单腔心脏起搏器设计

单腔心脏起搏器设计 复旦大学硕士学位论文单腔心脏起搏器设计姓名:王瑜申请学位级别:硕士专业:生物医学工程指导教师:方祖祥20030515摘要自,,,,年首次成功使用心脏起撼技术，至今已蠢五十年的历史。在这五十年里，心脏起搏技术褥到了很大的发展。起搏器的寿命和可靠性随着密封技术，能源披术，和电子技术的发展，亦多次出现了飞跃。我国起搏器的研制工作始于,,,,年，近,,年来，我国起裤器技术虽有稻应的发殿，但较国外仍商相当大的差距，因此需继续努力提高，尤其在研制工作方面，我们还缺俑冉纳杓坪脱芯俊,鏊孀盼夜肼瓷叻宄晌耆ィ冢,匀敕约瘪鹱攘浯肯帧?吹氖拾撸笫竽谘芯炕购统叹?缡迪中脑嗥鸩骷际跽庖焕夏耆烁咝枨蟛返腻癫俊,疚墓ぷ鞯哪勘晔窃诰】赡芙档凸牡那疤嵯拢杓剖屎衔夜榈牡デ桓兄衿鸩残脑嗲鬓镀鳌,疚牡谝宦抖猿炭爻鹌麇?贡尘昂屠钒亮思蛎山樯埽诙虏隽颂瞬飨低车纳杓谱芴蹇悸羌吧杓埔螅谌卵芯苛嘶冢粒樱桑米眯馁缗镀魅跎杓瓢锱亚渴迪郑胖靥致哿损ε训缏肪橐芊抡妫蛔值缏返墓ぷ髟恚谒恼滤得髁嘶诘凸牡テ 男脑嗥鸩鞯氖迪址椒致哿嗽谑盗柢鹑炱鞴β淳不瓷舷璋吵谈呦低车目煽克耄阽痰?芫不先绾胃叩慕档凸摹,谖逭露匀淖隽俗芙岷驼雇詈笤诟铰疾糠指搅怂械暮谅峰鳎ひ詹问,丶鳎盒穆磁鹌鏖安泻流杓启乒呐势砻粒猓螅簦颍悖簦桑簦瑁幔螅猓澹澹睿担福澹幔颍螅螅椋睿悖澹簦瑁澹妫椋颍螅簦穑幔悖澹恚幔耄澹颍祝幔樱酰螅澹洌螅酰悖悖澹螅螅妫酰欤欤椋睿保梗担玻椋睿鳎铮颍欤洌模酰颍椋睿纾簦瑁澹欤幔螅簦担埃澹幔颍螅簦瑁澹簦澹悖瑁睿铮欤铮纾铮妫穑幔悖澹恚幔耄澹颍瑁幔螅猓澹澹睿洌澹觯澹欤铮穑澹洌纾颍澹幔簦欤祝椋簦瑁簦瑁澹洌澹觯澹欤铮穑恚澹睿簦铮妫簦瑁澹簦澹悖瑁睿铮欤铮纾椋澹螅铮妫幔椋颍穑颍铮铮妫澹睿澹颍纾幔睿洌澹欤澹悖簦颍铮睿椋悖螅簦瑁澹欤铮睿纾澹觯椋簦幔睿洌颍澹欤椋幔猓椋欤椋簦铮妫穑幔悖澹恚幔耄澹颍瑁幔觯澹猓澹澹睿幔洌觯幔睿悖澹洌桑睿铮酰颍悖铮酰睿簦颍簦瑁澹颍澹螅澹幔颍悖瑁幔睿洌恚幔睿酰妫幔悖簦酰颍澹铮妫穑幔悖澹恚幔耄澹颍猓澹纾幔睿椋睿保梗叮常茫铮恚穑幔颍澹洌鳎椋簦瑁簦瑁澹妫铮颍澹椋纾睿悖铮酰睿簦颍簦瑁澹颍澹椋螅幔猓椋纾簦澹悖瑁睿铮欤铮纾纾幔穑澹螅穑澹悖椋幔欤簦瑁澹幔洌觯幔睿悖澹洌洌澹螅椋纾睿幔睿洌颍澹螅澹幔颍悖瑁铮妫簦瑁澹穑幔悖澹恚幔耄澹颍粒簦簦瑁澹螅幔恚澹簦椋恚澹簦瑁澹悖铮睿洌椋簦椋铮睿螅铮妫螅澹睿椋欤澹铮妫簦瑁澹穑铮穑酰欤幔簦椋铮睿恚幔耄澹螅椋簦睿澹悖澹螅螅幔颍簦铮恚幔睿酰妫幔悖簦酰颍澹簦瑁澹穑颍铮洌酰悖簦瑁椋纾瑁欤洌澹恚幔睿洌澹洌猓铮欤洌穑澹铮穑欤澹椋睿铮酰颍铮鳎睿悖铮酰睿簦颍裕瑁椋螅幔颍簦椋悖欤澹椋睿簦澹睿洌螅簦铮洌澹螅椋纾睿螅椋睿纾欤澹悖瑁幔恚猓澹颍螅澹睿螅椋睿纾幔睿洌螅椋睿纾欤澹悖瑁幔恚猓澹颍穑幔悖椋睿纾穑幔悖澹恚幔耄澹颍幔悖悖铮颍洌鳎椋簦瑁簦瑁澹螅椋簦酰幔簦椋铮睿铮妫希酰颍悖铮酰睿簦颍鳎椋簦瑁欤铮鳎澹螅簦悖铮睿螅酰恚澹幔螅螅铮铮睿幔螅穑铮螅螅椋猓欤澹裕瑁澹悖瑁幔穑簦澹颍保猓颍椋澹妫欤椋睿簦颍铮洌酰悖澹螅簦瑁澹洌澹觯澹欤铮穑恚澹睿簦幔欤猓幔悖耄纾颍铮酰睿洌幔睿洌瑁椋螅簦铮颍铮妫簦瑁澹穑颍铮纾颍幔恚悖铮睿簦颍铮欤欤澹洌穑幔悖澹恚幔耄澹颍裕瑁澹悖瑁幔穑簦澹颍玻澹穑欤幔椋睿螅簦瑁澹鳎瑁铮欤澹悖铮睿螅椋洌澹颍幔簦椋铮睿螅幔睿洌簦瑁澹椋睿瘢酰椋颍澹铮妫簦瑁澹洌澹螅椋纾睿铮妫簦瑁澹穑幔悖澹恚幔耄澹颍裕瑁澹悖瑁 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币韵缘莉冉徊嬗桧梗伞,彼加枵鱿低臭涞凸模耸倜话阍冢档荆欤夏辍,ü浚锫次?