现代医学电子仪器原理与设计

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现代医学电子仪器原理与设计
第七章 心脏治疗仪器与高频电刀
3.强度-时间曲线 强度阈与时间阈之间存在 一定的关系,这种关系用 强度-时间曲线来表示, 如图7-4所示。
(1)典线上的每一点代表一个阈刺激。 (2)基强度:刺激时间无论多长,必须有一个最
低的强度阈值,即基强度。 利用时:以基强度作为刺激强度引起组织兴奋 所需要的最短刺激时间。
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第三章 信号处理
第一级电压增益
结论:(1)第一级的输出回路里不产生共模 电流,电路的共模抑制能力与外回路电阻是 否匹配完全无关。(2)并联结构的电路能方 便地实现增益的调节。(3)电路具有完全对 称形式,有利于克服失调、漂移的影响。
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第三章 信号处理 第一级输出端存在共模误差的输出电压:
第七章 心脏治疗仪器与高频电刀
按照起搏器与患者心脏活动发出的P波与R
波的关系分类有两种:
(1)非同步型(固定型)——起搏脉冲与P波、 R
波无关。
(2)同步型起搏器——分为P波同步、R波同步。
3.按起搏电极分类 (1) 单极型:
阴极→起搏导管(或导线)→静脉或开胸
→右Hale Waihona Puke 室(或右心房),阳极(无关电极)→腹部
大多数哺乳动物动物神经肌肉组织产生刺 激兴奋的最佳频率都是在100Hz左右。
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第七章 心脏治疗仪器与高频电刀
一、刺激方式与效应 (一)电刺激的类型
脉冲发生器——产生使神经去极化 的脉冲序列;
电 刺 激 导联线——把脉冲传输到刺激部位; 系 统
电极——把脉冲安全、有效地传输 到可兴奋组织。
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第七章 心脏治疗仪器与高频电刀 (3)时值:用基强度的2倍作为刺激强度,所
引 起组织兴奋所需要的最短刺激时间。 结论: (1)为得到有效刺激,通常采用电流I=2IR, 脉宽略大于时值的信号,此时产生 兴奋所需能量最小。 (2)不同组织的强度-时间曲线形状相同, 但各自的基强度和时值不相同。
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第七章 心脏治疗仪器与高频电刀 4.反拗期 反拗期(niù ):同步型起搏器对外信号不敏
感时间(=不应期)。 R波型:反拗期=300±50ms。防止T波或起
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第七章 心脏治疗仪器与高频电刀 3.用于研究:
心血管生理和病理以及药理和临床应用 的实验研究。
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第七章 心脏治疗仪器与高频电刀
(一)心脏起搏器的分类
1.按照起搏器与病人的关系分类
(1) 感应式: 原理:体外起搏脉冲载波发射→体内接受器 (感应线圈)→解调(检波)→起搏脉冲→电极 →心脏。 优点:体内无电源,无电池使用寿命之忧。 缺点:接受效果不佳,易受高频磁场干扰。
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第七章 心脏治疗仪器与高频电刀 经皮刺激
特点:电极置于体内,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。 应用:短期或长期的刺激需要,但不是 永久性的。 植入式刺激 特点: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 分和体外部分的联系是通过非接触进行的。
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第三章 信号处理 常用的设计方法有公式法、图表法和计算机
辅助设计法。
计算机辅助设计法: 滤波软件设计法和网络在线设计工具。 Microchip Technology Inc: FilterLab National Semiconductor Corporation: WEBENCH Active Filter Designer
第三章 信号处理 1.由电阻失配所造成的CMRRR
由外电路电阻失配限定的放大器的共模抑 制比为:
结论:电阻失配造成的CMRRR与电阻匹配误 差δ和放大器的闭环差模增益Ad有关。并且电 阻匹配误差越小,闭环差模增益越大,放大 器的共模抑制能力越大。
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第三章 信号处理 2.器件本身的共模抑制比CMRRD 定义: CMRRD为放大器开环差动增益A'd与共 模增益A'c之比,即
