医学专题心脏起搏器与除颤器

1、 7.1 心脏起搏器简介 7.2 固定型和R波抑制型心脏起搏器 7.3 心脏起搏器的能源和电极 7.4 心脏除颤器的一般介绍 7.5 典型的心脏除颤器医学电子仪器原理与设计第七章 心脏起搏器与除颤器2021/7/20 星期二1心脏起搏器Cardiac Pacemaker 第七章 心脏起搏器与除颤器2021/7/20 星期二2心脏起搏器Cardiac Pacemaker 人工心脏起搏用外加脉冲代替心脏起搏点的电兴奋，刺激心脏搏动的一种治疗方法。 是心律失常非药物治疗的一种有效治疗方法。 人工心脏起搏器能产生一定形式电脉冲，并将脉冲传至心脏，使心脏按一定频率有效收缩的脉冲发生器。 能替代或补充正常

2、激励和控制心脏收缩的生理电子系统。 人工心脏起搏技术是实现生物机能控制的典型范例。第七章 心脏起搏器与除颤器2021/7/20 星期二37.1.1 心脏起搏技术的发展简史 17611846 一种由于严重心律失常以致循环障碍、脑供血 不足引起的危险急症，称为阿斯综合征，或“心源性脑 缺氧综合征”。是发展人工心脏起搏技术的重要背景。 1791 观察到肌肉对电刺激有收缩反应。 1819 用直流电刺激死刑者停止搏动的心脏，使之复跳。 1858、1862 动物实验，用电刺激使心脏跳动。 1930 Hyman 创制发条脉冲发生器心脏起搏器，重7.2kg， 用针穿刺心房通电起搏抢救心脏停搏患者，命名为心脏

3、起搏器临床43例，救活14例，但受不公正舆论指责。 7.1 心脏起搏器简介2021/7/20 星期二4 7.1 心脏起搏器简介7.1.1 心脏起搏技术的发展简史 19471958 刺激窦房结复跳；胸壁刺激(75150V，2ms 脉冲) 成功，但痛苦大；心外膜电极起搏；心内膜电极起搏。 1958 Elmqvist(瑞典)工程师、Senning医师 第一台埋藏式固定 频率起搏器。术后，20多次排除故障，患者存活20余年。 1960 晶体管电路、锌汞电池起搏器，盛行十余年。1971以 后，锂电池逐渐代替汞电池。 1963 P波同步型心室起搏；按需起搏；房室顺序起搏；房 室全能起搏；频率自适应起搏；抗

4、心动过速起搏；埋藏式 自动复律除颤器。 全世界每年约有30万个起搏器安装与更换。2021/7/20 星期二5 7.1 心脏起搏器简介7.1.2 人工心脏起搏的作用主要用以治疗缓慢型心律失常 心律失常是多种病因引起心肌电生理特性改变的一种疾病。 某些严重心律失常的药物疗效差，如，高度或完全性房室传导阻滞、重度病态窦房结综合症。安装起搏器则效果显著。用于某些疾病的诊断 例如，心房调搏辅助诊断可疑冠心病，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患者是否有发生心脑综合症的危险等。用于实验研究心血管生理、病理生理、药理和临床应用2021/7/20 星期二6 7.1 心脏起搏器简介7.1.

5、3 心脏起搏的适应症长期起搏的适应症 房室传导阻滞 三束支阻滞伴有心脑综合症者 病态窦房结综合症；心动过缓为主伴有有心脑综合症者临时性起搏适应症 心脏病变可望恢复，紧急情况下保护性应用、诊断应用。 短时间使用心脏起搏器，几小时、几天至几星期。 （适应症例，见教科书）2021/7/20 星期二7 7.1 心脏起搏器简介7.1.4 心脏起搏器的分类 按照起搏器与 病员的关系分类 按照起搏器与 患者P波与R波 的关系分类 按照起搏器 电极分类 感应式经皮式(体外携带式)埋藏式非同步(固定)型同步型单极型双极型2021/7/20 星期二8 7.1 心脏起搏器简介7.1.4 心脏起搏的分类 感应式 脉冲

6、发生器在体外，起搏电极与接受器植体内。体内无电源但易受干扰。 经皮式 起搏器在体外，按需起搏（频率、幅度、脉宽、感知灵敏度均可调），携带不便，易感染，仅用于临时抢救。 埋藏式 起搏器埋植与胸部或腹部皮下，得到广泛使用，关键是电池寿命问题。 非同步(固定)型发出的起搏脉冲与P波或R波无关。 同步型 分为P波同步起搏器和R波同步起搏器。 单极型 阴极置于右心室（或右心房），阳极置于胸部（起搏器外壳）或腹部皮下（体外携带式） 双极型 起搏器的阴极与阳极均与心脏直接接触。 2021/7/20 星期二9 7.1 心脏起搏器简介7.1.4 心脏起搏的分类 北美起搏和电生理学会与英国起搏和电生理组NBG起搏

