生物电子学
第七章 电刺激
生物（医学）电子学 2
概念
对生物体兴奋组织施加电刺激，用于获取有关信息
和进行治疗。
电刺激的用途
获取有关兴奋、传导和反应的规律
控制和替代生物机能，达到治疗的目的
判断是否存在病理变化（脑、脊髓等疾病的诊断等）
举例
心脏起博器是最成功的电刺激应用。
为心脏提供合适间隔的电刺激，代替心脏传导障碍
造成的兴奋中断。
生物（医学）电子学 3
7-1 电刺激产生兴奋的条件
兴奋的存在性
兴奋是人体和许多其它生物体生命现象的基本特征
例：青蛙，经电刺激，有收缩现象
兴奋的原因
刺激导致产生动作电位，并引起其它机械或生物活
动。
三个阈值
刺激强度
刺激的持续时间（间期）
刺激持续时间对时间的变化率。（三者相互影响）
生物（医学）电子学 4
三个阈值的关系
阈值低，则兴奋高
强度与间期的关系（见图）
刺激强度变化率
图的说明
图上的每一个点代表一个阈刺激，表示在刺激间期
一定时，引起组织兴奋所必须的最低刺激强度；
或者表示在刺激强度一定时，引起组织兴奋所必须
的刺激电流持续时间；
刺激时间长，则所须的强度小；
但刺激时间无论怎么长，都必须有一个最低的基本
强度阈值，称为基强度。
生物（医学）电子学 5
关于刺激强度的变化率
强度渐增的刺激，不引起兴奋
直流刺激，只在通、断电时引起兴奋
变化率太小，导致适应。
关于刺激的频率
由于存在一个不应期，因此频率不能过高
不应期是指单次刺激产生兴奋
之后，在 不应期 内，无论怎样刺
激都不会再次兴奋
哺乳动物的不应期约为 1ms,
即刺激频率 <1000Hz
通常采用 10Hz的频率。
生物（医学）电子学 6
刺激电路举例
生物（医学）电子学 7
7-2 临床电刺激
临床电刺激的应用现状
已经广泛使用的
心脏起博器
除颤装置
实用化研究阶段
控制麻痹装置
人工呼吸器
控制排尿
刺激颈动窦神经治疗高血压
慢性疼痛的消除
脊柱侧弯的校正
生物（医学）电子学 8
基础研究阶段
治疗肠梗阻
固有收缩或痉挛性麻痹肌肉的抑制
促进骨胳的生长和愈合
刺激大脑皮层补偿视觉
刺激耳蜗补偿听觉
目前只是一种设想
增加肾血流量
增加肝血流量
生物（医学）电子学 9
电脉冲毫针刺激
是一种临床应用的电刺激方法，用于配合麻痹肢体运动进
行功能恢复；
在中医针刺麻醉和针刺治疗的基础上，用电脉冲通过毫针
刺激人体的有关穴位，实现治疗；
电刺激的频率范围从几 Hz到几百 Hz。
波形为正负幅度相等的脉冲，脉宽 50us— 500us；
>500us时，心脏有不良反应,<50us时，不能起到治疗作
用
其它临床应用
密波（高频）止痛；
上疏波（低频）促使肌肉产生有节奏的收缩；
可采用疏密波，断续波等进行治疗，以避免组织产生适应
性。
生物（医学）电子学 10
疏密波的产生
生物（医学）电子学 11
断续波的产生
生物（医学）电子学 12
电刺激仪的原理框图
生物（医学）电子学 13
随机码发生器
生物（医学）电子学 14
7-3 心脏起博器
概述
问题
在正常状态下，有心脏窦房结产生的兴奋传导的心房，再
传导到心室引起心脏的搏动
历史
1932年，第一台心脏电刺激起搏器
1952年，利用皮肤电极对心脏刺激，使已经停跳的心脏复
苏
目前，每年植入的起搏器 150000个。
生物（医学）电子学 15
心脏起搏器要解决的问题 /涉及的学科
能源
电极
刺激电极附近的电场
功耗
金属电极周围的反应
心脏细胞对刺激的反应
物理、化学、电生理、电子技术
生物（医学）电子学 16
起搏器的类型
固定频率型
刺激强度和频率是固定的；
刺激脉冲与心脏节律无关；
无感知功能
缺点,
只适用于完全性房室传导阻滞或永久性窦性缓
自身节律与起搏节律之间可能发生干扰，形成竞争节律，导
致心律紊乱
优点,
性能稳定
体积小
功耗低
生物（医学）电子学 17
P波同步型
在心房安装一感知电极，感知 P波后，向心室发出延迟
120ms的刺激脉冲；
在心室安置起搏电极，在其刺激下，心室率随心房率改变
生物（医学）电子学 18
