医学仪器及系统设计课程讲义part7

第四部分 治疗类仪器 简介及设计原理电治疗类仪器 激光治疗类仪器微波治疗类仪器超声治疗类仪器。 治疗设备的内科或外科目的一维持或重建内环境稳定 体内平衡：温度、血气、血糖、肌张力、血压、电解质、 体液等的平衡。 调节途径：植物神经系统、循环系统、呼吸系统、脾脏、 肝脏和胰腺等的相互作用。医用治疗设备：(1)直接代替有缺陷的器官。如，血液透析器、呼吸机(2)直接影响所有的机能。如，早产婴儿恒温箱二改造结构以增强机能常见类型：切割、割断组织、凝血要求：失血少，时间短 三功能的直接辅助对特定器官机能增进。如：除颤器，起搏器。设定时，须全面了解被辅助器官的生理、病理状况。选择时，维持生命比改善生活质量更重要。四丧失功能的替代替代器、假体、人工脏器有：功能替代，结构替代，外形替代如：人工心脏瓣膜 功能替代人工髋关节 结构替代人工眼球 外形替代。 仪器治疗的分类 手术治疗： 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术的治疗； 非手术治疗（康复理疗）： 用电疗、磁疗、光疗、热疗、放疗等宏观无创的方式进行治疗； 医用治疗设备的一般结构 输出：产生治疗的能量，具有多种能量形式。 接口：传输能量。体内、体外。如：压电晶体；电极；金属丝环；呼吸回路；辐射。 控制器：控制能量 调整、聚焦、屏蔽，调整 强度、波长、持续时间。 监护：体检、使用者的反馈或自动。 操纵器：操作输入接口，操作者输入指令。 输出 控制器监护 操纵器接口病人图 1.1 医用治疗设备的一般结构1.6 治疗设备输出的能量形式 治疗设备：能量 生物系统 效果。能量：直接、继发产生生物学效应 电磁波：低频（中频）、高频、光波 中低频：电极传输，产生效应：生理、热（高能）、化学（长时） . 例如：中、低频治疗机、心脏起搏器、除颤器。 高频：辐射传输，包括电磁场、相干光及非相干光。产生效应：热（活血、凝血、气化）、化学（效果、副作用） . 例如：电外科设备、射频透热疗机、红外、紫外、 激光治疗机 热辐射：一种电磁能形式。传输：对流、传导、辐射 .产生效应：热效应 .如：呼吸机 对流热；婴儿保温箱 辐射热；心肺机 传导热。 放射线：电离辐射， 射线、 X射线等。有防护要求。控制方式：直线加速器 通过选择参数。放射性核设备 通过承载器的机械结构。 机械能：可表现为压力或流的形式，如：呼吸机 压强气流，牵引器 静张力。 超声波：是振动的传播，也是机械能，超声能 热、化学效应 治疗效果。 化学能：化学能 生理效果 如麻醉系统化学势 弥散 体液平衡 如透折器 1.7 治疗设备输出的能量水平 所需能量： 治疗 诊断。 能量类型 诊断用能量水平 治疗用能量水平 超声 1 mW 1.5 W/cm2 X射线 50 keV 3 25 MeV 电 1.6 mW（阻抗体积描记） 20 kW（体外除颤）15 mW（体内起搏） 评价一个治疗设备的原则 图 1.2 治疗能量与主作用和副作用之间的关系M主作用（治疗效果）副作用（危险性）SM1S2E0 E1 E2MS治疗阈值致死界限治疗宽裕度(E2 E1)主作用线副作用线E 治疗能量密度治疗效果度(M S)0 评价一个治疗设备的原则主作用线： E相对于 M的关系。起始于 E=0副作用线： E相对于 S的关系。起始于 E=E0=100mW/cm2。M1 治疗阈值， E1 主作用线上对应于 M1S2 致死界限， E2 副作用线上对应于 S2，治疗宽裕度 E2 E1 有效而安全的范围 E应取范围可见：治疗宽裕度越大 控制越容易 安全性越高。治疗效果度 M S 疗效相对于副作用比可见：比值越大 对治疗越有利。选择疗法：主作用线斜率 E2 E1 副作用线斜率 M S 电治疗仪电刺激治疗仪 电刺激治疗仪 电刺激治疗仪利用低频率、小电流及低电压的脉冲电流来治疗某些类型的疾病。 