治疗类仪器设计基础课件.ppt

1、第九章第九章 治疗类仪器治疗类仪器 设计基础设计基础 9.1概述概述现代临床医学对疾病的治疗方法主要有以下几种：现代临床医学对疾病的治疗方法主要有以下几种：n药物治疗药物治疗n手术治疗手术治疗n仪器治疗仪器治疗n心理治疗心理治疗n人工器官人工器官 治疗类仪器的设计原理是基于各种物理因子治疗类仪器的设计原理是基于各种物理因子对人体不同的生理和生物效应。除超声属非电磁对人体不同的生理和生物效应。除超声属非电磁波谱外，其他物理因子大多分布在电磁波谱上。波谱外，其他物理因子大多分布在电磁波谱上。电磁波谱的不同频段对人体会产生不同的生电磁波谱的不同频段对人体会产生不同的生理效应：理效应：在在1000Hz

2、以下主要是刺激效应；以下主要是刺激效应；1000Hz31015Hz主要是热效应；主要是热效应；而在而在31015Hz以上主要是生物效应。以上主要是生物效应。电磁波谱。电磁波谱。9.2 电治疗仪电治疗仪 频率小于频率小于1KHz时的电流对人体细胞组织的作用主要时的电流对人体细胞组织的作用主要是以刺激效应为主是以刺激效应为主（哺乳动物神经纤维的绝对不应期大（哺乳动物神经纤维的绝对不应期大约为约为1ms，因此每秒最多只能产生，因此每秒最多只能产生1000次兴奋，而当频率次兴奋，而当频率大于大于1kHz时，组织细胞将不再产生相应反应）。时，组织细胞将不再产生相应反应）。所以这一波段的电磁波被用来设计出

3、各种电刺激治疗所以这一波段的电磁波被用来设计出各种电刺激治疗仪。从小电流的周期刺激器（如心脏起搏器）到大电流单仪。从小电流的周期刺激器（如心脏起搏器）到大电流单脉冲刺激器（如除颤器）。脉冲刺激器（如除颤器）。1.电刺激系统的组成：电刺激系统的组成：电刺激系统通常由三部分组成：电刺激系统通常由三部分组成：脉冲发生器，产生使神经去极化的脉冲序列；脉冲发生器，产生使神经去极化的脉冲序列；导联线，把脉冲传输到刺激位置；导联线，把脉冲传输到刺激位置；电极，把刺激脉冲安全、有效地传输到可兴奋组织。电极，把刺激脉冲安全、有效地传输到可兴奋组织。2电刺激类型电刺激类型 按照电刺激部位，刺激类型可划分为：按照电

4、刺激部位，刺激类型可划分为：（1）表面刺激）表面刺激 电刺激的三部分都在体外，电极放在皮肤上或要刺激电刺激的三部分都在体外，电极放在皮肤上或要刺激的肌肉的运动点附近。的肌肉的运动点附近。（2）经皮刺激）经皮刺激 电极放在体内，并靠近要刺激的部位。导联线穿过皮电极放在体内，并靠近要刺激的部位。导联线穿过皮肤连接外部脉冲发生器。肤连接外部脉冲发生器。（3）植入式刺激）植入式刺激 植入式刺激是指将刺激器的三部分通过外科手术永久植入式刺激是指将刺激器的三部分通过外科手术永久植入人体，植入完成后皮肤完全缝合。植入部分和体外部植入人体，植入完成后皮肤完全缝合。植入部分和体外部分的联系是通过非接触方式进行的

5、。分的联系是通过非接触方式进行的。9.2.4 人工心脏起搏器人工心脏起搏器心脏传导系统：心脏传导系统：由一系列特殊心脏细胞联结组成的传导系由一系列特殊心脏细胞联结组成的传导系统，这些细胞组织既有自动产生兴奋的功能，又有较一般统，这些细胞组织既有自动产生兴奋的功能，又有较一般心肌细胞为快的传导功能，这样使兴奋有节律地按一定顺心肌细胞为快的传导功能，这样使兴奋有节律地按一定顺序传播，使心脏保持正常的有节律的收缩和舒张，以维持序传播，使心脏保持正常的有节律的收缩和舒张，以维持血液循环。血液循环。（1）非同步心脏起搏器）非同步心脏起搏器 非同步心脏起搏器是一种自由振荡的起博器，它不管非同步心脏起搏器是

