治疗用电子仪器

1、第五章治疗用电子仪器 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。本章

2、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。治疗用电子仪器 电刺激治疗仪 心脏除颤器 高频电刀 微波热疗治癌仪 射频热疗仪 超声治疗仪 体外冲击波碎石机体外反搏装置 电化学治癌仪 远红外理疗仪 5.1 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

3、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。 电刺激治疗仪的电路结构形式很多，现代的电刺激治疗仪都采用微机控制，由可编程波形发生器产生各种刺激波形，刺激脉冲的宽度、频率、幅度以及刺激的起始时间及持续时间等也都用微机控制。既可以恒压输出又可恒流输出，恒压输出最大可达160V，恒流输出最大可达100mA。 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

4、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。在变压器输出端，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。其原理是在脉冲变压器输出回路中串联一个测流电阻，在这个电阻上可得到与刺激电流成正比的脉冲电压信号，此信号经光电耦合后送A/D转换器，由微机

5、实时采集电流大小，再由微机根据刺激电流的大小实时调节D/A输出，从而调节刺激电流保持恒定，这也就是通过微机自动控制刺激电流的大小及恒定，而不是采用电流负反馈电路自动调节。另一方面，微机将电流大小送显示数码管实时显示。 电流检测的另一目的是过载保护，当刺激电流超过一个设定的安全值时，过载保护电路会停止刺激脉冲合成电路的输出，从而保证了由于意外情况对病人造成的伤害。 电刺激治疗仪采用光电隔离和变压器隔离保护措施，以保证人身的电气安全。 5.2 心脏除颤器 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。心脏发生纤维性颤动(分心房纤维性颤动和心室纤维性颤动，

6、简称房颤和室颤)，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)。心脏起搏与心脏除颤的区别是：后者除颤时将一次瞬时高能脉冲作用于心脏，一般持续时间是410ms，电能在40400焦耳（瓦秒）内。 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

7、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

8、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

9、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波的下降沿时才立刻释放，这称为R波同步除颤 。5.3 高频电刀 高频电刀(High-Frequency Electrotome )（高频手术器）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，

10、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。 高频电刀自1920年应用于临床至今，已有70多年的历史了，经历了火花塞放电大功率电子管大功率晶体管大功率MOS管四代的变更。随着计算机技术的普及应用和发展，目前，高性能的单片机广泛应用在高频电刀的整机控制中，实施了对各种功能下功率波形、电压、电流的自动调节，各种安全指标的检测，以及程序化控制和故障的检测及指示。因而大大提高了设备本身的安全性和可靠性，简化了医生的操作过程。国内60年代就出现了电子管式和火花放电式高频电刀，90年代出现了采用

11、先进的VMOS场效应功率管的高频电刀。 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，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、单极模式、单极模式电路由高频电刀内的高频发生器、病人极板、接连导线和电极组成。在大多数的应用中，电流通过

12、有效导线和电极穿过病人，再由病人极板及其导线返回高频电刀的发生器。注意：注意：能摧毁病变组织的高频电刀的加热效应，并不是由加热电极或刀头造成的，像电烧灼器那样。它是将高电流密度的高频电流聚集起来，直接摧毁处于与有效电极尖端相接触一点下的组织的。当与有效电极相接触或相邻近的组织或细胞的温度上升到细胞中的蛋白质变性的时候，便产生凝血，这种精确的外科效果是由波形、电压、电流、组织的类型和电极的形状及大小来决定的。为避免在电流离开病人返回高频电刀时继续对组织加热以致灼伤病人，单极装置中的病人极板必须具有相对大的和病人相接触的面积，以提供低阻抗和低电流密度的通道。某些用于医生诊所的高频电刀电流较小、密度

13、较低，可不用病人极板，但大多数通用型高频电刀所用的电流较大，因而需用病人极板。2、双极模式、双极模式双极电凝是通过双极镊子的两个尖端向机体组织提供高频电能，使双极镊子两端之间的血管脱水而凝固，达到止血的目的。它的作用范围只限于镊子两端之间，对机体组织的损伤程度和影响范围远比单极方式要小得多，适用于对小血管（直径4mm）和输卵管的封闭。故双极电凝多用于脑外科、显微外科、五官科、妇产科以及手外科等较为精细的手术中。双极电凝的安全性正在逐渐被人所认识，其使用范围也在逐渐扩大。 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 (纯切、混切)、电灼、电

