生物医学测量与仪器课件7.ppt

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1、医学仪器,第七章 治疗和恢复装置,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。物理治疗(简称理疗)就是利用热、光(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、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

2、。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。,7.1 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(单向脉冲)、梯形波、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对称脉冲。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、关节肿痛、肩周炎、偏瘫、肌肉劳损、软组织损伤、神经痛等疾病。,电刺激类型（1）表面刺激（功

3、能性刺激）广泛用于神经和肌肉的医疗康复（2）经皮刺激 可用于短期或长期的刺激需要，但不是永久性的（3）植入式刺激 刺激器的三个部分都永久性植入体内,电刺激参数 功能性电刺激中典型的刺激波形是方波序列，其三个参数（频率、幅度和脉宽）对肌肉收缩都有影响。刺激频率应尽可能小，以防止肌肉疲劳并节约能量。决定刺激频率的主要因素是肌肉的融合频率（即获得平滑肌响应的频率），可以小到1214Hz，大到50Hz；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。植入式刺激器和电极中刺激参数主要取决于植入位置。电极放置于目标神经上或其周围时，刺激幅度约为几毫安或更小。肌肉力量控制中，植入式刺激器依赖

4、脉宽调制和幅度调制。,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。,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。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。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。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。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

5、冲击。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。另一目的是过载保护。,7.2 人工心脏起搏器(cardiac pacemaker),替代或补充正常激励和控制心脏收缩的生理电子系统，它通过周期性发送的电脉冲刺激心脏，引起心搏。,心脏起搏器,一、心脏起搏器发展 1932年Hyman创制一台用针刺入心脏起搏的重达7.2公斤的仪器，命名为人工心脏起搏器以来，这个名称一直沿用至今。1952年，Zoll创造用脉冲电流经胸壁刺激起搏的方法，挽救了32名房室传导阻滞患者的生命。1958年，Furmam开创心内膜电极起搏技术，同年，由西门子公司安装了世

6、界第一个埋藏式起搏器(固定频率型)，并成功起搏心脏，从此人工心脏起搏技术进入成熟期，并得到迅速发展。,70年代以来又出现了心房心室顺序起博的心脏起搏器，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，80年代后期起搏工业有了突飞猛进的发展。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起搏参数时作参考。,二、心脏起搏器的技术指标1、基本参数

7、1）起搏频率 心脏起搏器发放刺激脉冲的基本频率是根据正常人的心率确定的。通常起搏频率额定值选择为72次分，允许存在土4次分的误差。2）刺激脉冲宽度、幅度 刺激脉冲宽度为单个起搏脉冲电流持续的时间，以ms为单位；脉冲幅度以V为单位。心脏起搏器较多应用的脉冲幅度为5V，脉冲宽度为0.5ms。,3）灵敏度 起搏器对QRS波或P波的感知灵敏度是起搏感知电路能够探测到的心脏电极特征电位的最小值。灵敏度低，则不能感知或感知不全，但灵敏度过高，则导致误感知或对电磁干扰敏感。一般心脏内心电的QRS波幅值范围是5mV-15mV，少数患者仅有3mV一5mV，由予电极导联线传递路径的电压衰减，实际到达起搏器输入端的

8、QRS波幅值为2mV一3mV。因此R波同步型起搏器的灵敏度一般选取1.5mv-2.5mV，以保证对95以上的患者能够适用。P波灵敏度一般选择为0.8mV-1mV。4）反拗期 在各同步型起搏器电路中，有一个对外界信号不敏感的时间，这个时间相当于心脏的不应期称为反拗期。,2、干扰转换频率 为防止因各种电磁干扰使起搏器误感知，起搏器设计成在干扰严重时起搏器转换为固定频率式。3、逸搏间期 心脏的期前收缩形成早搏，是由心脏的异位节律点产生的。在一次早搏之后到下一个正常心搏出现的时间间隔称为逸博间期。心脏起搏器亦使用逸博间期这一名称，将起搏感知自身心搏到随后出现的起搏脉冲的时间间隔，称为起搏器的逸博间期。

9、4、能量补偿 当埋藏式起博器的电源接近耗尽而电压下降时，起搏脉冲的幅度也随即变小，为防止起搏失误，要求起搏器电路设计能在电源电压降低时，刺激脉冲的宽度相应增宽，以便补偿因幅度下降而减少的能量。,三、起搏器类型1、固定型起搏器 刺激强度和频率都是固定的，产生的刺激脉冲与心脏自身的节律无关。它只能发出起搏脉冲，而无感知功能。这种起搏器仅适用于完全性房室传导阻滞或永久性窦性缓。缺点：当心脏出现自身搏动时，起搏器成为多余的额外刺激。如果电脉冲落于易激期，则自身节律和起搏节律之间发生竞争心律，从而诱发心室纤颤或室性心动过速而危及病员安全，因此在临床应用上受到一定的限制。,2、R波同步型起搏器起搏器发放脉