6、一种自由振荡的起博器，它不管人体心脏的实际情况，总是给出一定频率的电刺激。下图人体心脏的实际情况，总是给出一定频率的电刺激。下图为非同步心脏起搏器的方框图。为非同步心脏起搏器的方框图。电源振荡器脉冲输出电路引线电极 1）电源）电源 对植入式心脏起搏器，使用的电源主要有三种：原电对植入式心脏起搏器，使用的电源主要有三种：原电池、经皮射频感应电源和原子能电源。池、经皮射频感应电源和原子能电源。原电池原电池植入式心脏起搏器最常使用的电源是原电池。最早使用的植入式心脏起搏器最常使用的电源是原电池。最早使用的原电池是水银电池，使用寿命约原电池是水银电池，使用寿命约2年；现在开始使用锂电年；现在开始使用锂

7、电池，使用寿命可达池，使用寿命可达10年左右。年左右。经皮射频感应电源经皮射频感应电源植入式心脏起搏器也可用经皮射频感应电源供电。植入式心脏起搏器也可用经皮射频感应电源供电。原子能电源原子能电源能保证有更长的寿命和更高的可靠性。能保证有更长的寿命和更高的可靠性。辐射源吸收器热电堆DC/DC变换器起博器 2）定时电路）定时电路 非同步心脏起搏器是最简单的一种起博器，它不管心非同步心脏起搏器是最简单的一种起博器，它不管心脏的实际功能情况而只是提供一串恒定重复频率的刺激脉脏的实际功能情况而只是提供一串恒定重复频率的刺激脉冲。这种情况下，振荡器可以采用自由振荡的间歇振荡器冲。这种情况下，振荡器可以采用

8、自由振荡的间歇振荡器或多谐振荡器。或多谐振荡器。设计的要点是：低耗电和受电源波动影响小。设计的要点是：低耗电和受电源波动影响小。3）输出电路）输出电路 输出电路对电脉冲进行放大并耦合到电极上去。输出输出电路对电脉冲进行放大并耦合到电极上去。输出电路由一个工作在开关状态的晶体管和到电极去的一个合电路由一个工作在开关状态的晶体管和到电极去的一个合适的耦合电路所组成。适的耦合电路所组成。4）引线和电极）引线和电极 在大多数起搏器的设计中，脉冲输出电路都是位于远在大多数起搏器的设计中，脉冲输出电路都是位于远离心脏的某一位置上，所以必须有合适的引线把电刺激传离心脏的某一位置上，所以必须有合适的引线把电刺

9、激传到心脏并且加到合适的部位。到心脏并且加到合适的部位。对引线的要求：对引线的要求：引线必须是良导体；引线必须是良导体；机械性能必须很结实；机械性能必须很结实；必须保持良好的绝缘。必须保持良好的绝缘。为了满足以上要求，引线通常都是由弹簧丝合金互相为了满足以上要求，引线通常都是由弹簧丝合金互相盘绕的一些螺旋线圈浇铸在硅橡胶筒内制成的。盘绕的一些螺旋线圈浇铸在硅橡胶筒内制成的。电极电极心脏起博器有心脏起博器有单极型电极单极型电极和和双极型电极双极型电极。用单极型电极时，此电极放在心脏上，负向脉冲加到此电用单极型电极时，此电极放在心脏上，负向脉冲加到此电极上，另外有一个大的无关电极放在身体的其它部位

10、。极上，另外有一个大的无关电极放在身体的其它部位。用双极型电极时，两个电极都放在心脏上，刺激脉冲加在用双极型电极时，两个电极都放在心脏上，刺激脉冲加在两个电极之间。两个电极之间。电极可放在心脏表面（心外电极）、埋在心壁里面（心肌电极可放在心脏表面（心外电极）、埋在心壁里面（心肌内电极）或紧贴在心脏内表面（心内膜电极或腔内电极）。内电极）或紧贴在心脏内表面（心内膜电极或腔内电极）。对电极的要求：对电极的要求：电极必须能够经受住由于心脏的机械运动使它们受到的电极必须能够经受住由于心脏的机械运动使它们受到的反复弯曲，并且必须保持在有效起搏位置上；反复弯曲，并且必须保持在有效起搏位置上；必须在长期植入

