1、电刺激和心脏起搏,生理学及生物物理等学科的实验研究工作，广泛地应用刺激来研究可兴奋组织的特性。生命系统对于各种化学、物理因素的变化而发生反应的特性称为兴奋性或应激性，这种反应可以表现为神经冲动、肌肉收缩、血管的张弛、腺体的分泌等。 对于不同对象，刺激有适宜和不适宜之分。原则上各种刺激因素（温度、光、化学等）都可以采用，但能够很好加以调节控制的主要是电刺激，可以通过电刺激研究有关可兴奋组织产生兴奋、传导的规律。,临床应用电刺激兴奋所产生的生物反应来控制和替代生物机能，从而达到治疗的目的。另一方面，通过神经肌肉组织对电刺激的反应特点来判断是否存在病理变化，从而实现疾病的诊断、疗效判定等，称为电诊断
2、。电刺激应用于临床最成功的是心脏起搏器。,一、电刺激,实验表明，活系统在一定条件下引起组织兴奋与电刺激的能量有关，若刺激波形如图所示，则刺激能量为,电刺激引起的组织兴奋不仅与强度I有关，而且与刺激的作用时间有关。,1.强度阈 当电刺激的作用时间一定，能够引起组织兴奋的最低刺激强度称为刺激强度的阈值。,2.时间阈 当电刺激的刺激强度一定，能够引起组织兴奋的最短刺激时间称为组织兴奋的时间阈值。,3.强度-时间曲线强度阈与时间阈存在一定的关系曲线，如图所示。,电刺激强度-时间曲线,曲线上每一点代表一个阈刺激；基强度IR：最低的基本强度阈值；以基强度作为刺激引起兴奋所需的最短时间称为利用时；时值：用基
3、强度的2倍作为刺激强度引起组织兴奋所需的最短时间称为时值；,电刺激强度-时间曲线的等效方程为,从曲线中可以看出，当刺激强度减弱到低于基强度时，无论刺激时间怎样延长也不能引起组织兴奋；而当刺激时间减小到远离时值以下时，即使增加刺激强度也不能引起组织兴奋。,兴奋性组织的刺激强度-时间曲线的形状大致相同，但各自的基强度和时值不同，如图所示为部分兴奋组织的时值。,4.刺激强度的变化速率 刺激强度的变化速率对于能否引起组织兴奋有其重要意义。 实验表明，对于一个强度逐渐增加的刺激，由于变化速率慢，即使超过矩形波的强度阈值也不一定引起组织兴奋。同样对于一个中等强度的直流刺激，只是在通电与断电的瞬间能引起组织
4、兴奋，而在电流持续期间并不能引起兴奋，这种现象在生物学上就做适应。 对于矩形波刺激，其上升和下降沿的持续时间应小于几微秒。,5.刺激频率 决定组织兴奋后能否接受下一个刺激而产生兴奋 的因素是组织绝对不应期的长短，通常大约为1ms。 刺激频率一般在1kHz以下，大多数哺乳动物的神经肌肉组织产生兴奋的最佳频率为100Hz；如果刺激频率大于100kHz，再强的刺激也不能引起组织兴奋，但由于使组织发热可用于理疗。,可以看出，为了研究电刺激对组织的作用规律，必须精确控制电刺激的参数，包括幅度、时间、频率等。,二、电刺激引起组织兴奋的原理,在直流电流作用下，在阴极附近部分膜外正离子被中和，使膜极化减弱，组
5、织兴奋性升高；反之在阳极膜极化加强，组织兴奋性下降。,电刺激作用原理的实验示意,电刺激作用下的膜电流方向(a)通电时 (b)断电时,二、电子刺激器的组成原理和应用,1.电子刺激器的组成原理 一般由频率单元、延时单元、宽度单元、功率单元、隔离器、电源等组成。,(1)单脉冲刺激器 输出重复单脉冲或手控单脉冲，脉冲频率、宽度和幅度参数可分别控制，也可用示波器或其它频率发生器进行外触发。单脉冲刺激器一般由频率单元、延时单元、宽度单元、功率单元和电源组成。,单脉冲刺激器框图,频率单元：可变频率的脉冲信号；工作方式选择开关：内触发、手控触发和外触发；延时单元：单稳态触发器，改变RC时间常数，示波器清晰观测
