電療與電刺激儀器

關于電療與電刺激儀器第八章電療與電刺激儀器

人類對抗疾病的過程分為四個階段，即：預防、診斷、治療及健康。其中治療除了藥物治療和手術治療外，各種新的物理治療方法及相應的儀器現(xiàn)正發(fā)揮著日益重要的作用。物理治療(簡稱理療)就是利用熱、光(包括輻射)、電、磁、聲、機械等物理能量作用于人體，達到治療疾病或緩解病痛的目的。理療在我國有著悠久的歷史。中醫(yī)中的針炙、按摩、拔火罐、熱療、磁療等治療方法至今仍在使用?，F(xiàn)代理療技術，是伴隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展而興起的，不僅出現(xiàn)了利用靜電、交直流電、微波、射頻電磁波、激光、紅外、紫外、超聲波、高能粒子等效應的新型物理治療手段和方法，而且給傳統(tǒng)的理療方法注入了現(xiàn)代科學技術的新內容。本章主要介紹利用電能量的治療用電子儀器。第2頁,共52頁，2024年2月25日，星期天8.1基礎知識按電流頻率分類項目范圍主要應用低頻0-2000Hz間動電療法、超刺激電療法、電興奮療法、短波電療法、經皮神經電刺激鎮(zhèn)痛療法、神經肌肉電刺激（電體操）療法中頻1-100kHz干擾電療法、正弦調制中頻電療法、音頻電療法高頻＞100kHz共鳴火花療法、中波電療法、短波電療法、超短波電療法、分米波電療法、微波療法按電壓分類低壓＜100V直流電療法、感應電療法、中波電療法、電體操療法、間動電流電療法、干擾電流電療法、音頻電流電療法、正弦調制中頻電療法高壓＞100V共鳴火花療法、中波電療法、短波電療法、超短波電療法、脈沖短波電療法、脈沖超短波電療法、高壓靜電電療法按電流強度分類低電流強度1-30mA間動電療法、超刺激電療法、電興奮療法、短波電療法、經皮神經電刺激鎮(zhèn)痛療法、神經肌肉電刺激（電體操）療法中電流強度31-100mA干擾電療法、正弦調制中頻電療法、音頻電療法高電流強度101-3000mA共鳴火花療法、中波電療法、短波電療法、超短波電療法、分米波電療法、微波療法直流電療與離子導入儀器中、低頻電療儀器高頻與輻射電療儀器功能電刺激儀器第3頁,共52頁，2024年2月25日，星期天8.2低頻電刺激治療儀

電刺激治療儀利用低頻率、小電流及低電壓的脈沖電流來治療某些類型的疾病。常用的低頻電流波形有三角波、方波(單向脈沖)、梯形波、正弦波、雙向非對稱脈沖和雙向對稱脈沖。最常用的是雙向對稱或不對稱脈沖。雙向脈沖方向正負變化，在電極處無電解作用。低頻脈沖電流具有興奮神經肌肉組織、促進局部血液循環(huán)、鎮(zhèn)痛和消炎等多種生理作用，在臨床理療上用來治療周圍神經麻痹、肌肉萎縮、關節(jié)腫痛、肩周炎、偏癱、肌肉勞損、軟組織損傷、神經痛等疾病。第4頁,共52頁，2024年2月25日，星期天電刺激類型（1）表面刺激（功能性刺激）

廣泛用于神經和肌肉的醫(yī)療康復（2）經皮刺激

可用于短期或長期的刺激需要，但不是永久性的（3）植入式刺激

刺激器的三個部分都永久性植入體內第5頁,共52頁，2024年2月25日，星期天電刺激參數

功能性電刺激中典型的刺激波形是方波序列，其三個參數（頻率、幅度和脈寬）對肌肉收縮都有影響。刺激頻率應盡可能小，以防止肌肉疲勞并節(jié)約能量。決定刺激頻率的主要因素是肌肉的融合頻率（即獲得平滑肌響應的頻率），可以小到12～14Hz，大到50Hz；調節(jié)肌肉力量的常規(guī)方法是保持頻率和脈寬不變，改變刺激脈沖的幅度。

