“生命科技”FLL工程挑战赛研究报告
——心脏起搏器
参赛学校:广东实验中学(高中组)
参赛学生:许悦聪、康俊彦、胡敬豪
辅导老师:周嘉
一、前言
生命科学是研究生命物质的结构和功能、生命活动现象以及生物之间和生物与环境之间的关系的科学。它是由多个基础学科、应用学科及交叉学科协同发展构成的前沿科学群。其基础是从分子、细胞、个体、种群、群落等不同层次研究生命现象的一些学科,如分子生物学、分子遗传学、细胞生物学、神经生物学、发育生物学、生态学等,并可包括遗传工程、生态工程学、资源生物学、生物医学工程学等重要技术科学学科。比如生命科学中一个世纪性的难题是“智力从何而来?”我们对单一神经元的活动了如指掌,但对数以百亿计的神经元组合成大脑后如何产生出智力却一无所知。可以说对人类智力的最大挑战就是如何解释智力本身。对这一问题的逐步深入破解也将会相应地改变人类的知识结构。生命科学研究不但依赖物理、化学知识,也依靠后者提供的仪器,如光学和电子显微镜、蛋白质电泳仪、超速离心机、X-射线仪、核磁共振分光计、正电子发射断层扫描仪等等,举不胜举。学科间的交叉渗透造就了许多前景无限的生长点与新兴学科。
二、课题研究背景
起搏器是给心肌电刺激,使心肌收缩的装置,日本早在1964年就开始安装植入起搏器,最初是由水银电池和晶体管构成,体积大,重量达230g。如今,随着医学工程技术的进步,研发的心脏起搏器又小又轻,植入便捷,效果理想。据我国有关部门的调查研究,在过去的20年来,由于我国国民生活水平的不断提高和饮食结构发生
巨大变化,摄食高脂肪、高蛋白和高热量等三高食品已成为影响我国国民病种改变的最主要因素。而长期摄入高脂肪食品则是诱发心脏病的一大因素。因此,如何普及心脏起搏器植入术的相关知识成为我们刻不容缓的责任,使得心脏病患者在术后根据自身的需要,正确地做一些自我护理,从而完善
身体的心脏功能,延长寿命,提高生活质量。
心脏起搏器,就是一个人为的“司令部”,它能替代心脏的起搏点,使心脏有节律地跳动起来。心脏起搏器是由电池和电路组成的脉冲发生器,能定时发放一定频率的脉冲电流,通过起搏电极导线传输到心房或心室肌,使局部的心肌细胞受到刺激而兴奋,兴奋通过细胞间的传导扩散传布,导致整个心房和(或)心室的收缩。心脏的电信号使他跳动。当运行时,心脏跳动加速;当睡眠时,心脏跳动减慢。如果心电系统异常,心脏跳得很慢,甚至可能完全停止。人工心脏起搏器发出有规律的电脉冲,能使心脏保持跳动。
三、研究过程
用一定形式的脉冲电流刺激心脏,使心脏按一定频率有效地收缩,这种方法称为人工心脏起搏。能产生电脉冲,并将其传导至心脏的脉冲发生器称为心脏起搏器,简称起搏器。
心脏起搏器是一种能产生一定强度和宽度的电脉冲,通过刺激心肌引起心脏收缩,从而治疗一些严重心律失常的电刺激仪。对于某些药物疗效差的心律失常如高度或完全性房室传导阻滞、永久性窦房结功能衰竭、严重的心动过缓以及心律紊乱等心脏疾患,安装心脏起搏器后能收到显著效果,可明显降低死亡率,并极大地提高患者的生存机会和生活质量。因而其已成为心脏病治疗、抢救和诊断中重要而常用的设备之一。
3. 1 心脏起搏器安装前需要注意什么?