6、；宽度单元：单稳态触发器，改变RC时间常数；输出单元：由恒流或恒压单元组成；,单脉冲刺激器各单元波形,(2)双脉冲刺激器 输出成对脉冲。宽度单元1输出脉冲除送到输出单元外，还用间隔单元的后沿触发宽度单元2，脉冲1和脉冲2在输出单元混合后输出。,双脉冲刺激器的组成原理框图,双脉冲刺激器波形图,(3)刺激器隔离技术 当待测信号很小(几微伏)时，刺激电流在刺激电极和记录电极之间形成电导性耦合，在记录电极间产生刺激伪迹，使实验工作无法进行。 图中A和B是刺激电极，C是记录电极。,刺激生物标本时非等位面测量模式及等效电路,考虑寄生电容时刺激与记录系统的等效电路,几种伪迹波形,A、B、C为RC不平衡时的伪
7、迹波形；D是R平衡、C不平衡；E是C平衡、R不平衡；F是R、C平衡而时间常数不同；G是R、C均平衡，理想记录波形；,减小伪迹的措施：桥臂电阻平衡；刺激器隔离：光耦合、变压器耦合,光耦合,变压器耦合,2.电刺激用于康复治疗,(1)直流电及直流电药物离子导入疗法直流电疗法：在直流电作用下，机体组织内各种不同电荷的离子分别向着与自己极性相反的电极移动，使组织内离子浓度比发生变化，从而引起组织物理化学反应的改变。促进局部小血管扩张，改善局部营养和代谢；对神经系统功能有明显的作用；直流电促进骨折愈合作用；较大强度的直流电对静脉血栓有促进溶解退缩作用；治癌作用；,直流电促进骨折愈合,直流电药物离子导入疗法
8、：用直流电将药物离子通过皮肤、黏膜或伤口导入体内进行治疗。导入的离子主要堆积在表皮内形成离子堆，以后通过渗透渐渐进入淋巴和血液。导入的药物在局部浅表组织浓度较高，作用持续时间长，疗效持久；兼有反射治疗作用及直流电和药物的综合作用；缺点是导入药量少，进入浅，对全身影响较小、较慢等；,(2)低频脉冲电疗法,应用频率在1000Hz以下的脉冲电流治疗疾病的方法。脉冲电流由于电压或电流呈短促的变化，使机体内离子和带电胶粒呈冲击式移动，从而引起离子浓度比的急剧改变，故而对运动神经、感觉神经和植物神经均有强烈的刺激作用。在康复治疗中，常用的有神经肌肉电刺激疗法、功能性电刺激等。神经肌肉电刺激疗法：以中低频电
9、流刺激神经肌肉进行治疗的方法。 例如对于变性肌肉电刺激可促进局部血液循环，引起肌肉节律性收缩，从而延缓病肌萎缩；还可促进神经再生和神经传导功能的恢复。,功能性电刺激 用电刺激作用于丧失功能的器官或肢体，以其产生的即时效应来代替或纠正器官和肢体的功能。例如人工心脏起搏器通过电刺激来补偿病窦综合症等患者所丧失的心搏功能；刺激膈神经以调整呼吸功能；刺激膀胱有关肌肉以改善排尿功能等。 电刺激应用于神经肌肉以补偿或纠正肢体的功能，称为神经肌肉功能性电刺激。,(3)中频电疗法,应用频率在1100KHz的电流治疗疾病的方法。中频电对运动、感觉神经的刺激作用虽然不及低频电明显，但对植物神经、内脏功能的调节却优
10、于低频电，而且可以作用到组织深处，在引起强烈肌肉收缩时皮肤无明显刺痛。有人证明在60008000Hz范围内肌肉收缩的阈值和痛阈有明显的分离现象，因此利用这种频率就可能使肌肉发生强烈的收缩而不引起疼痛。 适应关节和软组织损伤、肩周炎、周围神经麻痹、肌肉萎缩等。采用半波型调整电流时，可广泛用于药物离子导入，与直流电相比，正弦调制中频电的导入量多，导入较深。,(4)高频电疗法,应用频率大于100KHz的高频电流治疗疾病的方法。高频电作用于人体时主要产生热效应，温热效应可以改善血液循环。中等剂量高频电可使局部血管扩张、血流加速、血液循环改善。大剂量高频电则使血管麻痹，出现淤血、毛细血管内栓塞，血管周围