心室同步型
自动控制调整刺激脉冲的发放，避免竞争
具有感知 QRS波的双重功能
当自身心搏 QUR波出现时，起搏器随即取消一个刺激脉冲
若无 QRS波，则发放刺激脉冲
生物（医学）电子学 19
房室顺序型和全自动型
房室顺序型 感知电极置于心室，起搏电极置于心房
当无自身心搏时，心房先起搏，延迟一段，再起搏心室
当有自身心搏时，则抑制刺激脉冲。
全自动型 又称为双腔起搏器
根据心脏的工作情况，自动选择发放刺激脉冲的方式
其性能接近人体心脏的生理需求
其核心为，两个相关脉冲发生器先后按一定的顺序发放起
搏脉冲，房室因刺激而同步收缩,
生物（医学）电子学 20
心脏起搏器的技术指标
基本参数
起搏频率, 72次 /分,+-4次 /分
刺激脉冲的宽度（ ms）、幅度 (V),5V,0.5ms
（脉宽）
灵敏度,起搏器对 QRS波或 P波的感质灵敏度是
能够探测到的心脏电极特征电位的最小值。一般
灵敏度选择,
1.5mV— 2.5mV（对于 QRS波）
0.8mV— 1.0mV（对于 P波）
反抝期,对外界信号不敏感的时间，相当于心脏
的不应期（称为反抝期）。为避免误触发，采用
300ms+-50ms的反抝期。
生物（医学）电子学 21
干扰转换频率
在干扰严重时，将起搏器转换为固定频率式，保证心脏起
搏器不间断。
逸搏间期
感知自身心搏到随后出现起搏脉冲的时间间隔，称为逸搏
间期。一般选择逸搏间期 >起搏间期的 10~15%。
能量补偿
在电压下降时，增加脉宽，以补偿输出能量。
关键技术
材料问题,
电池寿命问题,
采用大规模集成电路以缩小体积,
控制技术。
70年代初我国开始研制植入式心脏起搏器，至今已能生
产锂电池作能源、钛钢全密封、厚膜电路按需型植入式心
脏起搏器。
生物（医学）电子学 22
心脏起搏器的原理电路
生物（医学）电子学 23
心脏起搏器电路的原理说明
组成,
感知放大器，用于感知 R波，并放大
功能控制，由单稳态电路提供反抝期
脉冲发生器，用作受控振荡器
保护电路
电路中,
A1，感知放大器，由心室拾取 R波，整形放大，输出
方波。
二进制计数器：从 511?0,Q1‘产生一个正变化，使
D2的输出 Q2=1，再下一个计数，使 Q1上升，使 Q2复
位。若 A1未探测到信号，则 A2发放一个刺激脉冲。
生物（医学）电子学 24
注意事项
安装上一个质量可靠的心脏起搏器后，病人立即转危为安，心跳可
按起搏器设置的脉冲频率不差分毫的进行跳动，生活即可和正常人
一般。但尽管如此，仍不能放松警惕。
1.因起搏器是一个高精密度的仪器，受很多因素影响，如在高
压线下、强的电磁场内、发动机上都会对起搏器发生大的影响，使
其频率发放不正常而影响起搏功能，因此不要在以上场合下工作或
生活。
2.起搏器不能与硬物碰撞，否则会损坏起搏器而失去正常功能，
造成险情出现。如有一病人，装起搏器后在上班路上不小心跌倒，
正好起搏器碰在石头上，病人立即出现严重心律失常，经立即更换
起搏器后，方转危为安。
3.起搏器的电池都有一定的寿命，当电池将要耗尽时，要立即
更换起搏器，否则会因起搏器失去功能而出现危险。
4.安装起搏器后前三天要卧床,7天内不要剧烈活动，以防导
管电极未被包埋牢固而发生脱位，需要再次手术。
5.术后及术中要注意避免切口污染，术后最好应用抗生素 3－ 5
日以预防感染。
6.术后应定期来院复查心电图，观察起搏器的工作情况。
生物（医学）电子学 25
7-4 除颤
概念
如果心脏产生不正常的多处兴奋的信号，而使得各
自的传播相互干扰，不能形成同步收缩，称为纤维
性颤动。
心房颤动，心室仍可正常工作
心室颤动，十分危险，可能几分钟内死亡
消除颤动，称为除颤
如何除颤
对心脏进行瞬时的强电刺激，使杂乱无章的兴奋相位一致，
恢复心脏正常兴奋节律。
生物（医学）电子学 26
除颤的 4种方法
交流除颤，对心脏有害，目前已经不再使用
电容放电除颤
方波除颤
用途：对于抢救濒于死亡的室颤心脏病人具有重要
的意义。
End of This Chapter