植入式刺激器和電極中刺激參數主要取決于植入位置。電極放置于目標神經上或其周圍時，刺激幅度約為幾毫安或更小。肌肉力量控制中，植入式刺激器依賴脈寬調制和幅度調制。第6頁,共52頁，2024年2月25日，星期天

上圖是一種電刺激治療儀的電路原理框圖，由單片機、D/A轉換器、可編程定時器、刺激脈沖合成、功率放大器、脈沖變壓器、刺激電流檢測及數碼顯示、過載保護等部分組成。第7頁,共52頁，2024年2月25日，星期天D/A轉換器用來控制刺激脈沖的幅度，即微機向D/A轉換器輸出一個數字量，由D/A轉換為與某數字量成正比的模擬電壓，此模擬電壓的大小就決定了刺激脈沖的幅度。可編程定時器通過編程產生的脈沖決定刺激脈沖的頻率和寬度。刺激脈沖合成電路將上述信號合成為一定幅度的雙向脈沖送功率放大器。在刺激器的輸出級采用脈沖變壓器，一方面起升壓作用，另一方面起人體安全隔離作用。變壓器輸出端，接有高頻濾波器，以防止上電和關電時對病人可能產生的電沖擊。電流檢測電路的用途是檢測輸出刺激電流的大小，以進行恒流輸出反饋控制以及微機實時顯示刺激電流的實際大小。另一目的是過載保護。第8頁,共52頁，2024年2月25日，星期天第9頁,共52頁，2024年2月25日，星期天8.3人工心臟起搏器(cardiacpacemaker)

替代或補充正常激勵和控制心臟收縮的生理電子系統(tǒng)，它通過周期性發(fā)送的電脈沖刺激心臟，引起心搏。第10頁,共52頁，2024年2月25日，星期天心臟起搏器第11頁,共52頁，2024年2月25日，星期天一、心臟起搏器發(fā)展

1932年Hyman創(chuàng)制一臺用針刺入心臟起搏的重達7.2公斤的儀器，命名為人工心臟起搏器以來，這個名稱一直沿用至今。1952年，Zoll創(chuàng)造用脈沖電流經胸壁刺激起搏的方法，挽救了32名房室傳導阻滯患者的生命。1958年，F(xiàn)urmam開創(chuàng)心內膜電極起搏技術，同年，由西門子公司安裝了世界第一個埋藏式起搏器(固定頻率型)，并成功起搏心臟，從此人工心臟起搏技術進入成熟期，并得到迅速發(fā)展。

第12頁,共52頁，2024年2月25日，星期天70年代以來又出現(xiàn)了心房心室順序起博的心臟起搏器，更符合血液動力學及人體生理要求。之后又出現(xiàn)了植入人體后能被程控儀根據病人不同需求而改變不同工作參數的起搏器。隨著臨床醫(yī)學及電子醫(yī)學的發(fā)展，80年代后期起搏工業(yè)有了突飛猛進的發(fā)展。現(xiàn)代的起搏器已經具備能根據病人活動情況自動調節(jié)起搏頻率；根據病人起搏閾值自動調節(jié)能量輸出；起搏器與程控器實現(xiàn)了雙向實施遙測，起搏器不但起到起搏心臟的功能，還可以記錄心臟的活動情況，供醫(yī)生診斷疾病和根據具體情況調整起搏參數時作參考。第13頁,共52頁，2024年2月25日，星期天二、心臟起搏器的技術指標1、基本參數1）起搏頻率心臟起搏器發(fā)放刺激脈沖的基本頻率是根據正常人的心率確定的。通常起搏頻率額定值選擇為72次／分，允許存在土4次／分的誤差。2）刺激脈沖寬度、幅度刺激脈沖寬度為單個起搏脈沖電流持續(xù)的時間，以ms為單位；脈沖幅度以V為單位。心臟起搏器較多應用的脈沖幅度為5V，脈沖寬度為0.5ms。第14頁,共52頁，2024年2月25日，星期天3）靈敏度起搏器對QRS波或P波的感知靈敏度是起搏感知電路能夠探測到的心臟電極特征電位的最小值。靈敏度低，則不能感知或感知不全，但靈敏度過高，則導致誤感知或對電磁干擾敏感。一般心臟內心電的QRS波幅值范圍是5mV-15mV，少數患者僅有3mV一5mV，由予電極導聯(lián)線傳遞路徑的電壓衰減，實際到達起搏器輸入端的QRS波幅值為2mV一3mV。因此R波同步型起搏器的靈敏度一般選取1.5mv-2.5mV，以保證對95％以上的患者能夠適用。P波靈敏度一般選擇為0.8mV-1mV。4）反拗期在各同步型起搏器電路中，有一個對外界信號不敏感的時間，這個時間相當于心臟的不應期稱為反拗期。