11、出血。,三、心脏起搏器,对于心脏的电刺激，是人体电刺激研究和应用中开始最早、最为成功的。 正常状态下，由心脏窦房结产生兴奋传导到心房再传导到心室引起心脏的搏动；如果由于心脏疾患而使这种传导受阻，则心搏减缓而危及生命。1932年，海曼(Hyman)设计了第一台心脏电刺激起搏器，看到了心脏电刺激的可能性。1952年，佐尔(Zoll)通过皮肤电极成功地对两名患者的心脏进行电起搏，使已经停止跳动的心脏复苏，从而将起搏器用于临床。现在已经实现了全面植入式心脏起搏器的长期使用，据报道全世界每年植入的心脏起搏器有150000个。,长期的心脏电起搏涉及能源、电极材料、电极-电解质溶液界面的电化学过程、刺激电极
12、附近的电场功耗、金属电极周围组织的反应、心脏细胞对刺激的反应等物理化学方面的问题。,心脏的泵血功能,右心：泵血入肺循环； 左心：泵血入体循环。,1.心脏起搏的电生理基础,心脏内特殊的传导系统，即窦房结、房室交界、房室束和浦肯野纤维，具有产生节律性兴奋的能力，并将节律性兴奋传导到心脏各部分的心肌，通过兴奋-收缩耦联机制，引起心房和心室的有序的节律性收缩和舒张。 正常情况下，窦房结的自律性最高，整个心脏的兴奋和收缩是由它自动产生的兴奋引起的，所以窦房结为心脏跳动的正常起搏点。,心脏的节律性和传导性,传导过程 窦 房 结 结间束 房间束（优势传导通路） 房室交界 心房肌 房室束 左、右束支 浦肯野纤
13、维 心室肌,传导时间 心房内-房室交界-心室内 (0.1s),心动周期 心房或心室每收缩和舒张一次称心动周期。 T1/f60s/750.8s,房缩 0.1s 房舒 0.7s,室缩 0.3s室舒 0.5s,心电图ECG,将引导电极置于身体一定部位，记录整个心动周期中心电变化（各心肌细胞的综合心电向量）的波形图。,心脏各部分动作电位与心电图的关系,在一个心动周期内，根据不同时期兴奋性的变化，一般分为绝对不应期、相对不应期、超常期。,绝对不应期：心肌细胞发生一次兴奋后，在一段时间内，无论给予多强的刺激，都不会产生动作电位。相对不应期：心肌细胞一次兴奋后，在有效不应期后，有一段时间，用阈上刺激可以引起
14、动作电位。超常期：相对不应期后，有一段时间，用小于阈强度的刺激就能引起心肌细胞产生动作电位。,2.人工心脏电起搏器类型,心脏起搏器的基本结构是由脉冲发生器、刺激电极和感知放大器组成。心脏起搏器按照作用不同分为不同的类型，其刺激心脏的脉冲电流形式和电极位置各不相同。,心房电极导线,心室电极导线,单腔起搏系统心室,双腔起搏系统,三腔起搏系统,人工心脏起搏器的分代及功能,(1)固定频率型,刺激强度和频率固定，产生的刺激脉冲与心脏自身的节律无关，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窦性过缓。当心脏出现自身搏动时，起搏器成为多余的额外刺激，自身节律和起搏节律之间发生干扰，形成竞争节
