第2章--心脏起搏器课件.ppt

第2章 心脏起搏器,1,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,http:/,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2.15 几种电极头,第二章 心脏起搏器,54,2.4 起搏器的评价：植入随访步骤,2.4.1 植入 评价程序：植入前：对起搏器的性能确定。植入中：对电极置放的电学评价。离开前：起搏器的整个系统的功能的认可等。一、起搏器的测试 起搏系统分析仪：测量刺激阈值心内信号、起搏器系统性质。,第二章 心脏起搏器,55,2.4.1 植入,二、起搏器程序装置 作用：证实程序控制起搏器的工作是否正常。导联(导管)位置测试：确保电极与有活力的心肌接触。阈和心电图的典型数值如下表2.3所示,第二章 心脏起搏器,56,2.4.1 植入,用常规电子设备测量：（但是由于需要电气绝缘，故使用时很不方便）示波器：电池供电，最好有存储装置。用于显示心房和心室的心腔内心电图。示波照相机：直接装在示波器的前板上，以获取永久性记录。心电图记录仪：用于取得永久性心腔内心电图。因为受频响限制，大多数心电图记录仪记录的信号 振幅，要比见之于示波器上的减少2050%。,第二章 心脏起搏器,57,2.4.1 植入,三、系统的有效性测试 目的：鉴定起搏器与导联完整性，确保正常运行。时机：导联与起搏器连接后，覆盖起搏器皮肤缝合之前。测试仪器：起搏器程序控制器：调整起搏器参数（对患者最有利），肯定该系统对程序控制起反应。心电图记录仪：证实合理的起搏、感受、俘获的期间。磁试验：如果患者的固有节律抑制了起搏器时，则有必要在脉 冲发生器上安放一块永久性磁铁。,第二章 心脏起搏器,58,2.4.2 随访,多数起搏器通过脉率和脉冲宽度能预报电源耗用情况。一般，当电压下降约25%时，电能减少约10%。另外，许多起搏器，脉冲宽度出现进行性增加可作为电源衰竭的第二个指标。一些起搏器中还包括遥感装置，可将起搏器的各种现实参数与植入时起搏器参数对比，以发现功能异常，或由于程序改编使参数发生的异常变化。及时参阅说明书和植入过程中记录的数据是很重要的，可以防止延误和对数据误解。,