10、冲受R波控制，达到一同步作用。（1）R波触发型（备用型）（2）R波抑制型（按需型）,R波抑制型心脏起搏器电路,自主心率低于起搏心率,起搏器发放第一个刺激脉冲，如图（e）所示；与此同时，此起搏脉冲刺激心肌，心脏被起搏，起搏后的心律如图（f）所示；与此同时，此起搏脉冲经C10耦合，通过感知放大器触发单稳态电路工作，输出波形如图（c）所示。在t3（即反拗期）这段时间里，起搏器对任何信号均不起反应，即不感知。t3过后，t4恢复为截止状态，R8上压降恢复为低电平，VT6截止，锯齿波电路开始工作，C7开始充电，其波形如图（d）所示。当C7上电压上升到使VT7导通时，由于患者自搏周期t1大于起搏器的周期t2

11、，患者还没自搏。,自主心率有时高于起搏心率,患者自身的第一心动周期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。开始时，起搏器发放第一个起搏脉冲，心脏起搏，由于患者的第一心动周期t1低于起搏器的周期t2，故经过t1时后，锯齿波还未上升到VT7的导通电平U，患者自身心动又开始一个新的周期，即患者的自搏，此自搏的R波经感放大器触发单稳态电路工作。在反拗期里，VT6导通，使C7迅速放电，从而抑制起搏器的第二脉冲。,自主心率完全高于起搏频率,患者的心动周期t1、t1等均低于起搏器固有周期t2。此时患者自身心脏搏动，自搏的R波经感知放大器触发单稳态电路，抑制第一起搏脉冲发放。经反拗

12、期t3后，C7上电位上升，经过一段时间，C7上电位还未上升到使VT7的导通电平U，患者自身心动又开始一个新的周期，发生第二次自搏，单稳态第二次触发，使VT6导通，C7迅速放电，抑制了起搏器的第二脉冲。,3、P波同步起搏器起搏器在心房安置一感知电极，在心室安置起搏电极，当心房电极感知P波之后，脉冲发生器向心室发出延迟120ms的刺激脉冲，因此心室率随心房率而改变，从而恢复了心脏的调节功能。由此可知，P波同步型起搏器模拟了心脏的话动过程。缺点：由于P波幅度小，频谱基波频率低，所以对感知放大器的要求较高，电路相对比较复杂，心房电极定位也较难。,4、房室顺序按需型和全自动型起搏器 每次刺激先发放一个脉

13、冲，刺激心房起搏，经过延迟一段时间后再发放一个脉冲刺激心室起搏，以保持房室激动的生理顺序。如有自身心脏活动，则QRS波将抑制后一脉冲的发放。缺点：性能不够完善，且心房、心室各要安装一个电极。自动型可根据心脏的工作情况自动选择和更换发放脉冲刺激心脏的方式。核心部分是两个相关的脉冲发生器先后按一定时序发放起搏脉冲，心房起搏脉冲和心室起搏脉冲使房室应激而同步收缩。,5、程序控制型起搏器 由两部分组成：体内部分在一般埋藏式起搏器基础上增加数字电路、存储电路等；体外部分由控制装置和电磁铁组成，控制部分可以按照患者病理的需要由医生或患者任意改变起搏参数和起搏器的工作方式，并发出编码的磁脉冲，通过电磁铁产生

14、的磁场传给体内部分。,起搏电极与导线1.起搏电极类型及性能评价 起搏电极由铂铱合金、爱而近（Elgiloy）合金、钛等组成，具备刺激和感知功能，有良好的电性能。心外膜 一般用盘状电极缝于心外膜脏层，不易脱落或心肌穿孔，但需开胸手术。病人负担大，后期阈值高。心肌 容易固定，阈值较低，但需开胸。心内膜 可分为单极、双极和多极。前者用于永久起搏，后者用于临时起搏。电极头造型的不断改进及多样化，目的是有利于固定和降低起搏阈值。,2.导线 更换起搏器时，都希望继续使用原来的电极导线，避免再插入新的电极导线，增加心脏内导线数量。a.聚乙烯材料b.硅橡胶c.聚胺脂电源（1）锌汞电池（2）可充电的镍镉电池（3

