要求相接近，可自动抗心律失常，自动抑制心动过速的多余抗心律失常，自动抑制心动过速的多余冲动，又能在正常时自动关闭。冲动，又能在正常时自动关闭。 随着电子技术的飞速发展，人工心脏起搏随着电子技术的飞速发展，人工心脏起搏领域的新技术不断涌现，人工心脏起搏的适应领域的新技术不断涌现，人工心脏起搏的适应证也不断拓宽。证也不断拓宽。 双心房起搏双