医学上把频率从01000Hz的脉冲电流称为低频电流，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、梯形波、正弦波、双向非对称脉冲和双向对称脉冲。、正弦波、双向非对称脉冲和双向对称脉冲。 最常用的是双向对称或不最常用的是双向对称或不对称脉冲对称脉冲 。双向脉冲方向正负变化，在电极处无电解作用。双向脉冲方向正负变化，在电极处无电解作用。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，等多种生理作用， 在临床理疗上用来治疗周围神经麻痹、肌肉萎缩、关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、偏瘫、肌肉劳损、软组织损伤、神经痛等疾病。节肿痛、肩周炎、偏瘫、肌肉劳损、软组织损伤、神经痛等疾病。低频电磁波段，人体能耐受的电流很小；中频和高频电磁波段，人体承受电流的能力随频率逐步增大。1.不同频率电磁波对机体的治疗作用低频电磁波（ 100kHz） ：强烈热效应增强血液循环、加强代谢、降低感觉神经的兴奋性。 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、幅度以及刺激的起始时间及持续时间等也都用微机控制。 既可以恒压输出又可恒流输出，恒压输出最大可达 160V ，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，由单片机、 D/A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、刺激电流检测及数码显示、过载保护等部分组成。n D/A转换器用来控制刺激脉冲的幅度 ，即微机向 D/A转换器输出一个数字量，由 D/A转换为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。n 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度。n 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。n 在刺激器的 输出级采用脉冲变压器， 一方面起升压作用，另一方面起人体安全隔离作用。n 在变压器输出端，接有 高频滤波器， 以防止上电和关电时对病人可能产生的电冲击。n 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机实时显示刺激电流的实际大小。 其原理是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，再由微机根据刺激电流的大小实时调节 D/A输出，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。 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的伤害。n 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。 电刺激系统的的构成脉冲发生器、导联线和电极电刺激的类型（ 1） 表面刺激u 电刺激系统在体外，电极放在皮肤上或要刺激的肌肉的运动点附近；u 广泛应用于神经和肌肉的医疗康复；u 不能可靠地刺激皮肤下面的组织，也不能选择刺激深层肌肉；（ 2）经皮刺激u 电极放置于体内，导联线穿过皮肤连接外部脉冲发生器。u 可用于短期或长期的刺激需要。（ 3）植入式刺激通过外科手术将电刺激系统永久植入人体，植入完后皮肤完全缝合。