15、）锂电池（4）核电池（5）生物电池,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证也不断拓宽。双心房起搏适宜于伴有房内阻滞的阵发快速房性心律失常患者，能起到治疗和减少房性心律失常发作的效果。双心室起搏应用于充血性心力衰竭伴有室内阻滞的患者，通过置入冠状静脉窦电极至血管分叉处来实现左室起搏。目前，多部位心脏起搏方式在国内刚刚起步，其远期疗效和预后以及并发症等尚需进一步观察和研究。临床上应严格掌握适应证。新型的可感知情绪变化的闭环频率反应起搏器具有感知体力和情绪变化而自动进行频率调节的功能，是更能满足生理的频率反应起搏器。,对心脏起搏器的质量要求是极高的，要求其工作

16、要极端地可靠。其中关键的技术问题一是材料问题，它的电极、导线及外壳材料不能与肌肉组织发生有害化学反应；电池寿命问题，电池寿命也就是起搏器的寿命，一定要长寿命。现在使用锂电池，寿命可达810年；体积尽可能要小，可使用大规模集成电路以缩小体积，现在其厚度可达1016mm，重量仅4060克；控制技术，一般采用微处理器，进行按需式程序控制。,7.3 除颤器（Defibrillators）,心脏除颤器是一种能将脉冲电流输入心脏，以消除心脏颤动，使之恢复窦性心律的近代医疗电子仪器。当心肌因种种原因不能同步收缩而代之以蠕动样颤动时，心脏的泵血功能就完全丧失，分心房纤维性颤动和心室纤维性颤动，简称房颤和室颤，

17、特别是发生室颤时非常危险，不及时抢救就会死亡。而一种有效的抢救方法就是对心脏进行电除颤(defibrillation)。心脏起搏器与心脏除颤器的区别：前者通过产生一定频率、幅度和宽度的电脉冲刺激心脏，使有起搏功能障碍的或心房传导疾病的心脏按一定频率应激收缩。一般频率为6090次/分，幅度5V，宽度0.51mm，能量几J。后者产生作用于心脏一瞬间高能脉冲使所有的心肌细胞同时去极化，然后同时进入不应期，从而促使颤动的心肌恢复同步收缩状态，使心肌恢复正常。持续时间410ms，电能在40400J。,心脏除颤器的原理是利用LC电路进行高压直流充放电。高压发生器能将+l5V的低电压转变为3.5kV6kV的

18、直流高压。经过高压继电器,K的常闭触头向高压电容器C充电。对病人除颤时，一个电极放在胸前胸骨部位，另一个放在胸前心尖部位，医生按下放电按钮，高压继电器K动作，使放电的一对触头闭合，电容C中的电荷迅速通过电感线圈L和两个电极在人的心脏区域作短时间的放电，给心脏一个大电流刺激。这样，往往可以纠正室颤，使心脏恢复正常跳动。,除颤器的电源用交流电或直流电(镍镉蓄电池)。高压发生器将交流电整流滤波后所得的+l5V直流电或蓄电池的+l5V直流电通过DC/DC(直流/直流)变换电路变成直流高电压，即将+l5V直流电通过电子开关变为交变脉冲电压，再通过升压变压器升压，并经高压整流后变成直流高压，向高压电容器C

19、充电。因为除颤器是非常重要的抢救用仪器，所以现代除颤器大多是便携式和交直流两用的，内有镍镉可充电电池，平常充电或一直处于充足电状态，以便随时急用。,除颤器对人体放电是用能量(单位：焦耳)来计量的。医生根据病情决定用多少能量并可以调节。除颤器的能量有两种表示方法：一是电容器贮存能量，二是传递能量。传递能量是贮存能量经电路损耗后实际给人体的能量。贮存能量由下式决定：（焦耳），其中C是高压电容器的电容值，一般取1630F，U是电容器的充电电压，最大值一般为3.5kV6.0 kV。W一般最大为400焦耳。贮存能量用并联在高压电容器两端的能量计来测量。传递能量一般为贮存能量的80%，最大为320焦耳。电

20、容器放电时的峰值电流很大，约几十安培，电流脉冲宽度一般在几个ms之内。在电容器C的放电回路中串联一个电感线圈L，其作用是为了得到一个单次的大电流脉冲，而峰值电流又受到限制而不致过大。,现代除颤器上还有心电监护仪部分，心电测量电极与除颤电极共用，心室除颤后立刻可以看到心电波形，判断病人是否转复。心电监,护的另一用途是使除颤脉冲的释放与心电R波同步，以保证除颤的安全和疗效。这是因为房颤的病人还有心电波形和节律，这时就不允许随便什么时刻除颤，因为如果除颤脉冲恰好打在心电T波上（易激期），会引起心室纤颤而有致命危险，所以除颤脉冲只允许落在R波下降沿。因此，除颤脉冲在心电监护电路检测到R波的下降沿时才立

21、刻释放，这称为R波同步除颤。,7.4 高频电刀,高频电刀(High-Frequency Electrotome)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