11、过程中不被溶解，对邻近的组织不能产必须在长期植入过程中不被溶解，对邻近的组织不能产生过度刺激；生过度刺激；在加上刺激信号后不会产生电解反应。在加上刺激信号后不会产生电解反应。最常用的材料是铂。最常用的材料是铂。5）外壳）外壳 外壳是起博器的一个很重要的组成部分，对外壳的外壳是起博器的一个很重要的组成部分，对外壳的要求是：要求是：具有好的生物相容性；具有好的生物相容性；对内部电路提供必要的保护，以确保电路的正常工作；对内部电路提供必要的保护，以确保电路的正常工作；体积小、重量轻。体积小、重量轻。植入式起博器通常密封在铸制环氧树脂中，外包一植入式起博器通常密封在铸制环氧树脂中，外包一层硅橡胶。层硅

12、橡胶。（2）同步心脏起搏器）同步心脏起搏器 通常病人只需要断续地对心脏进行起搏，因为在间歇通常病人只需要断续地对心脏进行起搏，因为在间歇期间病人自身能形成正常心律。对于这些病人，不需要连期间病人自身能形成正常心律。对于这些病人，不需要连续地刺激心脏。续地刺激心脏。在有些情况下，如果连续刺激甚至还会引起一系列严在有些情况下，如果连续刺激甚至还会引起一系列严重的并发症。解决的最好办法是采用同步心脏起搏器。重的并发症。解决的最好办法是采用同步心脏起搏器。有两种通用型式的同步心脏起搏器：按需式同步心有两种通用型式的同步心脏起搏器：按需式同步心脏起搏器和心房同步心脏起搏器。脏起搏器和心房同步心脏起搏器。

13、按需式同步心脏起搏器方框图按需式同步心脏起搏器方框图 定时电路输出电路电极复位电路放大器 心房同步心脏起搏器方框图心房同步心脏起搏器方框图 心房电极放大器单稳多谐振荡器120ms单稳多谐振荡器2ms输出电路心室电极 9.2.5心脏除颤器心脏除颤器 心脏纤颤是由各个心肌细胞的不同步收缩引起的，心心脏纤颤是由各个心肌细胞的不同步收缩引起的，心脏纤颤可导致心功能的完全丧失。脏纤颤可导致心功能的完全丧失。通过对心脏的电击可以恢复正常心律。实现这种功能通过对心脏的电击可以恢复正常心律。实现这种功能的电器装置称为除颤器。的电器装置称为除颤器。除颤器是一种对病人提供强电击，把过快、无效的心除颤器是一种对病人

14、提供强电击，把过快、无效的心律失常恢复为正常心律的仪器。律失常恢复为正常心律的仪器。除颤器有四种类型：交流除颤器、电容放电除颤器、除颤器有四种类型：交流除颤器、电容放电除颤器、电容放电延时线除颤器和方波除颤器。电容放电延时线除颤器和方波除颤器。（1）交流除颤器）交流除颤器 （2）电容放电除颤器）电容放电除颤器 （3）电容放电延时线除颤器）电容放电延时线除颤器 （4）方波除颤器）方波除颤器 （5）除颤电极）除颤电极电极必须同身体保持很好的接触，以便能量从除颤器到电极必须同身体保持很好的接触，以便能量从除颤器到达心脏，而在电极达心脏，而在电极/皮肤界面上没有损耗。皮肤界面上没有损耗。除颤电极的第二

15、个重要性能是必须使用安全。除颤电极的第二个重要性能是必须使用安全。除颤器使用两种电极：体内除颤电极和体外除颤电极。除颤器使用两种电极：体内除颤电极和体外除颤电极。体内除颤电极是一种匙形的金属电极，可以直接放在体内除颤电极是一种匙形的金属电极，可以直接放在心脏上。心脏上。体外除颤电极由一个大的金属圆盘放在直径约为体外除颤电极由一个大的金属圆盘放在直径约为100mm的绝缘圆盘上所构成。的绝缘圆盘上所构成。（6）同步）同步 对于在胸部使用的大多数除颤器都有同步的功能，这对于在胸部使用的大多数除颤器都有同步的功能，这是一种电子传感和触发电路，旨在确保在是一种电子传感和触发电路，旨在确保在ECG的的QR

16、S波波期间施加电击，因为在期间施加电击，因为在ECG的的T波常常会引起心室颤动。波常常会引起心室颤动。（7）自动体外除颤）自动体外除颤 9.2.6 高频电刀高频电刀 高频电刀是一种取代机械手术刀进行组织切割的电外高频电刀是一种取代机械手术刀进行组织切割的电外科器械。它通过电极尖端发出的高频高压电流与肌体接触科器械。它通过电极尖端发出的高频高压电流与肌体接触时对组织进行加热，实现对肌体组织的分离和凝固，从而时对组织进行加热，实现对肌体组织的分离和凝固，从而起到切割和止血的目的。起到切割和止血的目的。最早的高频电刀的高频电能是采用火花塞放电式高频最早的高频电刀的高频电能是采用火花塞放电式高频振荡器

