1、 7.1 心臟起搏器簡介 7.2 固定型和R波抑制型心臟起搏器 7.3 心臟起搏器的能源和電極 7.4 心臟除顫器的一般介紹 7.5 典型的心臟除顫器醫學電子儀器原理與設計第七章 心臟起搏器與除顫器2021/7/20 星期二1心臟起搏器Cardiac Pacemaker 第七章 心臟起搏器與除顫器2021/7/20 星期二2心臟起搏器Cardiac Pacemaker 人工心臟起搏用外加脈沖代替心臟起搏點的電興奮，刺激心臟搏動的一種治療方法。 是心律失常非藥物治療的一種有效治療方法。 人工心臟起搏器能產生一定形式電脈沖，并將脈沖傳至心臟，使心臟按一定頻率有效收縮的脈沖發生器。 能替代或補充正常

2、激勵和控制心臟收縮的生理電子系統。 人工心臟起搏技術是實現生物機能控制的典型范例。第七章 心臟起搏器與除顫器2021/7/20 星期二37.1.1 心臟起搏技術的發展簡史 17611846 一種由于嚴重心律失常以致循環障礙、腦供血 不足引起的危險急癥，稱為阿斯綜合征，或“心源性腦 缺氧綜合征”。是發展人工心臟起搏技術的重要背景。 1791 觀察到肌肉對電刺激有收縮反應。 1819 用直流電刺激死刑者停止搏動的心臟，使之復跳。 1858、1862 動物實驗，用電刺激使心臟跳動。 1930 Hyman 創制發條脈沖發生器心臟起搏器，重7.2kg， 用針穿刺心房通電起搏搶救心臟停搏患者，命名為心臟

3、起搏器臨床43例，救活14例，但受不公正輿論指責。 7.1 心臟起搏器簡介2021/7/20 星期二4 7.1 心臟起搏器簡介7.1.1 心臟起搏技術的發展簡史 19471958 刺激竇房結復跳；胸壁刺激(75150V，2ms 脈沖) 成功，但痛苦大；心外膜電極起搏；心內膜電極起搏。 1958 Elmqvist(瑞典)工程師、Senning醫師 第一臺埋藏式固定 頻率起搏器。術后，20多次排除故障，患者存活20余年。 1960 晶體管電路、鋅汞電池起搏器，盛行十余年。1971以 后，鋰電池逐漸代替汞電池。 1963 P波同步型心室起搏；按需起搏；房室順序起搏；房 室全能起搏；頻率自適應起搏；抗

4、心動過速起搏；埋藏式 自動復律除顫器。 全世界每年約有30萬個起搏器安裝與更換。2021/7/20 星期二5 7.1 心臟起搏器簡介7.1.2 人工心臟起搏的作用主要用以治療緩慢型心律失常 心律失常是多種病因引起心肌電生理特性改變的一種疾病。 某些嚴重心律失常的藥物療效差，如，高度或完全性房室傳導阻滯、重度病態竇房結綜合癥。安裝起搏器則效果顯著。用于某些疾病的診斷 例如，心房調搏輔助診斷可疑冠心病，心房超速起搏法診斷竇房結功能不全，預測完全性房室傳導阻滯患者是否有發生心腦綜合癥的危險等。用于實驗研究心血管生理、病理生理、藥理和臨床應用2021/7/20 星期二6 7.1 心臟起搏器簡介7.1.

5、3 心臟起搏的適應癥長期起搏的適應癥 房室傳導阻滯 三束支阻滯伴有心腦綜合癥者 病態竇房結綜合癥；心動過緩為主伴有有心腦綜合癥者臨時性起搏適應癥 心臟病變可望恢復，緊急情況下保護性應用、診斷應用。 短時間使用心臟起搏器，幾小時、幾天至幾星期。 （適應癥例，見教科書）2021/7/20 星期二7 7.1 心臟起搏器簡介7.1.4 心臟起搏器的分類 按照起搏器與 病員的關系分類 按照起搏器與 患者P波與R波 的關系分類 按照起搏器 電極分類 感應式經皮式(體外攜帶式)埋藏式非同步(固定)型同步型單極型雙極型2021/7/20 星期二8 7.1 心臟起搏器簡介7.1.4 心臟起搏的分類 感應式 脈沖