良际酰膛蚩仄痰哪谌萦辛隋暗睦?埂,灰浅炭叵芟蚱鸩鞣?龀炭刂噶睿谐问罂夭猓裕耗谠桨昶靼锓忠碴の〈劾赌缃洛韵材溢П菇】?鼓仅什荒鼙坏髹频氖荩绯鞅镄秃拧?屎拧?び孀纯觥?枷咦纯龅龋部缮憔砀炭仄鳎捎没沾衅骱臀?砥鞯钠鸩低常鼓艽脱梗醴至浚?堑刃恼丈静问绕鸩笃骷剂愦拇嘁桓鲂杰渤危唬梗澳晗荚讲胺?狗较蛟较蛴诖隙嘌墓δ堋,name=baidusnap0>稳控超搏嚣开始用于临床，其中以,,,越簿器褥爨最广滠酶应薅，,,,起搏器亦稼全翻渤超簿褥，霞它可麓螽身，,率静状况瑟蠢醚改变为,,，，,,,，,,，及,,,等越耩状态，氇可稳控式,,，，,,，，,,，，,,,，及,,,等方式起搏。困她它是鞍全面的淑腔起搏器，道瘸子痨燮传导陋滞，也可用于瘸窦综合症患者。域在，起搏器鲍发展趋向于寻求鬻度的工作可靠性祁尽可能的降低功耗，这一发展方向，亦将是阔内提高超搏技术的发展方向。交予经济条件以及对生理毪起搏认识不是等愿露，筏藿鐾藤应援豹缝大部分起搏器仍为单腔心室按需型(,,，)越搏器，近几年来，虽然生理性超搏的数量在逐年增热，讴是在广大的中谣都欠发达逮嚣，鼙整怒褥器爨有着,,常广蕊熬市场。而我国使用的永久心脏越搏器仍以进口为主，占总数的,,,以上，其中以,,,,,,,,;，,,,,,,,,,，,,，，,,;,,,,,,,，,,,,,,,,,;,，，,,,,,,,,;,公司生产的超搏器为主，国产趣搏器以秦明公司生产的起搏器为主。国内在这方面的研发工作更是剐刚起步。隧蓉中国社会瞧老龄镬二缀彝曩夔严重，鹾测具有鑫主产权瓣适合我匿重壤瓣心脏趣搏器迫在眉睫。本论文希望在遮方面的研究工作起到抛砖引玉的作用，为聱内越耩器懿磅发撬貘庭磐豹倍鉴,擘躅。第二章起搏器系统的设计总体考虑频率程控型按需式体内心脏起搏器(,,，,)是目前最常用的心脏起搏器类型，它不仅能对心动过缓的病人进行必须的起搏治疗，还可根据病人的年龄，生理和病理状况选择不同的起搏频率，以达到最佳的治疗效果。国内需要的起搏器很多，但是由于种种原因，目前只有很少的病人能够得到治疗，其中原因之一是由于起搏器价格昂贵。而国内没有一家厂商具有自主产权的心脏起搏器，其技术水平停留在买关键部件组装的阶段。频率程控型按需式体内心脏起搏器的关键技术就是如何设计低功耗，高可靠性，功能完善的专用集成电路。其框图如图(,)所示，模拟部分感知放大器和起搏脉冲输出电路组成;数字电路是具有,,,,,的晶体振荡，起搏频率控制电路，脉宽补偿电路，反拗期形成电路和奔放保护电路等构成的数字电路。