17、所产生，后来发展为采用大功率电子管、大功率晶振荡器所产生，后来发展为采用大功率电子管、大功率晶体管、大功率体管、大功率MOS管。管。1.高频电刀的设计原理高频电刀的设计原理 高频电刀输出的典型波形：高频电刀输出的典型波形：（1）电凝）电凝射频频率：射频频率：250KHz2.0MHz；调制（波镞）：调制（波镞）：120个个/S左右；左右；输出电压（开路）：输出电压（开路）：3002000V；输出功率（输出功率（500负载）：负载）：80200W。（2）电切）电切 射频频率：射频频率：500KHz2.5MHz；调制：直接输出或经调幅处理；调制：直接输出或经调幅处理；输出电压（开路）：输出电压（开路

18、）：9000V左右；左右；输出功率（输出功率（500负载）：负载）：100750W。9.3 激光治疗仪激光治疗仪9.3.1激光产生原理激光产生原理 激光（激光（laser）是受激辐射光放大的缩写。）是受激辐射光放大的缩写。（1）受激吸收）受激吸收（2）自发辐射）自发辐射（3）受激辐射）受激辐射 （4）粒子数反转）粒子数反转粒子数反转的两个条件：粒子数反转的两个条件：工作物质的结构，应具有寿命较长的较高能级，受激状工作物质的结构，应具有寿命较长的较高能级，受激状态的寿命可达千分之几秒，即激发态为亚稳态；态的寿命可达千分之几秒，即激发态为亚稳态；施加外来能源对工作物质进行激励，将大多数粒子由基施加

19、外来能源对工作物质进行激励，将大多数粒子由基态激发到高能级。态激发到高能级。（5）光放大）光放大 实现粒子反转后，处于亚稳态的粒子虽可受特定光子实现粒子反转后，处于亚稳态的粒子虽可受特定光子激励产生受激辐射，但仅靠光子一次通过工作物质的增益激励产生受激辐射，但仅靠光子一次通过工作物质的增益作用是极有限的，为实现激光输出，还需要光学反馈装置，作用是极有限的，为实现激光输出，还需要光学反馈装置，这就是光学谐振腔。这就是光学谐振腔。9.3.2激光的基本特性激光的基本特性（1）方向性强）方向性强（2）单色性好）单色性好（3）亮度高）亮度高（4）相干性好）相干性好 9.3.3激光器的类型和基本组成激光器

20、的类型和基本组成激光器的主要构件是谐振腔和激励源。激光器的主要构件是谐振腔和激励源。谐振腔由腔内的激光媒介物（也称为工作物质）和反射镜谐振腔由腔内的激光媒介物（也称为工作物质）和反射镜构成。构成。激光媒介物：激光媒介物：谐振腔内的激光媒介物的特性决定了激光的谐振腔内的激光媒介物的特性决定了激光的输出波长。输出波长。激光媒介物可以是：激光媒介物可以是：气体；气体；有机染料；有机染料；掺杂质的透明晶体棒；掺杂质的透明晶体棒；半导体的半导体的PN结。结。激励源：激励源：气体激光一般用直流或射频电流激发；气体激光一般用直流或射频电流激发；染料激光和固体激光一般用另一激光器或闪光灯的强光染料激光和固体激

21、光一般用另一激光器或闪光灯的强光激发。激发。半导体激光用电流在半导体激光用电流在PN结附近产生电子空穴对来激结附近产生电子空穴对来激发。发。9.3.4生物医学激光束的传输生物医学激光束的传输 激光器输出镜的激光束是通过光束传输系统引导到组激光器输出镜的激光束是通过光束传输系统引导到组织的作用点。所有的生物医学激光器都有一个同轴瞄准束织的作用点。所有的生物医学激光器都有一个同轴瞄准束照射组织上的入射点，同轴瞄准束一般由照射组织上的入射点，同轴瞄准束一般由HeNe激光器激光器产生。产生。1光束引导方式光束引导方式通常有两种光束引导方式：通常有两种光束引导方式：激光束波长在激光束波长在2.1m400