第15頁,共52頁，2024年2月25日，星期天2、干擾轉換頻率為防止因各種電磁干擾使起搏器誤感知，起搏器設計成在干擾嚴重時起搏器轉換為固定頻率式。3、逸搏間期心臟的期前收縮形成早搏，是由心臟的異位節(jié)律點產生的。在一次早搏之后到下一個正常心搏出現(xiàn)的時間間隔稱為逸博間期。心臟起搏器亦使用逸博間期這一名稱，將起搏感知自身心搏到隨后出現(xiàn)的起搏脈沖的時間間隔，稱為起搏器的逸博間期。4、能量補償當埋藏式起博器的電源接近耗盡而電壓下降時，起搏脈沖的幅度也隨即變小，為防止起搏失誤，要求起搏器電路設計能在電源電壓降低時，刺激脈沖的寬度相應增寬，以便補償因幅度下降而減少的能量。第16頁,共52頁，2024年2月25日，星期天三、起搏器類型1、固定型起搏器刺激強度和頻率都是固定的，產生的刺激脈沖與心臟自身的節(jié)律無關。它只能發(fā)出起搏脈沖，而無感知功能。這種起搏器僅適用于完全性房室傳導阻滯或永久性竇性緩。缺點：當心臟出現(xiàn)自身搏動時，起搏器成為多余的額外刺激。如果電脈沖落于易激期，則自身節(jié)律和起搏節(jié)律之間發(fā)生競爭心律，從而誘發(fā)心室纖顫或室性心動過速而危及病員安全，因此在臨床應用上受到一定的限制。第17頁,共52頁，2024年2月25日，星期天2、R波同步型起搏器起搏器發(fā)放脈沖受R波控制，達到一同步作用。（1）R波觸發(fā)型（備用型）（2）R波抑制型（按需型）第18頁,共52頁，2024年2月25日，星期天R波抑制型心臟起搏器電路第19頁,共52頁，2024年2月25日，星期天自主心率低于起搏心率

起搏器發(fā)放第一個刺激脈沖，如圖（e）所示；與此同時，此起搏脈沖刺激心肌，心臟被起搏，起搏后的心律如圖（f）所示；與此同時，此起搏脈沖經C10耦合，通過感知放大器觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路工作，輸出波形如圖（c）所示。在t3（即反拗期）這段時間里，起搏器對任何信號均不起反應，即不感知。

t3過后，t4恢復為截止狀態(tài)，R8上壓降恢復為低電平，VT6截止，鋸齒波電路開始工作，C7開始充電，其波形如圖（d）所示。當C7上電壓上升到使VT7導通時，由于患者自搏周期t1大于起搏器的周期t2，患者還沒自搏。第20頁,共52頁，2024年2月25日，星期天自主心率有時高于起搏心率

患者自身的第一心動周期t1低于起搏周期t2，而患者自身的第二起搏周期t1’大于起搏周期t2

。開始時，起搏器發(fā)放第一個起搏脈沖，心臟起搏，由于患者的第一心動周期t1低于起搏器的周期t2，故經過t1時后，鋸齒波還未上升到VT7的導通電平U，患者自身心動又開始一個新的周期，即患者的自搏，此自搏的R波經感放大器觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路工作。在反拗期里，VT6導通，使C7迅速放電，從而抑制起搏器的第二脈沖。第21頁,共52頁，2024年2月25日，星期天自主心率完全高于起搏頻率