15、律，导致心律紊乱。 这种起搏器结构简单，性能稳定可靠，体积小，功耗低且价廉。,(2)P波同步型,在心房安置一感知电极，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，因此心室速率随心房速率而改变，从而恢复了心脏的调节功能。 由于P波幅度小，频谱基波频率低，所以对感知放大器要求较高，电路比较复杂，心房电极定位也比较困难。,(3)R波(心室)同步型,当心脏有自身心搏发生时，起搏器能够自动控制刺激脉冲的发放，以避免刺激脉冲和自身心搏的竞争。心室电极具有感知QRS复波和同步刺激心室的双重功能。 当自身心搏的QRS波出现时，起搏器随即取消下一个预定的刺激脉冲的发放
16、，从自身心搏的QRS波开始重新安排刺激脉冲的周期；而在此QRS波后的规定时间内，如无自身心搏发生则起搏器发放脉冲；因此称之为按需型起搏器，在临床有广泛的应用。,(4)房室顺序型和全自动型,感知电极置于心室，起搏电极置于心房。当心脏无自身心搏时，心房先起搏，经过一段延迟后，心室再起搏；如有自身心搏发生，则QRS波将抑制下一个脉冲的发放。 在房室顺序型起搏器的基础上发展形成全自动型起搏器，它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，其性能已经与人体心脏生理要求相接近。全自动型起搏器的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，又称为生理型双腔起搏器，已于1981年用于临
17、床。,(5)可编程控制型,智能化起搏器，由两部分构成：体内部分是在一般埋藏式起搏器的基础上增加数字电路，它具有记忆、存储和计算等功能；体外部分由控制和电磁传输装置组成，控制部分可以按照患者病理生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，发出编码的磁脉冲，通过电磁铁产生的磁场传送给体内部分。,为了统一表示起搏器的特征，国际心脏病学会制定了为起搏器命名的五字母编码法。例如VOO为心室固定频率起搏器，VDD为P波触发R波抑制的心室起搏器，DDD为P波R波触发和抑制房室顺序起搏器(全自动起搏器)。,起搏模式的临床选择,心房节律,间发性,房室传导功能,变时性功能,变时性功能,DDD / D
18、DDR,VVI / VVIR,DDD,DDDR,AAI,AAIR,正常,不正常（房扑、房颤等）,正常,不正常,正常,不正常,正常,不正常,是,不是,起搏器适应证,3.心脏起搏器的技术指标参数,(1)起搏频率 起搏器发放脉冲的频率。一般认为，能维持心输出量最大时的心率为最适宜的心率，大部分患者6090次/min较为合适。,(2)起搏脉冲幅度和宽度 指起搏器发放脉冲的电压强度和单个脉冲的持续时间。脉冲的幅度越大，宽度越宽，对心脏的刺激作用越大。,引起心肌兴奋所需要的电能仅为几微焦耳(J)，考虑到阈值因电极导管的定位情况、心肌状态以及导管阻抗的损耗等各种因素，一般要求起搏器提供2550J的电能。如果
19、心肌阻抗以500计算，T为起搏器刺激脉冲的宽度，U表示脉冲幅度，则一个脉冲的电能为 W=UIT=U2T/R=U2T/500 心脏起搏器较多应用的脉冲幅度U=5V，脉冲宽度T=0.5ms，因此起搏器电能一般小于25J. 心脏起搏器每个脉冲所需要的电能，随起搏电极形状的改进、电极面积的减小、电极材料的选择以及导管阻抗损耗的减少而下降，这样在电池容量不变的条件下，起搏器的使用寿命可得到延长。,(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。 一般心腔内心电的QRS波幅度范围