图,(,其工作原理于下:当心脏有自身的,波出现并达到一定的幅度时(约为,,,左右)，它通过感知放大器的放大，检测，在感知放大器的输出端获得一个正向脉冲，该脉冲作用于数字电路，若脉冲落在反拗期外，则由数字电路产生的起搏脉冲被抑制，此时起搏脉冲输出级电路无脉冲输出，心脏以自身心率跳动;当心脏自身心率的,波不出现时，由 于感知放大器无脉冲输出，此时，数字电路产生定时起搏脉冲，作用于起搏器的输出级电路，其输出端获得幅度约为负,,，宽度,(,,,左右的负脉冲，使心脏起搏。模拟部分分为两个部分:感知放大器和起搏脉冲的输出级。感知放大器对,,,,,的,波进行放大，检测，而对,波进行抑制，(据频谱分析，,波的中心频率为,,,,,,,，,波的中心频率大约在,,,,,)，为了实现这一要求，感知放大器设计成通带放大器，频率为,,,,时具有最高增益(该增益取决于起搏器的灵敏度);当频率为,,,时，与最高增益相比，衰减应大于,,,,，袈减越大，对,波竣撼裁?‰力越缀。一般寒浚，灵敏褒与零波戆耱截能力是相矛盾的，灵敏废高，,波的抑制能力差。为了对,波商较强的抑制能力，本电路豹灵敏魔指标为,(,,,,,(,,,。由土圈霹鳃，输入淡与竣蹬端是连在一起静，霆懿，畜越搏踩渖臻基豹清况下，感知放大器的输入端为负,,的大信号，在大信号的作用下，放大器,,,入饱和状态。过了一段时间后，放大器才迸入正常放大状态。我们定义，从饱和状态避入正鬻效大状态掰褥霹阉称为羧复对瓣。狡蔓露窝越短，惑翔藏大熬瞧戆越簿。本电路在大信号作用下，感知放大的恢复时间不大于,,,,,,。,,，超搏器的模拟集成电路设计指标如下:,，感翔敖大灵敏发:,。,,,,,,，,,,(爱三翅渡输入，上舞露闰,,,，下簿时阃,,,,，或者馊照底宽,,,,憝,,,,挣波竣入。),，功耗(,,,,,(,,):(,)在起搏脉冲抑制的状态下，工作电流小于,,,。犯)在有莛搀默挣,,,次，分，,,,,,,,条镣下，工作奄浚不大于,,,(包括搬荡电路)。,，麟知放大器恢复时间小于,,,,,(用幅值为负,,，脉宽为,(,,,脉冲输入,,，,波抑制能力:用,,,的正弦信号作用子感知放大器的输入端，当,,,的正弦信号的峰漳魏不大于,,,,时，感知放大器无输出，即不被感熟。,，超搏脉冲输出电路的输出能力:,,,,,(,,，,,,,,,辩韶莛搏脉冲襁度翁为负,(,,，郢有,,,,输出能力。从上丽的设计要求可以肴出，模拟电路的设计难点在于如何设计低功耗的有源滤波电路，蔼滤波亳路中遮放的褴能直接影晌着滤波电路的特性。关于低功耗滤波电路的结槐和仿粪结果在下一张绘感同对由予越薅器黪工捧魄匿一般在,名,左右，誉至低于,(,,，而心照有效的矫部刺激嘏压一般在,,左右，特殊病例熬至要,,以上的刺激才能使心黢产生有效的起搏。这样必须使用倍压电路才能产生大于,(,,的电压，如何设计低功耗，高效率的倍压电路也是,个难点。由于掺篱《罄分霉要摄荡滚寒工作，如谚毒效懿辫羝援荡逛路懿功耗也怒必须考虑的。数字毫鼹主要实魏爰巍麓掩镧，壤声检测，游君羧翻，攘荡电路，备爱掇荡源，越搏频率控制电路，脉宽补偿电路，奔放保护电路等构成的数字电路。数字电路的设计主要在于低功耗,莘嵇高可靠性。数字电路晌设计一般主要分为基于,,,,的设计方法和基予和基予微处理器的设计方法。基于,,，,的心脏起搏器具有可靠性高，系统电路相对简单，功耗较小，但是可扩展性差，并且周期长，成功鬻低，投资巨大。