患者的心動周期t1、t1’等均低于起搏器固有周期t2。此時患者自身心臟搏動，自搏的R波經感知放大器觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路，抑制第一起搏脈沖發(fā)放。經反拗期t3后，C7上電位上升，經過一段時間，C7上電位還未上升到使VT7的導通電平U，患者自身心動又開始一個新的周期，發(fā)生第二次自搏，單穩(wěn)態(tài)第二次觸發(fā)，使VT6導通，C7迅速放電，抑制了起搏器的第二脈沖。第22頁,共52頁，2024年2月25日，星期天3、P波同步起搏器起搏器在心房安置一感知電極，在心室安置起搏電極，當心房電極感知P波之后，脈沖發(fā)生器向心室發(fā)出延遲120ms的刺激脈沖，因此心室率隨心房率而改變，從而恢復了心臟的調節(jié)功能。由此可知，P波同步型起搏器模擬了心臟的話動過程。缺點：由于P波幅度小，頻譜基波頻率低，所以對感知放大器的要求較高，電路相對比較復雜，心房電極定位也較難。第23頁,共52頁，2024年2月25日，星期天4、房室順序按需型和全自動型起搏器

每次刺激先發(fā)放一個脈沖，刺激心房起搏，經過延遲一段時間后再發(fā)放一個脈沖刺激心室起搏，以保持房室激動的生理順序。如有自身心臟活動，則QRS波將抑制后一脈沖的發(fā)放。缺點：性能不夠完善，且心房、心室各要安裝一個電極。自動型可根據心臟的工作情況自動選擇和更換發(fā)放脈沖刺激心臟的方式。核心部分是兩個相關的脈沖發(fā)生器先后按一定時序發(fā)放起搏脈沖，心房起搏脈沖和心室起搏脈沖使房室應激而同步收縮。第24頁,共52頁，2024年2月25日，星期天5、程序控制型起搏器由兩部分組成：體內部分在一般埋藏式起搏器基礎上增加數字電路、存儲電路等；體外部分由控制裝置和電磁鐵組成，控制部分可以按照患者病理的需要由醫(yī)生或患者任意改變起搏參數和起搏器的工作方式，并發(fā)出編碼的磁脈沖，通過電磁鐵產生的磁場傳給體內部分。第25頁,共52頁，2024年2月25日，星期天NBG起搏器代碼（1987）數字12345類型起搏心腔感知心腔感知后反應方式程控/頻率反應抗心動過速代用字母0－無A－心房V－心室D－雙腔（A＋V）0－無A－心房V－心室D－雙腔（A＋V）0－無I－抑制T－觸發(fā)D－雙重（I＋T）0－無P－單項M－多項C－遙測R－頻率反應0－無P－快速起搏S－電擊D－雙腔（P＋S）第26頁,共52頁，2024年2月25日，星期天起搏電極與導線1.起搏電極類型及性能評價起搏電極由鉑－銥合金、愛而近（Elgiloy）合金、鈦等組成，具備刺激和感知功能，有良好的電性能。心外膜一般用盤狀電極縫于心外膜臟層，不易脫落或心肌穿孔，但需開胸手術。病人負擔大，后期閾值高。心肌容易固定，閾值較低，但需開胸。心內膜可分為單極、雙極和多極。前者用于永久起搏，后者用于臨時起搏。電極頭造型的不斷改進及多樣化，目的是有利于固定和降低起搏閾值。第27頁,共52頁，2024年2月25日，星期天2.導線

更換起搏器時，都希望繼續(xù)使用原來的電極導線，避免再插入新的電極導線，增加心臟內導線數量。a.聚乙烯材料b.硅橡膠c.聚胺脂電源（1）鋅－汞電池（2）可充電的鎳鎘電池（3）鋰電池（4）核電池（5）生物電池第28頁,共52頁，2024年2月25日，星期天

隨著電子技術的飛速發(fā)展，人工心臟起搏領域的新技術不斷涌現(xiàn)，人工心臟起搏的適應證也不斷拓寬。雙心房起搏適宜于伴有房內阻滯的陣發(fā)快速房性心律失?；颊撸芷鸬街委熀蜏p少房性心律失常發(fā)作的效果。雙心室起搏應用于充血性心力衰竭伴有室內阻滯的患者，通過置入冠狀靜脈竇電極至血管分叉處來實現(xiàn)左室起搏。目前，多部位心臟起搏方式在國內剛剛起步，其遠期療效和預后以及并發(fā)癥等尚需進一步觀察和研究。臨床上應嚴格掌握適應證。新型的可感知情緒變化的閉環(huán)頻率反應起搏器具有感知體力和情緒變化而自動進行頻率調節(jié)的功能，是更能滿足生理的頻率反應起搏器。第29頁,共52頁，2024年2月25日，星期天