6、發生器在體外，起搏電極與接受器植體內。體內無電源但易受干擾。 經皮式 起搏器在體外，按需起搏（頻率、幅度、脈寬、感知靈敏度均可調），攜帶不便，易感染，僅用于臨時搶救。 埋藏式 起搏器埋植與胸部或腹部皮下，得到廣泛使用，關鍵是電池壽命問題。 非同步(固定)型發出的起搏脈沖與P波或R波無關。 同步型 分為P波同步起搏器和R波同步起搏器。 單極型 陰極置于右心室（或右心房），陽極置于胸部（起搏器外殼）或腹部皮下（體外攜帶式） 雙極型 起搏器的陰極與陽極均與心臟直接接觸。 2021/7/20 星期二9 7.1 心臟起搏器簡介7.1.4 心臟起搏的分類 北美起搏和電生理學會與英國起搏和電生理組NBG起搏

7、器編碼（1987年）起搏心腔感知心腔感知的反應程控功能，頻率自適應抗快速性心率失常功能V =心室V 心室T觸發P =程控頻率 和/或輸出P抗快速性心率失常A心房A心房I抑制M多項參數程控S電擊D雙腔D雙腔DT+IC遙測DP+SO無O無R頻率自適應O=無O無注： 、 、用于抗過緩心率失常的起搏 廠家常用S表示單腔（心房或心室）2021/7/20 星期二10 7.1 心臟起搏器簡介7.1.4 心臟起搏的分類使用NBG起搏器編碼的例： 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，響應方式可以是觸發式，也可以是按需抑制型，具有頻率自適應功能2021/7/20 星

8、期二11 7.1 心臟起搏器簡介7.1.4 心臟起搏的分類 1 固定型起搏器 以固定頻率(非同步)發放起搏脈沖刺激心室(VOO)或心房(AOO)， 只發出固定頻率、幅度的脈沖(約70次/分)，不受自主心率支配，一旦心臟自主心律超過起搏頻率，便可發生競爭心律（電脈沖落于易激期），有可能誘發心室纖顫或室性心動過速而危及病人安全，目前僅臨時用于測試磁鐵頻率或用于競爭起搏終止某些心動過速。 2021/7/20 星期二12 7.1 心臟起搏器簡介7.1.4 心臟起搏的分類 2 R 波同步型起搏器（起搏器發放脈沖受R波控制） (1) R波抑制型(按需型，VVI型) 單極電極置于心室，兼有起搏與感知功能，常

9、稱為心室按需型起搏器。適應證廣泛。 平時以固有頻率發放脈沖，當心臟自搏心率超過起搏器脈沖頻率，將自動感知并抑制起搏器脈沖發放。一旦自搏心率低于起搏器的固有頻率，即心室電極感知不到自搏心率產生的R波，起搏器將等待預定的一段時間(逸搏間期)后，立即又按固有起搏頻率發放脈沖。這種按病人需要而工作的起搏器應用最廣泛。 (2) R波觸發型(備用型，VVT型) 當自身心搏R波出現時，立即觸發起搏器發出一個脈沖，是落在不應期內的無效脈沖。若自身心搏未發生，則起搏器脈沖起作用(備用型)。 有無效脈沖產生，功耗較大，應用少。 2021/7/20 星期二13 7.1 心臟起搏器簡介7.1.4 心臟起搏的分類 3

10、P 波同步型起搏器（起搏器發放脈沖受P波控制） 心房、心室都放置電極 心房電極感知P波(心房激動) 送起搏器放大并延遲約120ms 觸發起搏器發生脈沖 刺激心室(心室電極) 對有房室傳導阻滯患者，相當于一條人造房室傳導通路。不能用于竇房結綜合癥患者。電路復雜，使用不方便。 P波抑制型（AAI型） 單極電極置于心房，兼有起搏與感知功能，常稱為心房按需型起搏器。可保持房室順序收縮。僅適用于房室傳導功能正常的病竇患者。2021/7/20 星期二14 7.1 心臟起搏器簡介7.1.4 心臟起搏的分類 4 房室順序型起搏器 心房、心室各放置一個電極 每次先發放一個心房起搏脈沖 經適當延遲 再發放一個心室

11、起搏脈沖(保持房室激動生理順序) 如有自身心臟活動，其QRS波將抑制后一脈沖發放 5 雙灶按需型起搏器 兩個相關脈沖發生器，按一定時序發放起搏脈沖，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 心臟起搏器簡介7.1.4 心臟起搏的分類 6 程序控制型起搏器 能夠與體外控制裝置通訊的起搏器。 按照患者病理生理需要，由醫生或患者任意改變起搏參數和起搏器工作方式。 雙腔(DDD)起搏器 心房和心室都放置電極。不同的心率反應為不同的起搏方式，總能保持心房和心室得到同步、順序、協調的收縮。 自身心率慢于起搏器低限頻率房室順序起搏(DVI) 自身心房(P)頻率超過起搏器低限