7、器编码（1987年）起搏心腔感知心腔感知的反应程控功能，频率自适应抗快速性心率失常功能V =心室V 心室T触发P =程控频率 和/或输出P抗快速性心率失常A心房A心房I抑制M多项参数程控S电击D双腔D双腔DT+IC遥测DP+SO无O无R频率自适应O=无O无注： 、 、用于抗过缓心率失常的起搏 厂家常用S表示单腔（心房或心室）2021/7/20 星期二10 7.1 心脏起搏器简介7.1.4 心脏起搏的分类使用NBG起搏器编码的例： 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，响应方式可以是触发式，也可以是按需抑制型，具有频率自适应功能2021/7/20 星

8、期二11 7.1 心脏起搏器简介7.1.4 心脏起搏的分类 1 固定型起搏器 以固定频率(非同步)发放起搏脉冲刺激心室(VOO)或心房(AOO)， 只发出固定频率、幅度的脉冲(约70次/分)，不受自主心率支配，一旦心脏自主心律超过起搏频率，便可发生竞争心律（电脉冲落于易激期），有可能诱发心室纤颤或室性心动过速而危及病人安全，目前仅临时用于测试磁铁频率或用于竞争起搏终止某些心动过速。 2021/7/20 星期二12 7.1 心脏起搏器简介7.1.4 心脏起搏的分类 2 R 波同步型起搏器（起搏器发放脉冲受R波控制） (1) R波抑制型(按需型，VVI型) 单极电极置于心室，兼有起搏与感知功能，常

9、称为心室按需型起搏器。适应证广泛。 平时以固有频率发放脉冲，当心脏自搏心率超过起搏器脉冲频率，将自动感知并抑制起搏器脉冲发放。一旦自搏心率低于起搏器的固有频率，即心室电极感知不到自搏心率产生的R波，起搏器将等待预定的一段时间(逸搏间期)后，立即又按固有起搏频率发放脉冲。这种按病人需要而工作的起搏器应用最广泛。 (2) R波触发型(备用型，VVT型) 当自身心搏R波出现时，立即触发起搏器发出一个脉冲，是落在不应期内的无效脉冲。若自身心搏未发生，则起搏器脉冲起作用(备用型)。 有无效脉冲产生，功耗较大，应用少。 2021/7/20 星期二13 7.1 心脏起搏器简介7.1.4 心脏起搏的分类 3

10、P 波同步型起搏器（起搏器发放脉冲受P波控制） 心房、心室都放置电极 心房电极感知P波(心房激动) 送起搏器放大并延迟约120ms 触发起搏器发生脉冲 刺激心室(心室电极) 对有房室传导阻滞患者，相当于一条人造房室传导通路。不能用于窦房结综合症患者。电路复杂，使用不方便。 P波抑制型（AAI型） 单极电极置于心房，兼有起搏与感知功能，常称为心房按需型起搏器。可保持房室顺序收缩。仅适用于房室传导功能正常的病窦患者。2021/7/20 星期二14 7.1 心脏起搏器简介7.1.4 心脏起搏的分类 4 房室顺序型起搏器 心房、心室各放置一个电极 每次先发放一个心房起搏脉冲 经适当延迟 再发放一个心室

11、起搏脉冲(保持房室激动生理顺序) 如有自身心脏活动，其QRS波将抑制后一脉冲发放 5 双灶按需型起搏器 两个相关脉冲发生器，按一定时序发放起搏脉冲，使心房和心室的起搏都是按需方式工作。 2021/7/20 星期二15 7.1 心脏起搏器简介7.1.4 心脏起搏的分类 6 程序控制型起搏器 能够与体外控制装置通讯的起搏器。 按照患者病理生理需要，由医生或患者任意改变起搏参数和起搏器工作方式。 双腔(DDD)起搏器 心房和心室都放置电极。不同的心率反应为不同的起搏方式，总能保持心房和心室得到同步、顺序、协调的收缩。 自身心率慢于起搏器低限频率房室顺序起搏(DVI) 自身心房(P)频率超过起搏器低限