第七章 电刺激
生物（医学）电子学 2
概念
对生物体兴奋组织施加电刺激，用于获取有关信息
和进行治疗。
电刺激的用途
获取有关兴奋、传导和反应的规律
控制和替代生物机能，达到治疗的目的
判断是否存在病理变化（脑、脊髓等疾病的诊断等）
举例
心脏起博器是最成功的电刺激应用。
为心脏提供合适间隔的电刺激，代替心脏传导障碍
造成的兴奋中断。
生物（医学）电子学 3
7-1 电刺激产生兴奋的条件
兴奋的存在性
兴奋是人体和许多其它生物体生命现象的基本特征
例：青蛙，经电刺激，有收缩现象
兴奋的原因
刺激导致产生动作电位，并引起其它机械或生物活
动。
三个阈值
刺激强度
刺激的持续时间（间期）
刺激持续时间对时间的变化率。（三者相互影响）
生物（医学）电子学 4
三个阈值的关系
阈值低，则兴奋高
强度与间期的关系（见图）
刺激强度变化率
图的说明
图上的每一个点代表一个阈刺激，表示在刺激间期
一定时，引起组织兴奋所必须的最低刺激强度；
或者表示在刺激强度一定时，引起组织兴奋所必须
的刺激电流持续时间；
刺激时间长，则所须的强度小；
但刺激时间无论怎么长，都必须有一个最低的基本
强度阈值，称为基强度。
生物（医学）电子学 5
关于刺激强度的变化率
强度渐增的刺激，不引起兴奋
直流刺激，只在通、断电时引起兴奋
变化率太小，导致适应。
关于刺激的频率
由于存在一个不应期，因此频率不能过高
不应期是指单次刺激产生兴奋
之后，在 不应期 内，无论怎样刺
激都不会再次兴奋
哺乳动物的不应期约为 1ms,
即刺激频率 <1000Hz
通常采用 10Hz的频率。
生物（医学）电子学 6
刺激电路举例
生物（医学）电子学 7
7-2 临床电刺激
临床电刺激的应用现状
已经广泛使用的
心脏起博器
除颤装置
实用化研究阶段
控制麻痹装置
人工呼吸器
控制排尿
刺激颈动窦神经治疗高血压
慢性疼痛的消除
脊柱侧弯的校正
生物（医学）电子学 8
基础研究阶段
治疗肠梗阻
固有收缩或痉挛性麻痹肌肉的抑制
促进骨胳的生长和愈合
刺激大脑皮层补偿视觉
刺激耳蜗补偿听觉
目前只是一种设想
增加肾血流量
增加肝血流量
生物（医学）电子学 9
电脉冲毫针刺激
是一种临床应用的电刺激方法，用于配合麻痹肢体运动进
行功能恢复；
在中医针刺麻醉和针刺治疗的基础上，用电脉冲通过毫针
刺激人体的有关穴位，实现治疗；
电刺激的频率范围从几 Hz到几百 Hz。
波形为正负幅度相等的脉冲，脉宽 50us— 500us；
>500us时，心脏有不良反应,<50us时，不能起到治疗作
用
其它临床应用
密波（高频）止痛；
上疏波（低频）促使肌肉产生有节奏的收缩；
可采用疏密波，断续波等进行治疗，以避免组织产生适应
性。
生物（医学）电子学 10
疏密波的产生
生物（医学）电子学 11
断续波的产生
生物（医学）电子学 12
电刺激仪的原理框图
生物（医学）电子学 13
随机码发生器
生物（医学）电子学 14
7-3 心脏起博器
概述
问题
在正常状态下，有心脏窦房结产生的兴奋传导的心房，再
传导到心室引起心脏的搏动
历史
1932年，第一台心脏电刺激起搏器
1952年，利用皮肤电极对心脏刺激，使已经停跳的心脏复
苏
目前，每年植入的起搏器 150000个。
生物（医学）电子学 15
心脏起搏器要解决的问题 /涉及的学科
能源
电极
刺激电极附近的电场
功耗
金属电极周围的反应
心脏细胞对刺激的反应
物理、化学、电生理、电子技术
生物（医学）电子学 16
起搏器的类型
固定频率型
刺激强度和频率是固定的；
刺激脉冲与心脏节律无关；
无感知功能
缺点,
只适用于完全性房室传导阻滞或永久性窦性缓
自身节律与起搏节律之间可能发生干扰，形成竞争节律，导
致心律紊乱
优点,
性能稳定
体积小
功耗低
生物（医学）电子学 17
P波同步型
在心房安装一感知电极，感知 P波后，向心室发出延迟
120ms的刺激脉冲；
在心室安置起搏电极，在其刺激下，心室率随心房率改变
生物（医学）电子学 18
心室同步型