對心臟起搏器的質量要求是極高的，要求其工作要極端地可靠。其中關鍵的技術問題一是材料問題，它的電極、導線及外殼材料不能與肌肉組織發(fā)生有害化學反應；電池壽命問題，電池壽命也就是起搏器的壽命，一定要長壽命?，F(xiàn)在使用鋰電池，壽命可達8~10年；體積盡可能要小，可使用大規(guī)模集成電路以縮小體積，現(xiàn)在其厚度可達10～16mm，重量僅40～60克；控制技術，一般采用微處理器，進行按需式程序控制。第30頁,共52頁，2024年2月25日，星期天8.3除顫器（Defibrillators）

心臟除顫器是一種能將脈沖電流輸入心臟，以消除心臟顫動，使之恢復竇性心律的近代醫(yī)療電子儀器。當心肌因種種原因不能同步收縮而代之以蠕動樣顫動時，心臟的泵血功能就完全喪失，分心房纖維性顫動和心室纖維性顫動，簡稱房顫和室顫，特別是發(fā)生室顫時非常危險，不及時搶救就會死亡。而一種有效的搶救方法就是對心臟進行電除顫(defibrillation)。心臟起搏器與心臟除顫器的區(qū)別：

前者通過產生一定頻率、幅度和寬度的電脈沖刺激心臟，使有起搏功能障礙的或心房傳導疾病的心臟按一定頻率應激收縮。一般頻率為60～90次/分，幅度5V，寬度0.5～1mm，能量幾J。后者產生作用于心臟一瞬間高能脈沖使所有的心肌細胞同時去極化，然后同時進入不應期，從而促使顫動的心肌恢復同步收縮狀態(tài)，使心肌恢復正常。持續(xù)時間4～10ms，電能在40～400J。第31頁,共52頁，2024年2月25日，星期天第32頁,共52頁，2024年2月25日，星期天

心臟除顫器的原理是利用LC電路進行高壓直流充放電。高壓發(fā)生器能將+l5V的低電壓轉變?yōu)?.5kV~6kV的直流高壓。經過高壓繼電器K的常閉觸頭向高壓電容器C充電。對病人除顫時，一個電極放在胸前胸骨部位，另一個放在胸前心尖部位，醫(yī)生按下放電按鈕，高壓繼電器K動作，使放電的一對觸頭閉合，電容C中的電荷迅速通過電感線圈L和兩個電極在人的心臟區(qū)域作短時間的放電，給心臟一個大電流刺激。這樣，往往可以糾正室顫，使心臟恢復正常跳動。

第33頁,共52頁，2024年2月25日，星期天

除顫器的電源用交流電或直流電(鎳鎘蓄電池)。高壓發(fā)生器將交流電整流濾波后所得的+l5V直流電或蓄電池的+l5V直流電通過DC/DC(直流/直流)變換電路變成直流高電壓，即將+l5V直流電通過電子開關變?yōu)榻蛔兠}沖電壓，再通過升壓變壓器升壓，并經高壓整流后變成直流高壓，向高壓電容器C充電。因為除顫器是非常重要的搶救用儀器，所以現(xiàn)代除顫器大多是便攜式和交直流兩用的，內有鎳鎘可充電電池，平常充電或一直處于充足電狀態(tài)，以便隨時急用。

第34頁,共52頁，2024年2月25日，星期天

除顫器對人體放電是用能量(單位：焦耳)來計量的。醫(yī)生根據病情決定用多少能量并可以調節(jié)。除顫器的能量有兩種表示方法：一是電容器貯存能量，二是傳遞能量。傳遞能量是貯存能量經電路損耗后實際給人體的能量。貯存能量由下式決定：（焦耳），其中C是高壓電容器的電容值，一般取16~30μF，U是電容器的充電電壓，最大值一般為3.5kV~6.0kV。W一般最大為400焦耳。貯存能量用并聯(lián)在高壓電容器兩端的能量計來測量。傳遞能量一般為貯存能量的80%，最大為320焦耳。電容器放電時的峰值電流很大，約幾十安培，電流脈沖寬度一般在幾個ms之內。在電容器C的放電回路中串聯(lián)一個電感線圈L，其作用是為了得到一個單次的大電流脈沖，而峰值電流又受到限制而不致過大。第35頁,共52頁，2024年2月25日，星期天