12、频率（房室传导功能障碍） 感知P波触发心室起搏(VDD) 自身心房(P)频率过缓（房室传导功能是好的） 起搏心房，并下传心室 (AAI)2021/7/20 星期二16 7.1 心脏起搏器简介7.1.4 心脏起搏的分类 频率自适应(R)起搏器 起搏器频率能自动适应肌体对心排血量(需氧量)的要求。研究使用的代谢感受器有10余种，体动型、每分钟通气量型两种得到应用。 例： VVIR型（心室按需自适应型） AAIR型（心房按需自适应型） DDDR型（双腔自适应型）2021/7/20 星期二17 7.1 心脏起搏器简介7.1.5 心脏起搏的几个参数1 起搏频率 6090次/min 能维持心输出量最大时的

13、心率。2 起搏脉冲幅度和宽度 脉冲幅度：5V 脉冲宽度：0.51ms 起搏能量与电极形状、面积、材料及导管阻抗损耗等有关。3 感知灵敏度 R波同步型：1.52.5mV P波同步型： 0.81mV4 反拗期 同步型起搏器具有的对外界信号不敏感的时间(不应期)。 R波同步型：30050ms，防止T波或起搏脉冲后电位。 P波同步型：300500ms，防止窦性过速或干扰误触发。 2021/7/20 星期二18起搏系统的构成（起搏电路、电池、金属外壳与起搏导管电极） 一脉冲发生器（起搏电路） 将CMOS ASIC起搏芯片与电阻、电容等元件一起安装在陶瓷基片上构成混合型（Hybrid）厚膜集成电路作为起搏

14、器主体电路。感知心电活动或其他生理反应，按需自动调整起搏功能，形成和发放脉冲。体现了小型化，程控化和多功能化。 二电池 需体积小、容量大、缓慢释放能量、密封性能好及性能可靠的电池，目前普遍使用锂碘电池，起搏器使用寿命达10年以上。决定起搏器的功能寿命的因素：电池容量；电池自放电；输出阻抗；电路功效；工作的百分率：起搏电路的消耗比感知电路大得多；输出程控；持续的电池消耗。 7.2 固定型和R波抑制型心脏起搏器2021/7/20 星期二19起搏系统的构成（起搏电路、电池、金属外壳与起搏导管电极） 三电极导线 电极接触心脏经导线与起搏器连接。用生物相容性好、韧性好、抗老化、耐腐蚀的材料制成。电极通常

15、采用爱尔近合金(Elgiloy) 或用镍铬钴钼合金制成，且含多孔，其优点是：纤维组织长入电极空隙可增加固定性。电极感知的有效面积较大。有的电极顶端有激素缓释放装置，电极头的材料以表面活化各向同性低温热解碳或铂为优。 导线的金属材料要求电阻率小，强度高，一般用抗折强度较高的不锈钢。 导线绝缘层有高纯硅橡胶和医用聚氨酯两种，两者生物相容性均好，但前者较粗且脆弱，后者较细而坚固，但易老化。 四起搏器外壳 金属钛生物相容性好，毫无锈蚀。采用钛材料拉伸成型，各部以较大圆弧连接，采用激光焊接封装。 7.2 固定型和R波抑制型心脏起搏器2021/7/20 星期二20ASIC设计Application Spe

16、cific Integrated Circuits全定制ASIC芯片（掩膜ASIC） 定义芯片上所有晶体管的几何图形和工艺规则，将设计结果交由IC厂家掩膜制造完成。优点：芯片可获得最优性能，即面积利用率高、速度快、功耗低。缺点是：开发周期长，费用高，只适合大批量产品开发。半定制ASIC芯片 约束性设计方法：门阵列设计法和标准单元设计法，主要目的是简化设计，以牺牲芯片性能为代价来缩短开发时间。可编程ASIC芯片（可编程逻辑器件） 自七十年代以来，经历了PAL、GAL、CPLD、FPGA几个发展阶段，高密度CPLD/FPGA已达200万门/片，集成度高、应用产方便，特别适合于样品研制或小批量产品开

17、发，可以很容易转由掩膜ASIC实现，开发风险低。2021/7/20 星期二217.2.1 一种固定型心脏起搏器电路分析多谐振荡器单稳态电路输出电路R2、C1决定频率 R3决定脉宽 复合管射随输出功率放大、Ri高 Ro低 7.2 固定型和R波抑制型心脏起搏器2021/7/20 星期二22 7.2 固定型和R波抑制型心脏起搏器7.2.2 R 波抑制型心脏起搏器的一般结构原理1 感知放大器 选择性放大R波，辨认心脏自身搏动，推动按需功能控制器 要求：双向感知、放大8001000倍、频宽1050Hz、 工作电流3mA、稳定、可靠、抗干扰能力强2 按需功能控制器 为起搏器提供稳定的反拗期，还可克服“竞争