共模抑制比(CMRR)是指差分放大器对同 时加到两个输入端上的共模信号的抑制能力。
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第三章 信号处理
(3)低噪声、低漂移 措施: (a)差动输入形式 (b)电路对称结构,严格挑选器件,抑制零
点漂移 (c)采用调制式直流放大器 (d)设置“复零”电路,将基线在特殊情况 下 (4)设复置零保护电路
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第七章 心脏治疗仪器与高频电刀
3.感知灵敏度 感知灵敏度是指起搏器被抑制或被触发所
需最小的R波或P波的幅值。 R波同步型=1.5~2.5mV。(R波=5~15mV, 路径损失剩下2~3mV) P波同步型=0.8~1mV。 (P波=3~5mV,路 径损失后更小)
合理选取:过低—不感知、感知不全; 过高—误感知、干扰敏感。
第三章 信号处理
第二节 隔离级设计 隔离:信号从浮地部分传递到接地部分,两部
分之间没有电路上的直接联系。 实现电气隔离有两种方案:电磁耦合;光电耦
合。 第三节 生理放大器滤波电路设计
滤波电路最常采用由集成运算放大器和 RC网络组成的有源滤波器。它的功能是允许 指定频段的信号通过,而将其余频段的信号加 以抑制或使其急剧衰减。
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第七章 心脏治疗仪器与高频电刀
一、人工心脏起搏器的作用 1.用于治疗:
病症:心律失常(高度或完全性房室传 导阻滞、重度病态窦房结综合症等)
2.用于诊断: ①心房调搏辅助诊断→冠心病。 ②心房超速起搏法诊断→窦房结功能不全。 ③预测完全性房室传导阻滞→是否将发生心 脑综合症。
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第三章 信号处理 集成仪器放大器的技术参数主要包括以下几种: 1.输入阻抗 2.共模抑制比(CMRR) 3.偏置电流 4.输入失调电压 5.输入噪声
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第三章 信号处理 4.前置级共模抑制能力的提高
(一)屏蔽驱动 (二)右腿驱动技术
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持刺激脉冲的频率和脉宽不变,改变刺激脉冲
的幅度。
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第七章 心脏治疗仪器与高频电刀 1.强度阈 若电刺激的作用时间一定,则刺激强度必须达 到某一最低值,才能引起组织兴奋,此值称为 刺激强度的阈值(简称强度阈)。 2.时间阈 若刺激强度一定,能引起组织兴奋的最短刺激 时间(脉冲宽度),即称为组织兴奋的时间阈 值。
由于
,并且
,得到
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第三章 信号处理 2.器件本身共模抑制比的影响
A1的输出端形成的共模电压为
A2的输出(即放大电路的共模输出)为
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第三章 信号处理 放大器的总共模抑制比为
结论:同相串联结构的放大电路共模抑制 能力的提高,取决于所用的器A1、A2本身的 共模抑制比是否相等,并且受外回路电阻的 匹配精度影响。
现代医学电子仪器原理 与设计
2020/11/23
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第三章 信号处理 第一节 生物电放大器前置原理 基本要求 差动放大电路分析方法 差动放大应用电路 前置级共模抑制能力的提高
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第三章 信号处理 1.基本要求 (1)高输入阻抗
理论上,源阻抗和电极阻抗都是频率的函 数,并且随频率的增加成下降趋势。 (2)高共模抑制比 放大器的共模抑制比的定义:
仅构成固定型起搏。 应用:已趋于淘汰。
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第七章 心脏治疗仪器与高频电刀
(2) 经皮式(体外携带式): 原理:体外(按需或固定)起搏器→电极经 皮肤、静脉→心脏。 优点:起搏频率、输出幅度、脉冲宽度、感 知灵敏度等均可调。 缺点:导线经过皮肤,易感染,携带不便, 应用:仅用于临时抢救,不宜永久佩带。
皮下(体外起搏器)或置于胸部(埋藏式起搏器,
外壳即阳极)。
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第七章 心脏治疗仪器与高频电刀
(2)双极型: 阴极、阳极均与心脏接触(固定在心肌
上) ;或阴极→心内膜,阳极→心腔内。 (二)各类起搏器简介
1. 固定型起搏器 2.R波同步型起搏器
(1)R波抑制型(又称为按需型)
(2)R波触发型(又称为备用型) ………………….