20、为515mV，少数患者仅有35mV，由于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QRS波幅值为23mV。因此R波同步型起搏器的灵敏度一般选择1.52.5mV以保证95%以上的患者能够适用。P波的幅度比QRS波幅度小得多，P波灵敏度一般选择为0.81mV.,(4)反拗期 在同步型起搏电路中，有一个对外界信号不敏感的时间，相当于心脏的不应期，在起搏器中称为反拗期。 R波同步型反拗期，主要作用是防止T波或起搏脉冲后电位的触发造成误触发，一般采用(30050ms)的反拗期; P波同步型起搏器反拗期通常选取400500ms。反拗期的作用是防止窦性过速或外界干扰的误触发。,4.心脏起搏器电路原
21、理,R波抑制型心脏起搏器一般结构如图所示，主体部分包括感知放大器、按需功能控制器和脉冲发生器。,R波抑制型心脏起搏器结构框图,(1)感知放大器 感知放大器的作用是有选择地放大来自心脏的R波，以推动下一级按需功能控制器工作，并限制T波和其它干扰波的放大，其目的是用以辨认心脏自身搏动。 对感知放大器的要求：双向感知；放大倍数为8001000；频宽为1050Hz；工作电流小于3mA(微功耗)；电路稳定、可靠，具有良好的抗干扰能力。,(2)按需功能控制器 其主要作用是为起搏器提供稳定的反拗期，还可以克服“竞争心率”的危险。当自身心搏正常时，起搏器被自身R波抑制，不发放脉冲；当患者自身心率低到一定程度，
22、即上述反拗期后不出现自身R波时，起搏器工作并向心室发出预定频率的起搏脉冲，使心室起搏。,(3)脉冲发生器 产生合乎心脏生理要求的矩形电脉冲。脉冲发生器的工作要求是电路容易起振，工作稳定，可靠性高，频率在30120次/分钟、脉冲宽度在1.11.5ms范围内可调，幅度可调。,5.QDX-2型体外按需起搏器的电路分析,(1)自主心率低于起搏频率,(2)自主心率不齐,(3)自主心率完全高于起搏频率,6.手术过程,局部麻醉静脉入路置放电极导线从头静脉/锁骨下静脉穿刺插入导管；将电极送入心腔并固定电极；测试电极性能；皮下植入起搏器制作起搏器囊袋；接上起搏器；缝合；,7. 装入起搏器后的生活,工作 起搏器患
23、者术后可以恢复正常工作，除非合并器质性心脏病需要休息治疗。对起搏器依赖患者应避免在强电磁场的环境下工作。,运动 起搏器患者可从事一般性运动，不必太限制。但不要进行一些躯体接触的剧烈运动，以免直接性损伤引起电极导线断裂或起搏器损害。活动时注意不要过分使用肩臂部位。,旅行 埋植起搏器的患者，可以外出旅行、乘飞机、火车均可。患者应随身携带起搏器卡，以便在遇到意外情况时，进行迅速而有效的处理。起搏器卡还可以免除乘飞机前的安全检查。,电器用品 家里或办公室很少有电磁干扰：一般的家用电器如电视，电烤箱，微波炉等不会对起搏器有影响；手机离开起搏器15厘米以上可安全使用；不要将磁铁靠近起搏器。,四、心脏除颤器
24、,心脏除颤器又名电复律机，是一种应用电击来抢救和治疗心律失常的医疗电子设备，具有疗效高、作用迅速、操作简便以及与药物相比较为安全等优点。 如果心脏产生不正常的多处兴奋而使得各自的传播相互干扰形不成同步收缩，某些心肌细胞群由于相位杂乱会呈现重复性收缩状态，这一现象称为纤维性颤动。通常心房肌肉纤维性颤动时，心室仍旧能够正常起作用；而心室纤维则十分危险，可导致患者在几分钟之内死亡。,通过对心脏进行瞬时的强的电刺激，可使处于杂乱相位兴奋的细胞相位一致，使之恢复窦性心律的方法，称为电击除颤或电复律术。 起搏和除颤都是利用外源性的电流来治疗心律失常。其区别是除颤作用于心脏的是一次瞬时高能脉冲，一般持续时间