12、頻率（房室傳導功能障礙） 感知P波觸發心室起搏(VDD) 自身心房(P)頻率過緩（房室傳導功能是好的） 起搏心房，并下傳心室 (AAI)2021/7/20 星期二16 7.1 心臟起搏器簡介7.1.4 心臟起搏的分類 頻率自適應(R)起搏器 起搏器頻率能自動適應肌體對心排血量(需氧量)的要求。研究使用的代謝感受器有10余種，體動型、每分鐘通氣量型兩種得到應用。 例： VVIR型（心室按需自適應型） AAIR型（心房按需自適應型） DDDR型（雙腔自適應型）2021/7/20 星期二17 7.1 心臟起搏器簡介7.1.5 心臟起搏的幾個參數1 起搏頻率 6090次/min 能維持心輸出量最大時的

13、心率。2 起搏脈沖幅度和寬度 脈沖幅度：5V 脈沖寬度：0.51ms 起搏能量與電極形狀、面積、材料及導管阻抗損耗等有關。3 感知靈敏度 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對外界信號不敏感的時間(不應期)。 R波同步型：30050ms，防止T波或起搏脈沖后電位。 P波同步型：300500ms，防止竇性過速或干擾誤觸發。 2021/7/20 星期二18起搏系統的構成（起搏電路、電池、金屬外殼與起搏導管電極） 一脈沖發生器（起搏電路） 將CMOS ASIC起搏芯片與電阻、電容等元件一起安裝在陶瓷基片上構成混合型（Hybrid）厚膜集成電路作為起搏

14、器主體電路。感知心電活動或其他生理反應，按需自動調整起搏功能，形成和發放脈沖。體現了小型化，程控化和多功能化。 二電池 需體積小、容量大、緩慢釋放能量、密封性能好及性能可靠的電池，目前普遍使用鋰碘電池，起搏器使用壽命達10年以上。決定起搏器的功能壽命的因素：電池容量；電池自放電；輸出阻抗；電路功效；工作的百分率：起搏電路的消耗比感知電路大得多；輸出程控；持續的電池消耗。 7.2 固定型和R波抑制型心臟起搏器2021/7/20 星期二19起搏系統的構成（起搏電路、電池、金屬外殼與起搏導管電極） 三電極導線 電極接觸心臟經導線與起搏器連接。用生物相容性好、韌性好、抗老化、耐腐蝕的材料制成。電極通常

15、采用愛爾近合金(Elgiloy) 或用鎳鉻鈷鉬合金制成，且含多孔，其優點是：纖維組織長入電極空隙可增加固定性。電極感知的有效面積較大。有的電極頂端有激素緩釋放裝置，電極頭的材料以表面活化各向同性低溫熱解碳或鉑為優。 導線的金屬材料要求電阻率小，強度高，一般用抗折強度較高的不銹鋼。 導線絕緣層有高純硅橡膠和醫用聚氨酯兩種，兩者生物相容性均好，但前者較粗且脆弱，后者較細而堅固，但易老化。 四起搏器外殼 金屬鈦生物相容性好，毫無銹蝕。采用鈦材料拉伸成型，各部以較大圓弧連接，采用激光焊接封裝。 7.2 固定型和R波抑制型心臟起搏器2021/7/20 星期二20ASIC設計Application Spe

16、cific Integrated Circuits全定制ASIC芯片（掩膜ASIC） 定義芯片上所有晶體管的幾何圖形和工藝規則，將設計結果交由IC廠家掩膜制造完成。優點：芯片可獲得最優性能，即面積利用率高、速度快、功耗低。缺點是：開發周期長，費用高，只適合大批量產品開發。半定制ASIC芯片 約束性設計方法：門陣列設計法和標準單元設計法，主要目的是簡化設計，以犧牲芯片性能為代價來縮短開發時間。可編程ASIC芯片（可編程邏輯器件） 自七十年代以來，經歷了PAL、GAL、CPLD、FPGA幾個發展階段，高密度CPLD/FPGA已達200萬門/片，集成度高、應用產方便，特別適合于樣品研制或小批量產品開

17、發，可以很容易轉由掩膜ASIC實現，開發風險低。2021/7/20 星期二217.2.1 一種固定型心臟起搏器電路分析多諧振蕩器單穩態電路輸出電路R2、C1決定頻率 R3決定脈寬 復合管射隨輸出功率放大、Ri高 Ro低 7.2 固定型和R波抑制型心臟起搏器2021/7/20 星期二22 7.2 固定型和R波抑制型心臟起搏器7.2.2 R 波抑制型心臟起搏器的一般結構原理1 感知放大器 選擇性放大R波，辨認心臟自身搏動，推動按需功能控制器 要求：雙向感知、放大8001000倍、頻寬1050Hz、 工作電流3mA、穩定、可靠、抗干擾能力強2 按需功能控制器 為起搏器提供穩定的反拗期，還可克服“競爭

