置入式心律转复除颤器的电容器

置入式心律转复除颤器的电容器置入式心律转复除颤器（ImplantableCardioverter-Defibrillator，ICD）是一种有多种程控模式的电子装置，可以针对室性快速性心律失常进行高能量除颤电击、低能量（转复）电击或抗心动过速起搏等形式治疗，对于缓慢性心律失常也可进行常规起搏治疗。起搏器一般只需要输出1～3V的电刺激脉冲就可以起搏夺获心肌，而锂碘电池在输出2.4V左右时工作良好，通过电压放大器可以把起搏器发放的电脉冲升高到7V（个别可达10V）。然而，除颤所需要的电压远远高于这个数字，ICD一次治疗发放的电压往往是500～700V，甚至更高。ICD所采用电池为锂-氧化银钒电池或锂-二氧化锰电池，前者的单体工作电压为2.5~3.2V，后者为2.8~3.2V，这个数量级的电压距离成功除颤所需要的电压相差很大。ICD的电池能够产生的电荷足够发放许多次电击，但却不能在一个时间点产生大量电荷。高压电容器的使用解决了这个难题。电压放大器只能小幅增高电压，而电容器则能先保存一定量的电荷，随后再快速将电能释放出来。电容器就像一个桶，电池就像水泵一样不停地向桶内注入电荷，直到达到电容器的预定容量，需要时就会把所存储的电量在极短时间内释放出来。在ICD中，电容器是最大的组成成分之一，甚至比电池还要大。一、电容器的概念电容器是一种电子元件，是由绝缘材料分隔的两个具有传导性的表面组成，这两个传导表面被称作极板（金属材料制成），分隔极板的绝缘材料（如干空气或塑料）被称作电介质。电容器就像一个存储器，是储存电（即电荷）的装置。图1电容器充电示意图电容器储存电荷的能力被称作“电容量”（capacitance）。电荷（Q）表示电量；电压（V）表示电位差，代表对电子的驱动力。电容器通过将一个极板上的部分电荷（一定数量的电子）移动到另一个极板上来进行充电。在金属表面的电荷由电子过剩（-）或缺乏（+）引起。1库仑电荷对应6.242×1018个电子的带电量。电荷的再分布可以通过电池（电源）从一边到另一边泵送电子来完成（图1）。泵送的电荷量（Q）与电池的电压（V）成比例，二者比值即为电容量（C）。电荷＝电容量×电压（即Q＝C×V），而（即）。电容量的单位是法拉（F）。电容器1法拉（1F）的电容量，即电压为1伏特（1V）时，产生1库仑的电荷或1安培×1秒（1C＝1A•s），即。电容器的充放电过程1.电容器的充电过程电容器充电时，是电池（电源）将电子从电容器的一侧泵入电容器的另一侧。开始时，电容器完全放电，Vc=0。在充电过程中，随着两个极板上的电荷增加，加载在电容器的电压（Vc）增加，电源向电容器所泵的电子流逐渐减少，由于电介质是绝缘的，当加载在电容器的电压等于电源电压（Vs）时电子流动停止，充电终止，所以电子流也是短暂的（图1）。如图2所示，充电开始时，Vc＝0，根据欧姆定律电子流或电流Ic＝Vs/R，当充电完全时，电流减少为零。当电路中存在电阻时，则削弱了瞬时电流而延长了充电现象。电阻小时，开始时的最大电流大，电容器充电时间短；当电阻大时，开始时的最大电流小，电容器充电时间长。电流和电压的变化曲线呈指数曲线变化。图2电容器充电与电路中电阻的关系2.时间常数电容器的充电时间依赖于电路中的电容量C和总电阻R，两者的乘积τ＝R·C被称为时间常数。时间常数涉及充电的变化率，其提示加载在电容器上的电压每变化剩余部分的63.2%所需要的时间（图3）。图3电容器充电的时间常数Vs=电源电压；Vc＝加载在电容器的电压；Ic＝电路中的充电电流3.电容器充放电时电压及电流的变化电容器经不同电阻充放电时，加载在电容器的电压及充电电流和放电电流变化见图4。