低频治疗仪 不同波形低频波的治疗作用u对于表面电极 ，调节肌肉力量的常规方法是保持频率和脉宽不变，改变刺激脉冲的幅度；u植入式刺激 ，刺激参数取决于植入位置。高频电刀 高频电刀 (High-Frequency Electrotome )（高频手术器）是一种新型的取代机械手术刀进行组织切割的电外科器械。它通过电极 (电刀笔和敷肌板 )将高频电流送入人体，在电刀笔下的局部组织中形成高密度电流，从而使局部产生高热而达到 切割和凝结 两种电外科效果。使用高频电刀切口小，可以减少流血甚至做到不流血，目前已得到广泛应用。 高频电刀由主机和电极 (电刀笔、敷肌板 )两部分组成。 主机由振荡器、调制器、功率放大、单片机控制等电路组成。振荡器频率一般采用 500KHz正弦波，调制频率采用 25KHz方波，有25%50%的占空比。功率放大器采用 VMOS场效应功率管， 电切 (纯切 )时输出开路电压要求为 3000V，最大输出功率 300W，电凝时输出开路电压要求为 7000V，最大输出功率 120W。 单片机控制输出功率的大小，并有按键选择及数码管显示输出功率的大小，而且还有安全保护功能。 微波治疗仪 波长极短 ，它与所使用的元件、设备的尺寸可比拟。比地球上一般物体的几何尺寸小得多或在同一数量级上。 非电离性 , 微波的量子能量与物质相互作用时，不改变物质分子的内部结构（只改变其运动状态） ; 穿透性 , 与红外线相比，微波照射介质时更容易深入物质内部； 频率很高 ，因而振荡周期极短（ 10 12 10 9s），与电子在电真空器件中的渡越时间相似。所以不能用普通的电子管来产生和放大微波振荡。 似光性 ，微波介于一般无线电波与光波之间，它不仅具有无线电波的性质，还具有光波的性质，以光速直线传播，有反射、衍射、干涉等现象。二 . 微波的特点三 . 微波的生物效应 热效应微波辐射生物体并穿透到生物组织之中转化成热能，当该组织吸收的热量超过血液循环和热传导所带走的热量时，就会产生热的积累，引起局部温度上升。（ 1）使用小剂量微波，产生低热效应： （ 2）使用大剂量微波，产生高热效应。 非热效应 （电磁振荡效应）微波可产生高强度的电磁场从而改变生物组织内电荷和分子结构运转规律，由此可改变人体组织的理化反应特性。四 . 微波的治疗机理 基于热效应的治疗机理（ 1）纯物理性治疗（组织凝固治疗）这是医用微波常用的治疗方式。一般用接触式或插入式辐射器，让微波能在很小的人体局部产生高温 (100 )，可使病变组织凝固坏死，出血部位处凝干，息肉汽化，梗阻疏通及肿瘤坏死等。临床证明比激光治疗更为安全、方便。（ 2）治疗炎症的机理 炎症的主要特征是血液循环不畅。当微波照射到病变部位时，病变组织就会迅速升温，当某一部位温度超过某一阀值时，人体就会产生自我保护反应 -即加强对该部位供血，改善病变部位的血液循环的条件，同时增加病变的营养，从而打通被压迫堵塞的毛细血管，使该部位的血液循环趋于正常，使炎症的逐渐消失。 （ 3）治疗肿瘤的机理 国内外大量研究证明，肿瘤细胞在 42.5-43.5 的温度下就会萎缩以至于死亡。用微波治疗肿瘤的方式有二种，一种是微波从体外照射进去，另一种是把微波送到患部直接照射肿瘤，这二种治疗方式可根据病变部位来选择。但有一个共同要求是：必须使病变的温度保持在 42.5-43.5 的范围内，温度低了对肿瘤治疗无效，温度高了将造成对病变周围健康组织的损害，因此微波治疗肿瘤时，一定要严格控制肿瘤部位的温度。（ 4）微波治疗外伤出血的机理当微波照射到流在伤口外血液上时，血液吸收微波能生热，血液中的水份迅速蒸发，血液立即变稠和凝固，凝固的血液堵塞血管和伤口从而达到止血的目的。在微波的热效应和使极性分子高速转换极性的作用下，病菌（如大肠杆菌、葡萄球菌、微菌等）会被杀死，从而起到杀菌消毒作用，使伤口不至于受感染，尤其对破伤风的预防最为有效。