心脏起搏器的结构

2．3　心脏起搏器的结构

2．3．1　多程控单腔起搏器结构

单腔起搏器在抗心动过缓起搏时普遍使用。按照患者指征情况，可用心房起搏（AAIM）或心室起搏（VVIM）。多次可编程使得起搏器能根据患者指征取得最佳适应，亦即提供术后非侵入式校正起搏参数的可能。

起搏脉冲参数的可程控性不仅避免了无效起搏（起搏阈值变化时发生），而且还能节约能量，因而能延长服务期限，还能通过非侵入式地校正心电信号，检测通道的灵敏度，以及挑选单极或双极工作状态，使得起搏器能不受体内或体外的噪声电位的干扰。

一个典型的可程控单腔起搏器工作原理方框图见图2．13，其中，输入及输出放大器通过电极与心肌相连。噪声抑制电路是一个带通滤波器，以最大限度地提升R波信号噪声比。反拗期电路使一段时间内关闭感知通道，以防止误触发。晶体振荡器产生时钟及计数信号，用于所有控制过程的时间顺序，如频率、折返期、滞后期以及数据输送等。电池的电量由寿命结束（EOL）指针电路监测，当检测到电池电压下降到一定电压时通知主控器产生报警信号。杆簧开关用于磁铁模式，在体外磁铁作用下吸合，它将发出一个信号给主控器，而使起搏转换为固定频率（VOO或AOO），利于监测评估起搏器功能。双向通信系统用于在已植入的起搏器与外部的编程设备之间交换数据，编程过程通过线圈、接收放大器、译码器、控制器与存储器等进行。存储器中存放着永久程式以及临时程式，输出部分由编码器和输出级组成。输出信号包括起搏脉冲与控制参数、运行参数（电池电流、电池电压、电池内阻、电极阻抗、患者信息等）以及心内心电信号与时标信号等。

图2．13　多程控单腔起搏器方框图

用CMOS技术将这样一个多功能程控起搏系统集成在一个单片上，所有的模拟及数字化功能均集成到一个硅片上。控制信号设置8档灵敏度级，然后通过两节带通放大器，起搏脉冲幅度用一个电压倍增器来产生，并可在2．4V至9．6V之间选择。

一个产品实例在抑制状态时器件消耗5μA工作电流，而在70次/min标准起搏频率及输出电压为4．8V时的工作电流为15μA。器件可在电源电压为1．5V至3．0V之间正常工作，相应于锂电池的电压。医生通过双向通信系统以及一个编程单元与起搏器维持联系。通过这一编程单元，使用者可进入编程过程。在输送数据之前为保证患者安全，起搏器首先测试参数设置是否正确。医生还能通过程控仪查询已植入起搏器的型号以及当时使用的激励参数，还能进行自动起搏阈值测量。

图2．14显示一个组装好的组件。集成电路封装到芯片上，在混合基片下面有一个双向通信用线圈，锂电池占据外壳的剩余位置。起搏器外壳由两半组成，材料是能长期抗腐蚀的钛合金，并用激光或电子束焊接密封。环氧硅胶头、电极连接插孔及一个真空密封导管组成了电极连接系统。

图2．14　多程控单腔起搏器整机剖面图

2．3．2　多程控双腔起搏器结构

双腔起搏器心房或心室起搏与控制功能可以分别打开或关闭，因而，全能型双腔起搏器（DDD）能作为所有目前已知类型的（单腔或双腔）起搏器来使用，如：AOO，VOO，AAI，VVI，VAT，VDD，DVI，DDI。在DDD起搏器中，通过技术方法模拟自然的兴奋顺序来使心室与心房相匹配，检测与起搏都与心房中的除极过程同时进行。房室延迟与心房及心室的折返间期一起控制着起搏的顺序。

多程控双腔起搏器方框图见图2．15。与单腔起搏器一样，双腔起搏器也包括数字线路与模拟线路两大部分，主要区别是双腔起搏器需要两路平行的通道来分别处理心房和心室的信号以及起搏。