经电阻R1充电的过程，电容器与电源、电阻R1连通的开关（SW1）闭合构成充电电路，同时电容器与电阻R2连通的开关（SW2）断开，SW1闭合瞬时的充电电流（Ic）最大，其值等于电源电压（VS）除以R1（即VS/R1），方向与电子流动方向相反；随充电时间延长，加载在电容器上的电压（VC）逐渐升高，经过5倍时间常数（即5R1C）之后，Vc接近等于电源电压（VS），充电电流基本停止，即IC约等于0。当电容器与电源、电阻R1连通的开关（SW1）断开，同时电容器与电阻R2连通的开关（SW2）闭合构成放电电路，电容器经电阻R2放电，此时SW2闭合瞬时的放电电流（ID）最大，其值等于电源电压除以R2（即VS/R2）；随放电时间延长加载在电容器上的电压（VC）逐渐降低，经过5倍时间常数（即5R2C）之后Vc接近等于0，放电电流基本停止，即ID约等于0。当充电电阻小于放电电阻时，充满电所需的时间小于完全放电所需时间；反之，充满电时间大于完全放电时间。图4电容器充放电电路及电流、电压变化示意图三、起搏器输出起搏脉冲的过程及电路普通起搏器输出起搏脉冲的过程大致如下：起搏器的输出电容器（Co）通过内部电阻Rch进行充电，通过心脏本身起搏电阻Rp进行放电。Rp比充电电阻Rch小许多。输出电容器Co充电和放电电路示意图见图5。图5输出电容器Co充电和放电电路示意图起搏输出电容器（Co）的放电开关（S）受起搏器的计时系统控制，当其断开时，电路经过较高的充电电阻（Rch）为起搏输出电容器缓慢充电，充电电流为Ich，则加载在心脏的电压（VH）等于Ich乘以心脏起搏电阻（Rp）。由于Rch高而Ich较小，则VH（也称后电位）也较低，对心脏几乎无影响。如果VH较高时，可能影响起搏器的感知。当加载在心脏上的电压等于电源电压（Vs）时，充电电流停止（Ich＝0）。当放电开关（S）闭合时，起搏输出电容器（Co）向心脏放电，放电电流为Idis，则加载在心脏的电压（VH）等于电容器两个极板之间的电压，在放电即刻等于电源电压（Vs），在起搏脉冲脉宽计时结束时，放电开关S断开，刺激脉冲终止，刺激脉冲较强可以起搏夺获心肌。整个过程中充电电流（Ich）与放电电流（Idis）方向相反（图5）。如果起搏器感知到心脏自身电活动，则阻止开关S的闭合而电荷仍然保留在电容器上。四、ICD高压电容器放电图6除颤脉冲的斜率及其与脉宽、电阻的关系1.ICD放电斜率当电容器放电向患者发放一个电脉冲时，其电压按指数级下降（图6）。对于起搏器而言，其脉冲的脉宽很短，在脉冲开始与脉冲结束时的电压差别或者降低值正常情况下很小（图6A）。但是对于ICD而言，在高压电容器放电时其放电时间较长，因而脉冲开始与脉冲结束时的电压差别较大。人们用斜率（tilt）来表示电容器从脉冲开始发放到脉冲结束时电压减少的百分比（图6B）。斜率受电容器的状态、电极阻抗、放电时间等因素影响。ICD可以有固定脉宽和固定斜率两种形式来输出电能。当脉宽固定即放电时间固定时，ICD释放的能量随高压电极阻抗的改变而改变，高压电极之间的阻抗越小则斜率越大（图6C）。当斜率固定时，高压电极之间的阻抗越小则脉宽越小（图6D）。研究表明，除颤波的最有效斜率为40%~65%。当ICD发放电击时，ICD或者通过除颤波斜率调整系统，或者通过除颤波脉宽调整系统进行有效的调整。除颤波斜率调整系统，不仅能提供一个最有效的斜率值，而且将发放已程控的能量值，使除颤波的脉宽可以同时相应改变。因此，斜率固定时，除颤能量的设定基于阻抗值，ICD系统能自动改变除颤波脉宽，以确保程控的能量指标符合要求，这种固定斜率的方式几乎被用于所有ICD系统。圣犹达公司生产ICD系统还允许医生选择固定脉冲宽度系统，斜率可变功能的作用和价值是在ICD植入时如果存在高除颤阈值，则通过选择不同的斜率有望解决这一问题。