微波照射到人体不但有热效应，还会引起生物效应，在微波照射下，能够增快血液循环，因而能够给伤口处提供足够的养分，从而加快伤口的愈合。（ 5）微波热疗内伤淤血的原理 大量实验证明，微波加热治疗术后体内淤血有显效。 对体内而言若有局部出血，就会形成淤血块，从体外触摸有硬块感觉。有硬块的地方，血管被堵塞，血液流动不畅，当微波照上去以后，淤血吸收微波能产生热量，形成局部升温，因体内水份不易蒸发，血块被稀化，同时由于人体自身的保护反应，对病变位置大量提供，从而打通被淤血堵塞的血管，供血变流畅，淤血被组织吸收。临床实验证明，均取得了惊人的疗效。 基于非热效应的治疗机理l 非热治疗是把强度微弱的电磁波照射到人体的有关部位，通过由它所产生的生物效应达到治疗疾病目的治疗方法。l 大量生活现实和实验证明，微波会引起人体生物效应：例如用 2450MHZ，功率密度为 5mw/cm的微波照射人体穴位时，被照穴位处就会有酸痛似针灸的感觉，用弱微波照射涌泉穴，就会有全身舒适的感觉（冠性动脉硬化的人有晕玄感），但无热感。用 35GHZ、 70mw的毫米波功率照射有关穴位就会增加白血球 ，由此可见，非热效应是存在的，并研制成功了 “增白仪 ”。l 国外有些专家认为，微波照射人体之所以产生微波生物效应，是因为人体各种组织都有固有频率，当微波频率与某组织的固有频率相同时，该组织就产生谐振吸收。当该组织吸收的能量超过某一阀值时，就会引起生物效应。l 非热效应多用于人体内分泌紊乱和某一系统失调疾病的治疗，它的治疗原理与我国的针灸治疗原理雷同，但微波非热治疗时病员没有任何痛苦，更无任何负作用。 六 . 微波治疗的特点 微波对人体组织的热效应效率高、穿透力强、具有内外同时产生热的优点。微波在人体组织内产生热量，作用可达 5-8厘米，可穿透衣物和石膏等体表覆盖物，直达病灶部位促进血液循环、水中吸收和新肉芽生长。体表式辐射器便于摆位（人体表各部位），不受患者坐、卧影响，从而让患者使用感觉更舒适、操作更简单。 适用范围广，治疗多种疾病，治疗中无痛苦、无创伤、无副作用和不良反应，具有消炎、活血、止痛之功效。 微波治疗不需要出去衣物即可治疗，因此即使是人体尴尬部位治疗也不需要它以回避，可以在休闲和娱乐中解除病痛。 微波在脂肪与肌肉产生热的比例接近 1（短波和超短波在电极作用下脂肪温升与肌肉温升至比约为 9比 1），即微波热效应比较均匀，即使在较深部位肌肉层仍有显著热效应。因而，即使较深部位病症已可达到较好疗效。七 . 微波治疗与激光治疗的比较 微波遇透明物质时，其透过量大于激光，激光透不过，而微波则能透过； 微波辐射天线插入组织内，遇组织粘连在天线上仍能辐射。激光的光导纤维插入组织内，遇上述情况则急剧减弱直到不能出光； 在同样强度下，微波凝结量大于激光，呈现表里同时凝结状。而激光则呈由表及里状；尤其遇到 3mm左右血管，微波可不穿破管壁封闭血管。而激光往往穿破管壁出血； 微波摧毁组织直至碳化无烟雾产生，而激光则因气化产生大量烟雾，这不仅增加处理麻烦、增大成本，而且污染环境，刺激术者，在肿瘤治疗中，有人发现飞溅的存活肿瘤碎片； 微波与激光止血效果均好，但据日本学者的实验认为，微波属第一位，因止血后不再出血，激光则有出血情况； 激光应用取决于光纤，制作插入组织的光纤难度大，极易损坏，一旦折断，有可能残留组织内成为异物。微波天线是金属材料，不存在上述问题。 微波机及辐射器，消耗少，经久耐用，便于携带，易于控制，安全性大。激光则价格昂贵，消耗大，用于手术的激光机不能移动，难以控制，安全性不及微波，且维修困难，一次治疗至少需两人同时工作。微波治疗只需术者一人即可进行。九 . 