自动控制调整刺激脉冲的发放，避免竞争
具有感知 QRS波的双重功能
当自身心搏 QUR波出现时，起搏器随即取消一个刺激脉冲
若无 QRS波，则发放刺激脉冲
生物（医学）电子学 19
房室顺序型和全自动型
房室顺序型 感知电极置于心室，起搏电极置于心房
当无自身心搏时，心房先起搏，延迟一段，再起搏心室
当有自身心搏时，则抑制刺激脉冲。
全自动型 又称为双腔起搏器
根据心脏的工作情况，自动选择发放刺激脉冲的方式
其性能接近人体心脏的生理需求
其核心为，两个相关脉冲发生器先后按一定的顺序发放起
搏脉冲，房室因刺激而同步收缩,
生物（医学）电子学 20
心脏起搏器的技术指标
基本参数
起搏频率, 72次 /分,+-4次 /分
刺激脉冲的宽度（ ms）、幅度 (V),5V,0.5ms
（脉宽）
灵敏度,起搏器对 QRS波或 P波的感质灵敏度是
能够探测到的心脏电极特征电位的最小值。一般
灵敏度选择,
1.5mV— 2.5mV（对于 QRS波）
0.8mV— 1.0mV（对于 P波）
反抝期,对外界信号不敏感的时间，相当于心脏
的不应期（称为反抝期）。为避免误触发，采用
300ms+-50ms的反抝期。
生物（医学）电子学 21
干扰转换频率
在干扰严重时，将起搏器转换为固定频率式，保证心脏起
搏器不间断。
逸搏间期
感知自身心搏到随后出现起搏脉冲的时间间隔，称为逸搏
间期。一般选择逸搏间期 >起搏间期的 10~15%。
能量补偿
在电压下降时，增加脉宽，以补偿输出能量。
关键技术
材料问题,
电池寿命问题,
采用大规模集成电路以缩小体积,
控制技术。
70年代初我国开始研制植入式心脏起搏器，至今已能生
产锂电池作能源、钛钢全密封、厚膜电路按需型植入式心
脏起搏器。
生物（医学）电子学 22
心脏起搏器的原理电路
生物（医学）电子学 23
心脏起搏器电路的原理说明
组成,
感知放大器，用于感知 R波，并放大
功能控制，由单稳态电路提供反抝期
脉冲发生器，用作受控振荡器
保护电路
电路中,
A1，感知放大器，由心室拾取 R波，整形放大，输出
方波。
二进制计数器：从 511?0,Q1‘产生一个正变化，使
D2的输出 Q2=1，再下一个计数，使 Q1上升，使 Q2复
位。若 A1未探测到信号，则 A2发放一个刺激脉冲。
生物（医学）电子学 24
注意事项
安装上一个质量可靠的心脏起搏器后，病人立即转危为安，心跳可
按起搏器设置的脉冲频率不差分毫的进行跳动，生活即可和正常人
一般。但尽管如此，仍不能放松警惕。
1.因起搏器是一个高精密度的仪器，受很多因素影响，如在高
压线下、强的电磁场内、发动机上都会对起搏器发生大的影响，使
其频率发放不正常而影响起搏功能，因此不要在以上场合下工作或
生活。
2.起搏器不能与硬物碰撞，否则会损坏起搏器而失去正常功能，
造成险情出现。如有一病人，装起搏器后在上班路上不小心跌倒，
正好起搏器碰在石头上，病人立即出现严重心律失常，经立即更换
起搏器后，方转危为安。
3.起搏器的电池都有一定的寿命，当电池将要耗尽时，要立即
更换起搏器，否则会因起搏器失去功能而出现危险。
4.安装起搏器后前三天要卧床,7天内不要剧烈活动，以防导
管电极未被包埋牢固而发生脱位，需要再次手术。
5.术后及术中要注意避免切口污染，术后最好应用抗生素 3－ 5
日以预防感染。
6.术后应定期来院复查心电图，观察起搏器的工作情况。
生物（医学）电子学 25
7-4 除颤
概念
如果心脏产生不正常的多处兴奋的信号，而使得各
自的传播相互干扰，不能形成同步收缩，称为纤维
性颤动。
心房颤动，心室仍可正常工作
心室颤动，十分危险，可能几分钟内死亡
消除颤动，称为除颤
如何除颤
对心脏进行瞬时的强电刺激，使杂乱无章的兴奋相位一致，
恢复心脏正常兴奋节律。
生物（医学）电子学 26
除颤的 4种方法
交流除颤，对心脏有害，目前已经不再使用
电容放电除颤
方波除颤
用途：对于抢救濒于死亡的室颤心脏病人具有重要
的意义。
End of This Chapter