25、是410ms，电能在40400J内；而心脏起搏则采用微电能，反复工作。,当患者发生严重快速心律失常时，尤其当患者出现心室颤动时，由于心室无整体收缩能力，心脏射血和血液循环中止，如不及时抢救，常造成患者因脑部缺氧时间过长而死亡。如采用除颤器，控制一定能量的电流通过心脏，能消除某些心律紊乱，使心律恢复正常，从而使上述心脏疾病患者得到抢救和治疗。,临床上通常用药物和电击除颤两种方法来治疗心律失常。药物治疗是一种较为简便、易为患者接受的方法，但药物存在中毒剂量和有效剂量较难掌握的缺点。而电击除颤的时间短暂，安全性高，疗效确切，随时都可使用，因此成为一种有效的转复心律方法。尤其是在某些紧急情况下能起到应
26、急抢救的作用。,1.心脏除颤器基本原理,临床常用的除颤有四种方法：交流除颤、电容放电除颤、方波除颤和延迟线电容放电除颤。第一种方法由于交流电刺激对心脏的有害影响已逐渐不用于临床。 一般心脏除颤器多数采用RLC阻尼放电的方法，其充放电原理如图所示。,心脏除颤器充放电基本原理,高压换能器将直流低压变换成脉冲高压，经高压整流后向储能电容C充电，使电容获得一定的储能。除颤治疗时，控制高压继电器开关S动作，使充电电路被切断，由储能电容C、电感L及人体串联接通，使之构成RLC串联谐振衰减振荡电路，通过人体心脏的电流波形如图所示。,阻尼振荡放电电流波形,实验和临床都证明，这种RLC放电的双向尖峰电流除颤效果
27、较好，并且对人体组织损伤小。如前所述，放电时间一般为410ms，可以适当选择L、C实现。 电感L应采用开路铁芯线圈，以防止放电时因大电流引起铁芯饱和造成电感值下降，而使输出波形改变。另外除颤中存在高电压，对操作者和病人都有意外电击危险，因此必须防止错误操作和采取各种防护电路。,2.心脏除颤器的类型,一般按是否与R波同步来分类。(1)非同步型除颤器 除颤时与患者自身的R波不同步，可用在心室颤动和扑动(因为这时没有振幅足够高、斜率足够大的R波)。(2)同步型除颤器 除颤时与患者自身的R波同步。一般利用电子控制电路，用R波控制电流脉冲的发放，使电击脉冲刚好落在R波的下降支，这样使电击脉冲不会落在易激
28、期，从而避免心室纤颤。可用于心室颤动和扑动以外的所有快速性心律失常，如室上性及室性心动过速、心房颤动和扑动。,3.心脏除颤器的主要性能指标,(1)最大储能值 指在除颤器电击前，必须先向除颤器内的电容器储存电能。除颤器的最大安全储能值为400J，电容C与其上面的电压和储能W有如下关系 W=0.5CU2当电容C确定后，W便由U确定。(2)释放电能量 指除颤器实际向患者释放电能的多少。在释放电能时，电容器的电阻、电极和皮肤接触电阻等都要消耗电能，所以对不同的患者，同样的储存电能有可能释放出不同的电能量。通常以负荷50作为等效患者的电阻值。,(3)释放效率 指释放能量和储存电能之比。大多数除颤器释放效率在50%80%之间。(4)最大储能时间 指电容充电到最大储能值时所需要的时间。储能时间短，就可以缩短抢救和治疗的准备时间。但因受电源内阻的限制，不可能无限缩短这个时间，大多在1015s范围内。,(5)最大释放电压 指除颤器以最大储能值向一定负荷释放能量时在负荷上的最高电压值，该指标为了防止电击时患者承受过高的电压。国际电工委员会规定：除颤器以最大储能值向100电阻负荷释放时，在负荷上的最高电压值不应该超过5000V。,4.典型的心脏除颤器电路分析,(1)充放电电路,(2)同步电路,