現(xiàn)代除顫器上還有心電監(jiān)護儀部分，心電測量電極與除顫電極共用，心室除顫后立刻可以看到心電波形，判斷病人是否轉復。心電監(jiān)護的另一用途是使除顫脈沖的釋放與心電R波同步，以保證除顫的安全和療效。這是因為房顫的病人還有心電波形和節(jié)律，這時就不允許隨便什么時刻除顫，因為如果除顫脈沖恰好打在心電T波上（易激期），會引起心室纖顫而有致命危險，所以除顫脈沖只允許落在R波下降沿。因此，除顫脈沖在心電監(jiān)護電路檢測到R波的下降沿時才立刻釋放，這稱為R波同步除顫。第36頁,共52頁，2024年2月25日，星期天8.4高頻電刀

高頻電刀(High-FrequencyElectrotome)是一種新型的取代機械手術刀進行組織切割的電外科器械。它通過電極(電刀筆和敷肌板)將高頻電流送入人體，在電刀筆下的局部組織中形成高密度電流，從而使局部產生高熱而達到切割和凝結兩種電外科效果。使用高頻電刀切口小，可以減少流血甚至做到不流血，目前已得到廣泛應用。第37頁,共52頁，2024年2月25日，星期天第38頁,共52頁，2024年2月25日，星期天

高頻電刀由主機和電極(電刀筆、敷肌板)兩部分組成。主機由振蕩器、調制器、功率放大、單片機控制等電路組成。振蕩器頻率一般采用500KHz正弦波，調制頻率采用25KHz方波，有25%~50%的占空比。功率放大器采用VMOS場效應功率管，電切(純切)時輸出開路電壓要求為3000V，最大輸出功率300W，電凝時輸出開路電壓要求為7000V，最大輸出功率120W。單片機控制輸出功率的大小，并有按鍵選擇及數碼管顯示輸出功率的大小，而且還有安全保護功能。

第39頁,共52頁，2024年2月25日，星期天（1）電凝射頻頻率：250kHz～2.0MHz調制（波簇）：120/s左右輸出電壓（開路）：300～2000V輸出功率（500Ω）：80～200W（2）電切射頻頻率：500kHz～2.5MHz調制（波簇）：直接輸出或經調幅處理輸出電壓（開路）：9000V左右輸出功率（500Ω）：100～750W第40頁,共52頁，2024年2月25日，星期天

現(xiàn)代高頻電刀在電刀筆頭處通以氬氣，以獲得特殊的凝血效果，這類儀器叫氬氣高頻電刀。高頻電刀具有電切(純切、混切)、電灼、電凝(單極電凝、雙極電凝)等功能。根據不同的手術需要，設定不同的輸出功率。適用于普通外科、心臟外科、泌尿外科、婦科等手術。

第41頁,共52頁，2024年2月25日，星期天8.5激光治療儀激光的生物效應（1）熱效應（2）光化效應（3）壓強效應（4）電磁場效應（5）生物刺激效應第42頁,共52頁，2024年2月25日，星期天激光的醫(yī)學應用1.診斷：激光透射、光譜分析、激光分光光度計、激光干涉儀、激光多普勒、激光顯微鏡、光譜圖像分析2.治療激光手術刀、激光碎石器、生物體用激光焊接器/刺激器、殺菌用3.其他人工光合作用、酶的激活、細胞增殖激活第43頁,共52頁，2024年2月25日，星期天8.6微波治療儀微波的生物效應（1）致熱效應（2）非熱效應微波的醫(yī)學應用（1）診斷和治療腫瘤（2）調節(jié)自主神經系統(tǒng)的功能（3）加強垂體－腎上腺系統(tǒng)的功能，提高機體的防衛(wèi)和適應能力第44頁,共52頁，2024年2月25日，星期天8.7超聲治療儀超聲手術1、強功率聚焦手術第45頁,共52頁，2024年2月25日，星期天超聲手術2、超聲手術刀和超聲骨鋸第46頁,共52頁