蠢基于微处理嚣敫心脏起接爨的霹扩鼹,堡好，爨予软《牛可编程，能具有比基于,,，,设计的起搏器更多的功能。例如数据的采集存储。数据鳃楚瑾，更弱予逶邋程控亲凌霉超捺器戆臻箍及参数，餐燕功耗裾瓣较大。随着微电子技术的发展，功耗很低，性能强大，可靠性高的微处理器技术已经非常成熟。糯在市西上豹一筵通用单片机韵功耗己接近基予,,，,的心脏起褥器功耗。在第四章将重点讨论的基于微处理器的设计。第三章基于,,，, 的,?,起搏器的设计基于,,，,的,,，,起搏器电路的模拟部分主要由感知放大器和脉冲输出电路构成。而感知放大器从根本上说就是一个有源带通滤波器，其使用的运放性能的好坏直接影响着感知放大器的感知效果，在下面的模拟电路设计中我们将给出所使用的运算放大器性能的仿真结果。在数字电路部分将详细说明如何利用数字电路实现反拗期控制，噪声检测，滞后控制，振荡电路，备用振荡源，起搏频率控制电路，脉宽补偿电路，奔放保护电路。在具体设计时我们采用了上海贝岭微电子公司的,(,,,的,,,,工艺来完成我们电路设计仿真和版图设计，设计规则检查(,,,)，,,,电路与版图一致性检查(,,,)。第一节模拟电路设计一(感知放大器原理考虑感知放大器的原理图于图,(,(,所示。它由运放，比较器(,)，比较器(,)，与非门及滤波网络组成。运放是典型的二级,,,,运放，工作电流由外接偏置电阻所决定。为实现微功耗，并使闭环增益稳定，运放的工作电流小于,,,，其开环增益不低于,,,,。为获得稳定的直流工作点，采用直流全负反馈。运放输出端,,,通过电阻,,和,,反馈至运放输入端,,(一)，因?(，)接,,,,,,，所以,,(一)和,,,的直流电平也等于,,,,,,运放输出端,,,上的直流电平在静态条件下，比,,,的直流电平高,,,伏，即为,,,,,,，,(,,，,,,下的直流电平为,,,,,,,,,(,,(决定于二级管的压降)。,:《，。。:,,一??,,,;:??，”，。,?,,,,,—,—,一一??,,,,,蚪…:?土…。,;(，一，二一,…,?,。。,??,图,(,(,由图,(,(,可知，在输入信号,,为零的情况下，比较器(，)和比较器(，，),拘输出也平均为高也平，通过与非门电路，其输出端是低电平。为使比较器稳定工作并有较高的灵敏度，比较器(，)和比较器(，，)的输入级均采用差分放大器，第二级采用高阻抗电流源为负载的高增益放大器，使其电压增益大于,,,,。为降低功耗，比较器(，)和比较器(，，)和与非门电路的总电流不大于,(,,,。图,(,(,中的滤波网络与运放构成三阶高通滤波器，其闭环增益表达式可近似写成:(这里没有考虑运放的带宽,,尹(少),墨墅～,,,,(,，,,,,,,)(,，,,,,,,)(,，,,,,,,)由上式可知，闭环最大增益为,,马月,,„…“,,,,若,,，,,和,,已确定，则可调节,,即可改变增益，调节感知放大器的灵敏度。通常选择最高增益的频率为,,,,，即,波的中心频率。也,,,上式可知，选择,,,，、,,,,和,,,,时间常数，可获得所需要的高通性能，通常转折频率邱选在,,,,左右(邱,,，(,?,;))，使对,波有较高的增益，对,波抑制能力较强。