22、，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。,（1）电凝射频频率：250kHz2.0MHz调制（波簇）：120/s左右输出电压（开路）：3002000V输出功率（500）：80200W（2）电切射频频率：500kHz2.5MHz调制（波簇）：直接输出或经调幅处理输出电压（开路）：9000V左右输出功率（500）：100750W,现代高频电刀在电刀笔头处通以氩气，以获得特殊的凝血效果，这类仪器叫氩气高频电刀。高频电刀具有电切(

23、纯切、混切)、电灼、电凝(单极电凝、双极电凝)等功能。根据不同的手术需要，设定不同的输出功率。适用于普通外科、心脏外科、泌尿外科、妇科等手术。,7.5 激光治疗仪,激光的生物效应（1）热效应（2）光化效应（3）压强效应（4）电磁场效应（5）生物刺激效应,激光的医学应用1.诊断：激光透射、光谱分析、激光分光光度计、激光干涉仪、激光多普勒、激光显微镜、光谱图像分析2.治疗 激光手术刀、激光碎石器、生物体用激光焊接器/刺激器、杀菌用3.其他 人工光合作用、酶的激活、细胞增殖激活,7.6 微波治疗仪,微波的生物效应（1）致热效应（2）非热效应微波的医学应用（1）诊断和治疗肿瘤（2）调节自主神经系统的功

24、能（3）加强垂体肾上腺系统的功能，提高机体的防卫和适应能力,7.7 超声治疗仪,超声手术1、强功率聚焦手术,超声手术2、超声手术刀和超声骨锯,超声碎石3、硬性结石粉碎,超声治癌4、海扶刀典型代表：重庆海扶（HIFU）技术有限公司,低能量的超声波经海扶刀准确聚焦于靶组织，能量得到数千倍放大，所产生的高温效应、空化效应、机械效应和超声生化等效应，使肿瘤组织凝固性坏死，瞬态失去增殖、浸润和转移的能力，并最终被机体吸收。,点线面体组合扫描切除肿瘤,超声波可渗透组织并在组织内聚焦,超声波的生物效应与作用机制1、生物效应（1）生物大分子 用频率为0.254MHz、强度为1W/cm2的超声照射能使DNA 的

25、双螺旋锻炼，其机制可能是由于超声引起液体的空化作用将螺旋链切断。（2）细胞 观察到的普遍效应是细胞膜的破裂（3）生物组织 生物组织对超声有相对高的吸收系数和低的热传导率,超声波的生物效应与作用机制2、作用机制 能够引起生物效应的超声作用可分为热作用、机械作用和化学作用，而空化作用同时包含上述三作用。（1）热作用 在超声的机械作用下，可压缩介质内一个小体积元，使其温度升高，从而使该体积元内的分子平动动能增加。如果不发生任何形式的能量转换，则在压缩变为稀疏期时，分子的平动动能还会还原成波动能量。但增加的平动能因耦合作用会转变成振动能。而这个转变有一个弛豫过程，即分子的平动能和振动能相互转换需要一定

26、的时间。因此，当压缩变为稀疏的半周期中，被还原的声波与原来的声波之间就产生了相位差，并且振幅减小，一部分超声能量被介质吸收了。,（2）机械作用 超声波对介质的机械作用可分为辐射压和声压两种因素引起的。1）辐射压强 当超声入射刀两种介质的界面时，除反射和透射外，在界面处海产生一个稳定的沿传播方面的静压强，成为辐射压强。（a）骚动效应（b）摩擦效应2）超声压强 超声在介质中传播时，波线上各处都出现交替的正压和负压，初步计算表明，对中等频率的超声，这种压差可相当于数百kPa的压强差。（3）化学作用超声的化学效应可认为是二级效应,空化作用1）稳态空化 在液体内部的亚显微气泡发生增大，当增大到和超声波长差不多时，气泡就相当于谐振腔，其谐振幅度比入射时超声的振幅大几个数量级。这种变化以两种方式使生物的结构发生变化：首先，在组织结构之间引起的相对振荡变化，在周围液体中趋向于建立稳定的冲击流，从而在局部产生很高的速度梯度，足以破坏细胞膜系统和生物大分子；其次，由于剧烈振荡的结果，气体在微气泡中被压缩时，使局部产生极高的温度和压强的突变，从而引起电离作用，从而把具有高度化学活性的自由基群以很高的浓度向周围液体中释放，其效果和电离辐射作用相似。2）瞬态空化 在超声交变压强下，液体会突然从“核”中产生空泡，随即崩溃，崩溃时可产生几十到几千大气压冲击波，温度高度104K，可使水产生OH自由基等。,