2.ICD放电波形与电路图7单相波及双相波ICD高压脉冲示意图及双相波电路图工程师和临床医生早已认识到除颤时的放电波形可以影响ICD的除颤阈值，即使在相同设置下，双相波比单相波除颤效果更好。单相波是指波形在基线以上同一个方向（图7A），双相波的波形有两相，第1相是在基线以上的正相波，第2相是在基线以下的负相波（图7B）。发放双相除颤脉冲的电路稍复杂些（图7C）：在开关连接位置1时，为1相放电；开关连接位置2时，为2相放电；开关连接位置3时，则通过高压充电器充电。ICD放电能量问题电容器充电过程是将一部分电荷由一个极板转移到另一个极板上，在电荷的转移过程需要耗能，同时也作为一种电势能储存在电容器中。当电容器放电时，这个能量被释放到放电电路的阻抗中，而转化热能。储存在电容器中的能量与电容量以及电压的平方成正比，即（W＝能量，单位焦耳；C＝电容量，单位法拉；V＝电压，单位伏特）。现举例说明电容器释放能量与电压及斜率的关系。一个电容量为120μF的电容器最初充电到200V，其发放一个斜率为65%的电击脉冲，则有多在的能量被释放在患者心脏呢？斜率为65%说明电容器发放的脉冲结束时比开始时电压下降65%，即200V×0.65＝130V，所以脉冲结束时电容器两极板之间仍有200V-130V＝70V的电压。在充电到200V后电容器的电能＝2.4J，在放电结束时电容器的电能＝0.3J，释放到患者的能量2.4J-0.3J＝2.1J。已充电的电容器总共可以得到的能量只能在完全放电即脉冲时限大于5RC时才可能完全发放到心脏。由于脉冲总是被截断，所以释放给患者的能量总小于可以获得的最大能量。脉冲的斜率越小，在可获得的最大能量与释放给患者的能量之间差值越大。通常用伏特（V）或焦耳（J）来描述ICD释放的能量。然而它们是不同物理量的测量单位。电压是指不同电位之间的电势差，经常用于描述家用电器、心脏动作电位以及电池化学特性。焦耳是一个能量单位，1焦耳是指用1牛顿的推动力通过1米的距离所做的功，其能量大约相当于将一个苹果提起3英尺所做的功。一台体外除颤器可发放50J~400J的能量，而300J能量相当于一个1kg的水泥块从30米的高度落下。ICD可发放的能量从0.5J~41J能量，而20J能量相当于一个1kg的水泥块从2米的高度落下。由于起搏脉冲接近于一个恒定电压脉冲，所以心脏起搏脉冲的阈值和脉冲大小用电压（单位：伏特）来表示。体外除颤仪，由于没有使用截断，在高压脉冲结束时电压下降到0伏特，用能量（单位：焦耳）才能恰当地反应脉冲状态。ICD的高压脉冲，不是恒定电压脉冲，在发放过程中电压确实在下降，因此沿用旧惯例，ICD的高压输出用能量（单位：焦耳）来表示。显然，除颤阈值的强度-时间曲线是可以用电压和脉宽表示的。五、ICD高压电容器的维护1.高压电容器的结构由于ICD中的电容器需要达到高电压、高电容量和小外壳的要求，目前所采用的是铝电解电容器或湿式钽电解电容器。铝电解电容器的极板是两块铝箔组成，中间的绝缘电介质是极薄的氧化铝（Al2O3）。电介质薄片通过氧化作用在阳极表面形成，薄片的厚度与氧化电压呈比例。作为阳极层的铝箔通过蚀刻化和粗糙化处理接触表面，其电容量增加数倍（图8A）。2.电容器的电能泄漏如果跨电容器终端电压较低（或缺乏电压），铝氧化层的厚度会由于电容器中正常的化学反应而缓慢减小。也就是说，没有周期性给电容器充电，电介质就会随着时间的推移而逐渐衰退和变形。此时，电容器将使一些存储的电能泄漏（图8B）。在应用更高电压时，渗漏的电流会增加而性能下降，结果导致ICD需要更长的充电时间才能充满除颤的所需要的能量。图8ICD的高压电容器中电介质的变形示意图湿式钽电容器也类似，其电介质为氧化钽，也存在随时间推移的变形衰退现象。3.高压电容器的重整幸运的是，可以通过周期性对高压电容器重整来避免电容器缓慢泄漏电能。