图2．15　多程控双腔起搏器方框图

使用集成电路技术，现代双腔起搏器的大部分复杂功能都可用一个或几个芯片来完成。这使得起搏器更小型化，效率更高，已被减少的分立元件主要在模拟输入放大级及输出级，这样可以增加起搏幅度与控制灵敏度的可调范围，并增加生理性感知系统，使得治疗病窦综合征一类的变时心功能不足的物理方法成为可能。图2．16是通用双腔起搏器简化方框图。在一片集成电路芯片上集中了系统中的多级带通放大器，模拟数据处理线路，电压放大器，输出级，以及双向通信系统。数字信号处理与控制单元也类似地在另一块IC片上。再加上记忆芯片RAM，就组成了中心逻辑与数据处理单元。

图2．16　通用双腔起搏器简化方框图

双腔起搏器的数字电路框图见图2．17。数字电路包括两部分：运行控制部分及接口界面部分。起搏脉冲序列是由控制器来控制的。控制器的核心是一个微处理器，主要部分是状态寄存器与随机逻辑集成电路。状态寄存器中储存着系统的目前状态并将这一信息传送给逻辑电路，后者将目前状态与其他输入信号综合分析后，控制一组可编程定时器并在需要时在系统时钟的下一周期改变状态。状态控制器的逻辑功能块还发出信号给控制模拟信号的输出寄存器。状态控制器的各种不同的脉冲序列由模式控制寄存器来决定。起搏器不但有大量可程控的控制与起搏参数，还可用作心内电生理测量系统。通过编程头与外部刺激设备联系并同步工作。一个特殊的只读存储器负责将固化的程式按顺序从总线输送给系统的寄存器及定时器。固化的程式可产生近100种不同的状态参数。包括自动检测起搏效果，并根据检测结果自动调整灵敏度、阈值以及起搏脉冲幅度。与定时器组配合还可具有按心率调整动态AV延时等其他功能。

图2．17　双腔起搏器数字电路框图

双腔起搏的模拟电路包括：多级带通放大器、模拟数据采集、输出放大器以及双向通信单元。模拟双向通信单元能通过分析心内电信号来监测心脏工作（图2．18），因而可提供人工传导系统手术效果数据，这些数据能随时从起搏器中“查询”出来，可实时分析心律不齐，按照预置的判据储存三幅心房和心室心内电信号记录。此外，还有一些计数器监视起搏与感知系统工作并用于心率诊断，并以心率直方图的形式储存心内电信号的检测结果，这些直方图可用来评价抗心率不齐药物治疗的效果；起搏器还可用于电生理测量，通过编程头与外部刺激仪之间形成一种同步非侵入式联结。

图2．18　模拟双向通信电路框图

对心房和心室的选择控制主要由多级带通放大器来实现（图2．19）。带通滤波器用以抑制噪声。输入信号在心房和心室通道分别用倍增放大器作“电平分级探测”。同样原理也用来在输出级产生起搏电压（图2．20）。心房和心室的感知灵敏度和起搏电压可分别调节，感知灵敏度分为16挡，起搏电压分为128挡。

图2．19　模拟信号输入电路框图

图2．20　模拟信号输出电路框图

所有的模拟线路都用电容组合（SC）技术来设计，与标准的运算放大器不同，芯片SC线路中使用的放大器不是电压输出而是具有理想转换特性的电流输出，即所谓的运算换能放大器（OTA）。OTA与SC网络联用时耗能极低，原因是驱动电容负载时没有电流涌流。OTA的最大电流输出由其设计所限制。图2．21是SC与OTA网络的例子。这是一个心内电信号通道的输入放大器，第一级是差分放大器，第二级是可程控改变增益的放大器，放大系数由输入电容与反馈电容之比C₁/C₂决定。图中开关符号表示传输门电路，传输门电路的多相驱动方式使整个第二级在运行过程中保持结构的动态平衡。在第二级反馈支路上的四个电容器的不同组合就形成了输入放大器灵敏度设置的16挡。

图2．21　利用组合电容技术的检测放大器

模拟线路块的其余部分都由这种OTA和SC网络组合的动态电路技术组成，特别是输入滤波器，模拟双向通信单元的A/D转换器、模拟输出级的D/A转换器等。滤波器有四个高通极点（80dB/量级）及两个低通极点（40dB/量级）。滤波器中心频率对心房通道为70Hz，对心室通道为40Hz。A/D转换器分辨率为6b，采用自动零点逐次逼近法以及对强、弱信号（电源电压及心电信号）的自动测量分挡。D/A转换器有五个可组合的并联电容器，其工作方式与输入放大器的最后一级反馈支路相似。