18、心律”的危险 感知R波后，控制器在反拗期内抑制脉冲发放3 脉冲发生器（受控于按需控制电路） 要求：频率30120Hz、脉宽1.11.5ms可调、幅度可调、 易起振、稳定、可靠2021/7/20 星期二23 7.2 固定型和R波抑制型心脏起搏器7.2.3 QDX2型体外心脏起搏器的电路分析 R波按需抑制型（VVI） 1 各单元电路分析 感知放大器 按需功能控制电路 脉冲发生器 2 按需功能的实现 患者的自主心率低于起搏频率时的情况 自主心率不齐 自主心率完全高于起搏频率的情况2021/7/20 星期二24 感知放大器 按需功能控制电路 脉冲发生器R波输入 微分作用放大正脉冲限制T波、P波互补型单

19、稳态触发器形成反拗期VT6开关控制脉冲发生互补式张弛振荡器锯齿波电路产生起搏脉冲2021/7/20 星期二252021/7/20 星期二26自主心率 t1 t2 起搏器固有输出单稳输出 t3 反拗期C7锯齿波发放起搏脉冲起搏后心律QRS波前均有起搏脉冲自主心率低于起搏频率2021/7/20 星期二27自主心率不齐 t1 t2 (发放)自主心率不齐2021/7/20 星期二28t1 50Hz，按需功能控制器不工作，起搏器为固定式 2 按需功能控制器 3 脉冲发生器和输出脉冲倍压电路 4 最高起搏频率限制电路 5 能量补偿电路和去颤保护电路 2021/7/20 星期二31感知放大器 单稳(按需控制

20、)去颤保护 抗干扰转换网络2021/7/20 星期二32 单稳tu 脉冲发生器 脉冲倍压电路 控制门、锯齿波、振荡器 能量补偿电路 最高起搏频率限制 输出脉冲2021/7/20 星期二332021/7/20 星期二34感知R波微分，成为双向波只放大正极性脉冲经抗干扰转换后单稳（按需功能控制）最高起搏频率限制2021/7/20 星期二352021/7/20 星期二367.3.1 心脏起搏器的能源 1 锌汞电池 2 锂电池 锂碘电池（主要使用） 锂亚硫酰氯电池 锂铬酸银电池 锂碘化铅电池 3 核素电池 4 “生物燃料”电池 7.3 心脏起搏器的能源和电极2021/7/20 星期二37 7.3 心脏

21、起搏器的能源和电极7.3.2 心脏起搏器的电极1 导线（起搏导管）和电极的作用 2 电极类型 按安置和用途分： 心内膜电极 心外膜电极 心肌电极 按心内膜使用的电极分： 单极心内膜电极 双极心内膜电极 3 电极的结构及现状 2021/7/20 星期二387.4.1 心脏除颤器的作用电击除颤(电复律术)用较强的脉冲电流消除心律失常， 使之恢复窦性心律的方法。除颤器 Defibrillator用于心脏电击除颤的设备。电击复律作用于心脏的是一次瞬时高能脉冲： 持续时间：410ms 电能：40400Ws(J) 严重快速心律失常(心房扑动、心房纤颤、室性心动过速)，造成血液动力障碍。采用除颤器消除心律紊

22、乱、恢复心律正常，使患者得到抢救和治疗。电击复律 时间短暂、安全性高、疗效确切、随时可采用 7.4 心脏除颤器的一般介绍2021/7/20 星期二397.4.2 心脏除颤器的一般原理 一般方法：RLC阻尼放电 心脏急救设备：心脏起搏器、心脏除颤器 监视器、记录仪7.4.3 心脏除颤器的类型 按是否与R波同步分：非同步型除颤器 同步型除颤器 按电极放置位置分：体内除颤器 体外除颤器 7.4 心脏除颤器的一般介绍2021/7/20 星期二40 7.4 心脏除颤器的一般介绍7.4.4 心脏除颤器的主要性能指标1 最大储能值 除颤器电击前，储能电容储能值400Ws2 释放电能量 实际向病人释放的电能量，以等效患者电阻50 计3 释放效率 释放电能与储存电能之比。50804 最大储能时间 储能电容充电到最大储能值所需时间。1015s5 最大释放电压 以最大储能值释放能量时，负荷上的最高电压。 安全要求：100 电阻负荷上最高电压5000V2021/7/20 星