心电信号同步触发的脉冲磁场刺激器的设计

　　1　引　　言

　　磁刺激是一种物理刺激形式,它是利用时变电流流入体外的线圈,产生高强度时变脉冲磁场,从而在组织内产生感应电场,使某些可兴奋性组织产生兴奋的一种刺激方法。与其他刺激相比,磁刺激有以下特点; (1)非接触; (2)无体表创伤;(3)可避免电流过度密集所引起的损伤,因此,可避免受试者不舒适感觉或仅有轻微的不适感。

　　在近20年里,由于脉冲电磁场的迅速发展,脉冲磁场刺激对生物体的效应越来越引起人们的关注[1-5]。脉冲磁场刺激的研究目前主要集中在磁场对脑电活动和神经系统的影响上。受到磁场在神经刺激领域生物学效应进展的影响,许多研究者开始研究磁场对心脏的作用。脉冲磁场刺激对心脏影响的研究可以追溯到20世纪70年代初期,但是Irwin、DonD等人[6]只给出了脉冲磁场刺激心肌组织等效于电极刺激激活心肌组织的结论。直到20世纪90年代,一些学者开始研究强脉冲磁场刺激对心脏的影响。YamaguchiM[7]以周期为1.47 ms的脉冲磁场刺激开　　胸狗的心脏,实验结论是引起单次期前收缩的最小阈值是根据刺激线圈放置于心脏的位置有所不同(在心脏正上方引起室性期前收缩的最小阈值为1 360V,正上方偏下引起房性期前收缩的最小阈值为1 276 V),但是并没有改变心率。GAMouchawar[8]使用2 000V电压,线圈中心9.2T的强脉冲磁场进行心脏除颤,但是没有成功。G.A.Moucha-war[8]通过两个共面线圈提供的脉冲磁场对11只重量为17~26 kg的麻醉狗进行外部磁场直接刺激心脏,结果产生异位心跳平均需要刺激线圈能量为12 kJ。J. ReilyJP[9-10]对比了电刺激与磁刺激在外周神经与心脏部位引起　　细胞兴奋的阈值,发现电刺激阈值基本相同,而磁刺激阈值却不相同,磁刺激的效果要归结于线圈位置,波形等因素的影响。相对于神经刺激,心脏刺激需要更强的脉冲磁场,目前世界范围内所用的强脉冲磁场刺激器是通过控制给储能元件充电,然后以瞬间放电的形式将电容器上的能量送入到磁场线圈中。一般都采用一个绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor, IGBT)控制充电、可控硅控制放电[11-14]。可控硅控制放电过程,磁场的工作频率不能太高,而且充电时间较长,也限制了磁场的刺激频率。最重要的是作者查阅的文献中所有研究者使用的磁场都是固定频率的磁场,而不是根据心脏的生理特征实现的磁场刺激。

　　2　心电信号同步触发的强脉冲磁场刺激系统的硬件设计

　　在正常人体内,由窦房结发出的一次兴奋,按一定的途径和过程,依次传向心房和心室,引起心脏的兴奋;因此,每一个心动周期中,心脏各部分兴奋过程中出现的电变化的传播方向、途径、次序和时间等都有一定的规律。心电图正是反映了心脏兴奋的产生、传导和恢复过程中的生物电变化。基于心电信号的特征,本文提出了磁场刺激器在心电图的特定位置同步刺激心脏,即根据需要可以设定每次磁场刺激选择在左右两心房的去极化过程(P波)、左右两心室去极化过程(R波)、心室复极过程(T波)、PR段以及ST段刺激心脏。根据这一思想,本文　　设计制造了一台R波同步触发的强脉冲磁场刺激系统。