22、nm之间使用弹性的之间使用弹性的SiO2光导光导纤维，光导纤维长度限制在纤维，光导纤维长度限制在13m；波长超过波长超过2.1m采用带有光束引导镜的关节臂状连接物采用带有光束引导镜的关节臂状连接物引导。引导。9.3.5激光的生物效应激光的生物效应 生物组织吸收激光能量会产生一系列生物效应。通常生物组织吸收激光能量会产生一系列生物效应。通常认为直接效应有五种：热效应、光化效应、压强效应、电认为直接效应有五种：热效应、光化效应、压强效应、电磁效应和生物刺激效应。磁效应和生物刺激效应。激光的直接生物效应，既与激光的物理特征有关，也激光的直接生物效应，既与激光的物理特征有关，也和机体组织的生物物理特征

23、有关。和机体组织的生物物理特征有关。（1）热效应）热效应 激光作用到生物组织会使生物组织发热，导致组织温激光作用到生物组织会使生物组织发热，导致组织温度升高。产热量的多少、温升的高低同激光的类型、激光度升高。产热量的多少、温升的高低同激光的类型、激光的功率密度和组织的特性有关。的功率密度和组织的特性有关。不同的温度对组织的效应为：不同的温度对组织的效应为：3840：温热感；：温热感；4250：热致水泡；：热致水泡；5560：热致凝固；：热致凝固；100：热致沸腾；：热致沸腾；300400：热致炭化；热致炭化；530：热致燃烧；：热致燃烧；5730：热致汽化。：热致汽化。临床上应用激光的热效应可

24、进行治疗。用弱激光的热临床上应用激光的热效应可进行治疗。用弱激光的热量可改善局部细胞组织的功能；用强激光的热效应可破坏量可改善局部细胞组织的功能；用强激光的热效应可破坏病变细胞、组织块凝固性坏死、防止活动性出血、去除部病变细胞、组织块凝固性坏死、防止活动性出血、去除部分表面组织、进行切割及分离等。分表面组织、进行切割及分离等。（2）光化效应）光化效应 生物组织接受激光光能后发生了某些化学变化，可导生物组织接受激光光能后发生了某些化学变化，可导致一系列光生物效应。致一系列光生物效应。在生物医学领域，光化学反应的主要类型有：光致分在生物医学领域，光化学反应的主要类型有：光致分解、光致氧化、光致聚合

25、、光致异构和光致敏化等。解、光致氧化、光致聚合、光致异构和光致敏化等。（3）压强效应）压强效应 高功率密度的压强效应应用于激光手术刀可迫使生物高功率密度的压强效应应用于激光手术刀可迫使生物组织分离，可用于给房角打孔以减低眼压治疗青光眼；给组织分离，可用于给房角打孔以减低眼压治疗青光眼；给晶状体打孔治疗白内障，给虹膜打孔代替虹膜切除术等。晶状体打孔治疗白内障，给虹膜打孔代替虹膜切除术等。（4）电磁效应）电磁效应 高电场强度的激光束进入机体可导致生物组织电系统高电场强度的激光束进入机体可导致生物组织电系统的剧烈变化，出现生物效应：的剧烈变化，出现生物效应：电场强度达到电场强度达到105V/时，可破

26、坏组织的结合力使组织时，可破坏组织的结合力使组织离化；离化；电场强度达到电场强度达到108V/时，可使生物偶极子发出二次或时，可使生物偶极子发出二次或三次谐波，当谐波处于蛋白、核酸的吸收峰，使这些大分三次谐波，当谐波处于蛋白、核酸的吸收峰，使这些大分子变性受损；子变性受损；电场强度达到电场强度达到109V/时，可致生物大分子产生相当活时，可致生物大分子产生相当活泼的自由基，从而明显地损伤细胞；泼的自由基，从而明显地损伤细胞；激光电场引起的效应，如拉曼效应和电致伸缩，均会引激光电场引起的效应，如拉曼效应和电致伸缩，均会引起组织损伤。起组织损伤。（5）生物刺激效应）生物刺激效应 刺激是生物机能学的一个概念，指能引起机体出现刺激是生物机能学的一个概念，指能引起机体出现反应的各种环境变化。反应的各种环境变化。弱激光对机体的刺激包括了光化效应后的化学刺激、弱激光对机体的刺激包括了光化效应后的化学刺激、光热效应后的热刺激、光压强效应后的机械刺激等。光热效应后的热刺激、光压强效应后的机械刺激等。生物接受上述刺激的应答性反应可有两种形式：兴奋生物接受上述刺激的应答性反应可有两种形式：兴奋或抑制，取决于激光的相对剂量和反应类型。或抑制，取决于激光的相对剂量和反应类型。