18、心律”的危險 感知R波后，控制器在反拗期內抑制脈沖發放3 脈沖發生器（受控于按需控制電路） 要求：頻率30120Hz、脈寬1.11.5ms可調、幅度可調、 易起振、穩定、可靠2021/7/20 星期二23 7.2 固定型和R波抑制型心臟起搏器7.2.3 QDX2型體外心臟起搏器的電路分析 R波按需抑制型（VVI） 1 各單元電路分析 感知放大器 按需功能控制電路 脈沖發生器 2 按需功能的實現 患者的自主心率低于起搏頻率時的情況 自主心率不齊 自主心率完全高于起搏頻率的情況2021/7/20 星期二24 感知放大器 按需功能控制電路 脈沖發生器R波輸入 微分作用放大正脈沖限制T波、P波互補型單

19、穩態觸發器形成反拗期VT6開關控制脈沖發生互補式張弛振蕩器鋸齒波電路產生起搏脈沖2021/7/20 星期二252021/7/20 星期二26自主心率 t1 t2 起搏器固有輸出單穩輸出 t3 反拗期C7鋸齒波發放起搏脈沖起搏后心律QRS波前均有起搏脈沖自主心率低于起搏頻率2021/7/20 星期二27自主心率不齊 t1 t2 (發放)自主心率不齊2021/7/20 星期二28t1 50Hz，按需功能控制器不工作，起搏器為固定式 2 按需功能控制器 3 脈沖發生器和輸出脈沖倍壓電路 4 最高起搏頻率限制電路 5 能量補償電路和去顫保護電路 2021/7/20 星期二31感知放大器 單穩(按需控制

20、)去顫保護 抗干擾轉換網絡2021/7/20 星期二32 單穩tu 脈沖發生器 脈沖倍壓電路 控制門、鋸齒波、振蕩器 能量補償電路 最高起搏頻率限制 輸出脈沖2021/7/20 星期二332021/7/20 星期二34感知R波微分，成為雙向波只放大正極性脈沖經抗干擾轉換后單穩（按需功能控制）最高起搏頻率限制2021/7/20 星期二352021/7/20 星期二367.3.1 心臟起搏器的能源 1 鋅汞電池 2 鋰電池 鋰碘電池（主要使用） 鋰亞硫酰氯電池 鋰鉻酸銀電池 鋰碘化鉛電池 3 核素電池 4 “生物燃料”電池 7.3 心臟起搏器的能源和電極2021/7/20 星期二37 7.3 心臟

21、起搏器的能源和電極7.3.2 心臟起搏器的電極1 導線（起搏導管）和電極的作用 2 電極類型 按安置和用途分： 心內膜電極 心外膜電極 心肌電極 按心內膜使用的電極分： 單極心內膜電極 雙極心內膜電極 3 電極的結構及現狀 2021/7/20 星期二387.4.1 心臟除顫器的作用電擊除顫(電復律術)用較強的脈沖電流消除心律失常， 使之恢復竇性心律的方法。除顫器 Defibrillator用于心臟電擊除顫的設備。電擊復律作用于心臟的是一次瞬時高能脈沖： 持續時間：410ms 電能：40400Ws(J) 嚴重快速心律失常(心房撲動、心房纖顫、室性心動過速)，造成血液動力障礙。采用除顫器消除心律紊

22、亂、恢復心律正常，使患者得到搶救和治療。電擊復律 時間短暫、安全性高、療效確切、隨時可采用 7.4 心臟除顫器的一般介紹2021/7/20 星期二397.4.2 心臟除顫器的一般原理 一般方法：RLC阻尼放電 心臟急救設備：心臟起搏器、心臟除顫器 監視器、記錄儀7.4.3 心臟除顫器的類型 按是否與R波同步分：非同步型除顫器 同步型除顫器 按電極放置位置分：體內除顫器 體外除顫器 7.4 心臟除顫器的一般介紹2021/7/20 星期二40 7.4 心臟除顫器的一般介紹7.4.4 心臟除顫器的主要性能指標1 最大儲能值 除顫器電擊前，儲能電容儲能值400Ws2 釋放電能量 實際向病人釋放的電能量，以等效患者電阻50 計3 釋放效率 釋放電能與儲存電能之比。50804 最大儲能時間 儲能電容充電到最大儲能值所需時間。1015s5 最大釋放電壓 以最大儲能值釋放能量時，負荷上的最高電壓。 安全要求：100 電阻負荷上最高電壓5000V2021/7/20 星