所谓ICD的电容器重整就是先往电容器内充满电量然后再缓慢释放，这个过程是渐进的，对患者没有任何影响。这种周期性充电是为了保持电介质的完整，也为了减少渗漏。现代ICD都可以自动完成电容器重整，一般以1~6个月规律的间隔周期（可程控为1个月）自动进行。一些老的和特殊型号的ICD可能需要医生通过程控仪手动时行电容器维护（重整或充电）。具有自动电容器维护功能的ICD根据放电所需要的电池电压和自动调整功能制定方案时行电容器的维护。如果患者出现快速心律失常，其识别使得高压电容器充电达到（或）高于维护电压，则维护的计时器将会重置。当电池电压达到3.05V时，为了避免电池的“电压衰减”，一些ICD（如圣犹达公司）中的软件会自动调整电容器重整时间为1个月。高压电容器充电时间延长问题为了能够快速治疗需要除颤的恶性室性快速性心律失常，高压电容器的充电时间需要尽可能地短。导致高压电容器充电时间延长有三方面原因：=1\*GB3①电容器的电介质变形，高压电容器维护（重整）不足；=2\*GB3②电池内电阻增加以及电压降低（如接近ERI而电池低电压）；=3\*GB3③充电器、电容器等元件偶然功能障碍等。在现代ICD中，每次电击及自动重整后的充电时间都被测量并记录在存储器中。在随访时必须评估这些充电时间。充电时间超过12s时需要密切关注并频繁随访，若超过15s则需要更换ICD的脉冲发生器。如果ICD充电时间过长，需要注意以下几点：检查自动重整功能（了解是否是老一代型号而需要手动重整）。核实高压电容器的状态（什么时候进行的末次完全充电或重整？在BOL时，每90天重整一次，接近ERI时，每30天重整一次。）核实电池的状态（检查电压，是否为ERI？）若仍不能确定，可进行一次手动重整，将电荷转储到内部测试负荷。10分钟后再试一次。若电池是好的，但充电时间仍很长，则可能是充电器或电容器功能异常。如果充电时间仍大于15s，需联系厂家。ICD的高压充电环路ICD的充电环路必须将从电池（如两个SVO电池）获得的典型6V电压转换为成功除颤所需的更高电压（常常达到750V）。与起搏器的输出电容器不同，高压电容器的充电是通过充电器一点一点进行的。ICD的高压电容器的充电环路由电池、充电器和高压电容器组成（图9）。图9ICD的高压充电环路ICD高压充电器由开关、变压器和整流二极管三个主要部分构成。开关允许一点一点的少量充电。变压器将低水平电压转换为高水平电压。变压器有两个线圈，通过开关与电池相连的线圈为初级线圈，另一个为次级线圈与整流二极管和高压电容器相连。整流二极管仅能向一个方向传导，可以防止电荷向后（反向）流动。开关。高压充电电路的开关实际是通过高频振荡器（例如50kHz）控制的晶体管来实现的。通过周期性连接电池与变压器的初级线圈而周期性产生少量电荷。在识别到心动过速后并提示电击时，中央微处理器打开振荡器，当高压电容器达到设定能量的预期电压时，中央微处理器关闭振荡器。ICD电池电压（Vb）保持恒定，而通过开关与电池相连的变压器初级线圈上的电压（Vp）在0（当开关断开时）与Vb（开关闭合时）之间变化。每次开关闭合时，电流（Ip）流过初级线圈，同时电池的部分能量存储在变压器的磁场中。当变压器由磁能充电时，电流Ip的变化与时间几乎呈线性关系。变压器。当电流流动穿过传导环时，将会产生磁场，其强度与电流成正比，变化的电流产生变化的磁场。当变化的磁场穿过电路环时，将会在环中产生感应电压。若磁场保持稳定，则没有感应电压产生。通过大量串联的环路（线圈）可以使感应电压成倍增加。变压器有两个线圈，为了优化线圈间的能量转换，二者均缠绕在铁芯上，使磁场集中（图10A）。初级线圈中的由于高频振荡器控制开关形成的交流电产生变化的磁场，这一变化的磁场在次级线