14、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。 5.4 微波热疗治癌仪 手术、放疗、化疗及免疫治疗是常用的治疗恶性肿瘤的四种方法，但仍有约1/3的患者由于肿瘤得不到控制而死亡。20世纪90年代以来，又有了一种新的治疗方法热疗，可以将癌症治愈率提高，已迅速成为癌症治疗的第五种方法。 热疗有多种透热方法，有射频疗法、激光疗法、超声波疗法以及微波疗法等。目前在我国使用较多的是微波疗法。 加热治癌的机理为：微波等各种辐射波都具有穿透能力。癌细胞富含水分，微波等各种辐射波照射到癌组织后被吸收并转化成热能，当癌肿区被加热到41.5

15、43时，即可抑制癌细胞核糖核酸(RNA)和脱氧核糖核酸(DNA)的合成，导致癌细胞死亡。热疗时，正常组织也受到不同程度的加热，但因正常组织血液循环加速，使得组织内热量消散。而癌细胞本身的低氧张力使其pH值略低，而pH值低的细胞对热敏感，因此癌部温度升高，且体内血液循环相对较差，也使癌肿区局部温度升高。 微波热疗治癌仪的组成包括以下四部分：微波源、辐射器、测温及微机控制。微波源是微波热疗仪的关键部件。使用频率一般为915MHz和2450MHz两种。工作频率与透热深度成反比，即工作频率升高，加热深度变浅。915MHZ的微波穿透深度可达57c。微波源的功率大小可根据肿瘤情况及加热方式(体内、体外)的

16、不同而合理选择，仪器功率范围一般为1040W。微波源有普通微波源和固态微波源两种。普通微波源采用磁控管或金属陶瓷三、四极管微波器件；固态微波源采用微波固态器件。为了适应不同方式和加热的需要，一台仪器中往往采用多个微波源器件，即可分源使用，又可合成使用。 辐射器的作用是将微波能集中在一定范围内，而且能有效地辐射到所需加热区，而对健康组织少升温或不升温。根据加热方式的不同，有各种形状的辐射器。体外加热用的有圆形和方形；体内加热用的有杆形直肠辐射器、棒状颈辐射器、尿道辐射器、食道辐射器、鼻腔辐射器等；而组织间加热使用针状辐射器；聚焦式加热辐射器则将多个辐射器分布在一个圆周上，肿瘤位置置于圆周中心，即

17、各个辐射器的焦点上，这样可以集中加热。 测温在任何方式的热疗中是必须的。目前临床上是采用半导体热敏电阻或热电耦等测温元件置于肿瘤中心，为有创的或少创的；为避免微波的干扰，测温要采用间断式的，即在测温瞬间停止微波输出。当然，最好的方法是无损测量温度和连续测量，目前无损测温方法是研究的前沿课题，有的方案采用微波辐射测量技术，有的方案采用XCT或MRI断层成像中肿瘤形状的改变及组织密度的改变，从而找到与温升之间的关系，有的采用辐射计、光纤测温装置等。 微波热疗仪都采用计算机控制，对加热温度进行自动测量控制。控制部分与微波源采取分立式，即微波源与治疗床放在屏蔽室内，以防微波的泄漏对操作人员造成损害。5

18、.5 射频热疗仪 射频热疗仪是继微波热疗仪之后发展起来的一种新的热疗仪器，它利用射频电磁波作为热源，其治疗深度比微波大，微波仅能对浅表肿瘤 (23cm)加热，而射频最深可达25cm。射频加热将人体的肌肉组织作为导体，通过两个电极将射频信号导入人体，人体内就会产生焦耳热，不同的组织和不同的血运情况，产生的焦耳热也不同。 1.射频热疗治癌仪 射频热疗治癌仪，采用8MHz频率，射频功率1500W，可加热任何深部和大小的肿瘤。仪器采用计算机控制和精密的测温方法，测温精度达士0.2，并使用CT扫描图像制定治疗计划，治疗过程中用CT扫描显示加热分布情况，由计算机控制完成治疗计划、温度控制和功率输出等。 2

19、.射频前列腺治疗仪 射频前列腺治疗仪是利用射频热源专门治疗前列腺肥大疾病的。这种仪器采用200KHz射频电磁波，射频功率源采用高功率VMOS管，输出功率1050W。3.射频消融仪 射频消融仪利用500KHz的射频电磁波，通过心导管将射频能量释放于心脏的异常心电传导组织上，使其局部组织加热，细胞内水分蒸发、干燥、固缩以致坏死。将房室结或房室旁道消融，用于治疗室上性心律失常。 5.6 超声治疗仪 利用超声反射回波信息成像的B超及多普勒超声诊断仪器已广泛应用于临床。利用超声的另外一些特殊性能，如超声波传播的方向性较强，介质质点振动的加速度很大，在液体中会产生“空化效应”，声波聚焦后可产生局部高温等，