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第七章 心脏治疗仪器与高频电刀
按电刺激部位分为三类:⑴表面刺激;⑵ 经皮刺激;⑶植入式刺激。 表面刺激 特点:电刺激系统三部分都在体外,电极 放在皮肤上或要刺激的肌肉的运动点附近, 也可放在特定的穴位上。 应用:神经与肌肉的医疗康复。 局限性:不能可靠的刺激皮肤下面的组织, 也不能刺激深层肌肉。
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第七章 心脏治疗仪器与高频电刀
(二)电刺激与电兴奋的基本因素 刺激波形——方波序列
刺激序列参数——频率、幅度和脉宽
刺激频率尽可能小以防止肌肉疲劳并节约刺 激能量。
决定刺激频率的主要因素是肌肉的融合频率, 即可以获得平滑肌响应的频率。(12Hz~50Hz)
对于表面电极,调节肌肉力量的常规方法是保
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第七章 心脏治疗仪器与高频电刀
第二节 心脏起搏器简介
人工心脏起搏过程: 脉冲电流→心脏(起搏功能障碍、房室
传导障碍)→按一定频率应激收缩。
心脏起搏器功能: 产生电脉冲(一定强度、宽度)→导线、
电极→心脏(心肌)。
心脏起搏系统结构: 心脏起博器(低频脉冲发生器及其控制电
路)、导线、刺激电极、电源。
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第七章 心脏治疗仪器与高频电刀
(3)埋藏式: 原理:埋植于皮下(胸部或腹部),电极→静脉 →心内膜或心肌表面。 适合:永久起搏。目前使用大多属此类。 缺点:电源使用寿命短等。
2.按照与心脏活动的P波和R波的关系分类 兴奋性即心肌受到刺激后引起反应的性能,
又称应激性。
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第一级电路的共模抑制比为CMRR12
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第三章 信号处理 两级放大电路的差动增益为 则两级放大电路的总共模抑制比为
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第三章 信号处理 (二)同相串联结构的前置放大电路
外电阻匹配为
放大电路的差动闭环增益为
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第三章 信号处理 1.分析电阻失配的影响
包括人体安全保护电路和放大器输入保护 电路。
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第三章 信号处理 2.差动放大电路分析方法
外回路电阻的匹配条件为:
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第三章 信号处理 理想闭环差模增益:
此时,共模增益Ac1=0,所以放大器的共模 增益
上述理想状态能达到,影响因素有两个。
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第七章 心脏治疗仪器与高频电刀 (三)电刺激引起组织兴奋的原理
静息状态
兴奋状态
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第七章 心脏治疗仪器与高频电刀
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第七章 心脏治疗仪器与高频电刀
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第七章 心脏治疗仪器与高频电刀 (四)电刺激的其他效应 1.刺激的电化学效应 2.电极腐蚀 3.组织损伤
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第七章 心脏治疗仪器与高频电刀
第一节 电刺激治疗类仪器设计原理 频率小于1kHz时的电流对人体细胞组织的
作用主要是以刺激效应为主。
决定组织兴奋后能否接受下一个刺激而产 生兴奋的关键是组织绝对不应期的长短。
当刺激频率大于1MHz后,几乎没有任何 刺激作用了。这时人体承受电流的能力随频率 逐步增大,其产生的效应主要是热效应。
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第七章 心脏治疗仪器与高频电刀
四、心脏起搏器的几个参数
1.起搏频率 即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60~90次/min 较为合适 2.起搏脉冲幅度和宽度 幅度——电压幅度;宽度——脉冲持续时间。 幅度×宽度∝能量——心搏所需能量(微焦 级)—5V×(0.5~1)ms
共模输出电压uoc折合到放大器输入端的共 模误差电压,即
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第三章 信号处理 结论:共模输入电压因为转化成差模电压而形
成共模干扰电压。 原因:放大器的运算放大器件本身的共模抑制
比不为无穷大。 放大电路的总的共模增益为
整个放大电路的总共模抑制比为
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第三章 信号处理 3.差动放大应用电路 (一)同相并联结构的前置放大电路
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