为抑制高频信号，在运放补偿端外加补偿电容,,。,,值越大，运放的单位增益带宽也越窄，通带补偿电容;所取的值以不影响,,,,时的增益为原则。一,搿‰,;,。((?,,?拍,?,。,现以输入信号,,底宽为,,,,的,,,,,为例，对图,(,(,的工作原理进行说明。,,,,,输入时，在运放输出端的波形及直流电平,,,如图,(,(,所示。当,,,，,(,,上输出信号的电平低于,,,,,,时，比较器(，)的输出端电平由高电平跳至低电平，与非门输出端由低电平跳至高电平。另一方面，,,,(,(,,上输出信号的电平高于,,,,,,时，比较器(，，)的输出端电平由高电平变至低电平，与非门输出端由低电平变至高电平。这样，输入端在,,,,,作用下，与非门输出端波形如图,(,(,所示。波形,图,(,(,由图,(,(,可知，比较器(，) 对运放输出的负向信号具有检测功能，比较器(，，)对运放输出的正向信号具有检测功能。比较器的转换电平(阈值电平)由运放的二极管压降所决定。二极管工作在小电流状态(,,,,)压降约为,(,,。这样，比较器的阈值电平为,(,,。闽值电平除以运放的闭环增益决定了感知灵敏度。若输入信号,,是底宽为,,,,的,,,,,波，阈值电平,,为,(,，,,,,时运放的闭环增益,,为,,,倍，带宽约,,,,时，则其灵敏度的近似表达式及估算值可写为:‰。,孚,哿嘲矿显然，改变阈值电平,,或调节运放闭环增益曲线均可调整感知放大器的灵敏度。,波的抑制能力同滤波网络参数的选择密切相关。降低放大器的低频增益对啦扯铲一,波鞠】铡是有利的，为此，可溅小滤波嘲络的,,,，、,,,,和,,,,的时闯常数，即提离放大嚣的赢通转折频率,,。为获褥适当的灵敏度和对,波较强的挪制娩力，可通过实验，调熬网络参数加以解决。在橛述部分已拯出，感鳃敷大器躲恢复时阕是缀羹要豹掺拣。为减小恢复慰问，本放大器采取了几个措施:(,)放大器输入级为藏分放大器。差分放大器在大信号,乍角下不会瞧移。因瑟浚复对瓣短;(,)敖大器受载魄阻为,,,。骰定,,,,,(,,条件下输出最大幅德为?,(,,，则放大器的输出电流和吸入电流只有,(,,,，敲放大器输滋级不会疑于深饱和袄态，鼠雨销短了戳复时间。另外，减小放大器闭环增益，也可缩短恢复时间。经实际测试，感知放大器的恢复时闯小于,,,,,。我们在受蛉,(,,,,,粒,,,,工艺下感知放大器褒不冠瀵度，不阕工作毫瘫下，对工艺上嫩坏条件和最好条件都做了仿真，得出了髦痔跫碌墓模兄珞唔氨湮殪嘞摺;蔷糠坏热床ㄎ研乃?藕虐酒灯追纸畏瞥,踪樱 噬弦灿貌坏热遣ɡ茨,庑牡缧藕爬床馐云鸩鞯母飨钚阅埽旧杓浦幸膊捎萌嵌墒淙肜床馐愿兄糯笃髟闲阅堋,诘缭吹缪刮玻福郑唬危停希幽,停海裕唬校停希幽,眩海裕皇淙胄藕盼坏热遣ǎㄉ仙兀玻恚螅陆笛兀保常恚螅,讲芷冢叮埃埃恚笫保兄缪顾驿鹊谋浠撸ㄍ迹常保常海簦澹恚穑澹颍幔簦酰颍宕祝场觯秤赏伎梢钥闯觯孀盼露鹊谋浠兄缪够旧喜槐洹,蔡缌魉嫖露缺浠那撸ㄍ迹常保矗?海辏梗桑澹恚叭眨桑幔酰颍逋迹常保从赏伎梢钥闯鏊孀盼露鹊纳呔蔡?