20、可以制成各种治疗仪器。常用的有超声热疗治癌仪、超声手术刀、白内障超声乳化仪等。1.超声聚焦热疗治癌仪 超声热疗治癌仪利用聚焦原理，36块压电晶体置于半球形盘内，由同步电子发生器同时向每块压电晶体发激励脉冲，36块压电晶体产生的超声波通过探头与皮肤之间的水囊介质聚焦于体内位于球心 (焦点)处的肿瘤位置上，用B超进行肿瘤定位。焦斑区可产生大于80的瞬间高温和空化效应，这两者可引起蛋白质变性和细胞结构的改变，从而使肿瘤细胞坏死。超声聚焦治癌技术不需要切割皮肤，治疗深度可达15cm，而且还由于焦斑处为瞬时高温形成，无明显热扩散，克服了射频和微波难以对局部深层组织升温，以及干扰温度测控的缺点。2.超声手

21、术刀 超声手术刀是20世纪90年代发展起来的一种新型手术仪器。它利用超声波作用于人体组织的三大效应，即碎裂效应、空化效应和止血效应，切开或碎裂人体组织，具有选择性碎裂、损伤小、精度高、能止血等独特的优点。超声手术刀不同于高频电刀、微波手术刀、激光手术刀等，它不产生焦痂、烟雾和焦味。 碎裂效应是由声辐射头发射的超声波振动加速度达到切割阈值 (50000g，g为重力加速度)时，辐射头辐射出大量的声微波，促使生物组织碎裂。碎裂效应主要体现于骨科精细手术。 空化效应是对于含水量较多的组织，如脑瘤、肝肿瘤等，超声波在其中产成大量气泡，这些气泡的内外压差可达数千巴。大量气泡的爆裂使周围的组织乳化成乳胶体，

22、以便使用负压吸引器吸出，使手术视野清晰。 止血效应是超声波能使生物组织脱水，导致微血管收缩，达到止血目的。 超声手术刀的主要组成部分包括：超声发生器、换能器、超声辐射头 (手术刀)、手动与自动控制系统及自动故障诊断保护系统、负压吸引器和冲洗器。换能器采用压电陶瓷换能器，工作频率分别为23KHz和30KHz。碎裂效应使用23KHz，空化效应使用30KHz，输出功率100W。超声辐射头做成各种形状，以满足不同手术需要。超声手术刀可进行多种外科手术，如眼科手术、脑肿瘤、肝肿瘤、截肢及腹腔镜手术等。5.7体外冲击波碎石机 体外冲击波碎石机是应用聚焦技术，通过介质将体外产生的冲击波 (或连续超声波)传入

23、体内，将人体深部的结石 (如肾结石、尿道结石、胆道结石)震碎，然后自然排出体外。 根据冲击波产生的原理不同，体外冲击波碎石机可分为液电式；电磁式；压电式；聚能激光式；微爆炸式等。国内产品主要是液电式。 液电式冲击波碎石通过X射线机或B超定位，由位于半椭球反射体的第一焦点(F1)处的水下火花放电产生的冲击波，经半椭球反射体反射并经水囊介质进入人体，聚焦于反射体的第二焦点 (F2)处，被精确定位于第二焦点处的结石被聚焦的高能量密度的冲击波所粉碎。 体外冲击波碎石机的系统由以下部分组成：1. 冲击波发生器 冲击波发生器由高压脉冲发生器及水下放电电极组成。高压脉冲发生器采用高压电 容充放电原理，充电电

24、压约1.82.5万伏，由高压开关管控制在1s内的瞬间放电，引起水的爆发性汽化，产生瞬间压力达1000巴的冲击波。2.水囊介质 由于水与人体组织具有相似的声学特性，所以用去气软水作为传导介质，并有水循环去气泡及加温装置。3.结石定位系统 由两个成一定角度的X线电视系统或由一个可旋转的X线电视系统对结石进行定位；有的碎石机采用X线机和B超联合定位，用B超定位可实时监视结石的粉碎过程。 4.计算机控制系统 计算机控制结石定位、电极间隙、X光曝光时间和剂量，控制X线图像的数据采集、存储，控制水处理系统以及打印病例报告等。 5.心电、呼吸监护系统及同步触发 碎石治疗过程要经过几百次至上千次的放电，所以需要心电、呼吸监护系统来监护患者的生理状态。放电的发生要采用心电R波同步触发，这样可减少心脏的并发症。 6.治疗床及运动控制系统 控制床体的运动状态。5.8 体外反搏装置 体外反搏技术利用压缩空气囊在体外进行加压以改善内脏供血，对冠心病、脑血管疾病及其他内脏的退行性疾病有显著疗效。体外反搏装置一般由压缩空气机、反搏气囊 (分上肢气囊、下肢气囊及躯干气囊等)、心电监护及同步系统、计算机控制系统等组