微波治疗仪的基本结构n 微波源 ：产生一定功率的微波；n 微波辐射器 ：将微波以波束的形式辐射出去，经外空间传到受治部位；n 温度传感器 ：置于病灶区，实时监测其温度；图 2 微波治疗仪的结构框图一图 3 微波治疗仪的结构框图二射频热疗仪 射频热疗仪是继微波热疗仪之后发展起来的一种新的热疗仪器， 它利用射频电磁波作为热源，其治疗深度比微波大， 微波仅能对浅表肿瘤 (23cm)加热，而射频最深可达 25cm。射频加热将人体的肌肉组织作为导体，通过两个电极将射频信号导入人体，人体内就会产生焦耳热，不同的组织和不同的血运情况，产生的焦尔热也不同。激光治疗仪器6.激光的生物效应 直接效应热效应、光化效应、压力效应、电磁效应和生物效应 继发效应免疫、消炎消肿、止痒镇痛、舒张血管、改变酶和腺体活动等效应。1.热效应（ 1）激光对生物组织的产热规律： 激光功率密度高则产热量多而快； 组织对光的吸收率高者产热高； 组织含水分多、血流量大和导热率高者产热慢。（ 2）治疗作用 以弱激光的热量来改善局部细胞和组织的功能； 以强激光的热效应破坏病变细胞、组织块凝固性坏死、防止活动性出血、去除部分表面组织、进行切割与分离等等。2.光化效应 主要类型有光致分解、光致氧化、光致聚合、光致异构和光致敏化。 光化反应会带来蛋白质和核酸变性、酶失活等异构效应，能起到杀菌、红斑效应、色素沉着等作用，引起视觉效应等。3.压强效应 激光对生物组织的压强作用主要来源于辐射压、反冲压、超声压、汽化压和电致伸缩压等； 激光功率密度大其压强作用越明显； 高功率密度的压强效应可用于生物组织分离、治疗青光眼、白内障、给虹膜打孔代替虹膜切除术。4.电磁场效应 引起生物效应的是激光的电场，其电场强度决定于激光束的密度； 激光强度大到与生物分子故有场强相比拟时才会引起生物效应； 高电场强度的激光束，进入集体任何部位均会导致生物组织电系统的剧烈变化，出现生物效应。5.生物刺激效应 弱激光对机体的刺激包括了光化效应后的化学刺激、光热效应后的热刺激、光压强效应后的机械刺激等。 生物体兴奋和抑制取决于激光的相对剂量和反应类型； 适当刺激的反应在分子水平上是调整蛋白质和核酸的合成、调节酶的功能；在细胞水平上是通过代偿、营养、修复、免疫和其他机制来消除病理过程 。8.激光治疗仪器的分类及在医疗中的不同用途l激光治疗仪器的类型决定于激光器的类型按 工作物质 分为固体、气体、液体、半导体激光器 ; 按 激光释放能量的运转方式 分为连续激光、半连续激光和脉冲激光 ; 按 波长范围 分为紫外、红外、可见光激光器等 ;在皮肤 美容 领域中应用最多的是可见光激光器，用于治疗血管性病变和色素性病变等；其次应用较多的是用来切割、汽化皮损组织和用于磨削除皱的红外激光仪；紫外激光器用于皮肤美容的较少见。等 超声治疗仪7.6 超声治疗仪 利用超声反射回波信息成像的 B超及多普勒超声诊断仪器已广泛应用于临床。 利用超声的另外一些特殊性能，如超声波传播的方向性较强，介质质点振动的加速度很大，在液体中会产生 “空化效应 ”，声波聚焦后可产生局部高温等， 可以制成各种治疗仪器。常用的有超声热疗治癌仪 、 超声手术刀、白内障超声乳化仪 等。1.超声聚焦热疗治癌仪 超声热疗治癌仪利用聚焦原理， 36块压电晶体置于半球形盘内，由同步电子发生器同时向每块压电晶体发激励脉冲， 36块压电晶体产生的 超声波 通过探头与皮肤之间的水囊介质介质 聚焦于体内位于球心聚焦于体内位于球心 (焦点焦点 )处的肿瘤位置上，处的肿瘤位置上， 用用 B超超进行肿瘤定位。进行肿瘤定位。 焦斑区可产生大于焦斑区可产生大于 80 的瞬间高温和空的瞬间高温和空化效应，这两者可引起蛋白质变性和细胞结构的改变，化效应，这两者可引起蛋白质变性和细胞结构的改变，从而使肿瘤细胞坏死。从而使肿瘤细胞坏死。 超声聚焦治癌技术不需要切割皮超声聚焦治癌技术不需要切割皮肤，治疗深度可达肤，治疗深度可达 15cm，而且还由于