心脏起搏器安装时前需要注意几个方面的问题,主要有健康史和身体状况两个方面:
(1)、健康史:了解病人的发病情况及以往的诊治过程。1、一般资料:年龄、性别、身高、体重、发育、饮食习惯及营养状况。2、家族史:家族中有无心脏病的病人。3、既往史、药物史:有无其他疾病及药物过敏史。
(2)、身体状况:了解疾病的特点、类型、重要脏器的功能等,以及病人需要安装起搏器的类型。1、心脏的全身症状:如病人的心率、心律、体温情况及活动耐受情况和自理能力等。2、辅助检查:心电图、心脏多普勒检查、心常规及出凝血时间。3、心理及社会支持情况:由于起搏器价格高,应了解家属对手术的支持程度、病人的心理状态,以及对手术康复知识的了解和掌握程度。
3.2 心脏起搏器的安全性
很多患者对安装起搏器感到担忧,其实安装起搏器很安全,起搏器可根据起搏的心腔分为单腔起搏器、双腔起搏器(起搏左、右心房,或右心房和右心室)、三腔起搏器(起搏右心房和左、右心室)。就诊时医生会根据病人的具体情况综合各方面的考虑,给患者选择最适合的起搏器安装。
3. 3 起搏器的相关技术
(1)、永久性人工心脏起搏器
永久性人工心脏起搏器是治疗各种原因引起的不可逆的心脏起搏和传导功能障碍性疾病的主要方法。常用于“有症状的心动过缓”患者。所谓“有症状的心动过缓”是指心室率缓慢致脑供血不足,可产生头昏、眩晕、黑蒙及晕厥(短暂意识丧失)等;全身供血不足可产生疲乏、体力活动耐量降低、充血性心力衰竭等表现。传统的治疗方式为安装单腔、双腔起搏器,也有采用安装双腔、三腔及植入式心脏自
动除颤复律起搏器,为心动过缓、导致阻滞、心动过速级心力衰竭的室性心动过速、室颤患者提供了新的治疗途径。
(2)、埋藏式心脏起搏器
要求小、轻、薄、寿命长、多功能。采用低功耗的集成电路块制成发生电脉冲及控制电脉冲发放规律的电路,用锂电池作电源,一起全密封于钛合金外壳内。寿命可达10年,电极用铂-铱合金,耐腐蚀。导线一般用镍合金丝和拧成螺旋状,以柔软坚韧之硅橡胶或聚胺酯为绝缘鞘,永久性起搏器绝大多数采用心内膜电极,电极和导线制成导管形式,经静脉插入右心房及右心室,为与心内膜面附着牢靠,电极顶端制成伞状、倒刺状或螺旋状。少数采用心外膜-心肌电极,电极顶端制成螺旋状,从心外膜面拧入心肌内。
3.4 心脏起搏器使用人群
正常人的心跳次数为60~100次/分,当每分钟的心跳少于60次,医学上就称为心动过缓。通常如果每分钟的心跳少于50次,特别是有明显的自觉症状,已经影响到其他重要器官的功能时,就需要安装心脏起搏器了。
(1)、严重的心跳过慢
心脏停跳3秒以上或心率经常低于40次,尤其是出现眼前发黑、突然晕倒的患者,应该植入起搏器。这也是起搏器最主要和最初的治疗范畴。
(2)、心脏回缩无力
疾病若破坏了心肌,或改变了其原有形态,会导致心肌无法有力收缩。心脏收缩功能下降就会引起心脏泵血不足,身体各部分无法获得充足的新鲜血液、造成头晕、胸闷、乏力等各种症状。如药物治疗无效的充血性心力衰竭、严重肥厚性梗阻型心肌病,可以在心脏各部分安装多个起搏器,同步产生多个电刺激命令,帮助心肌收缩。
(3)、心跳骤停
心脏停止跳动数分钟就能致死,一些疾病可引发心跳骤停或致命性恶性室性心律失常(如快速室性心动过速、心室颤动),可以安装具有除颤器功能的起搏器,能恢复心脏有规律的跳动。
在某些心脏病综合治疗中(颈部脉窦高敏综合症、心管迷走性晕厥、突发性Q-T延长综合征、预防快速房性心律失常等),起搏器还是不可或缺或唯一的治疗手段。
3.5 心脏起搏器安装过程
起搏器安装手术由心内科医生施行,通常在局麻下进行。方法是,将电极导线从手臂或锁骨下方的静脉插入,在X线透视下,将其插入预定的心腔起搏位置,固定并检测。然后在胸部埋入与电极导线相连接的起搏器,缝合皮肤,手术即可完成。1、术前准备:酒精消毒;建立静脉通道;安装刀片;冲洗桥管。2、选择穿刺点,局麻,于右侧锁骨下,胸大肌处,用穿刺针刺入锁骨下静脉。将导丝送至锁骨下静脉,再进入上腔静脉内,动作要轻柔,防止损伤血管。下导丝的目的是建立轨道,为下一步送入桥管做准备。3、从监视屏上确定导丝已进入上腔静脉。下一步在原位置穿刺,送入另一根导丝进入锁骨下静脉,这次要安装的是双腔起搏器,两根导丝分别送入心房和心室,为电极的植入做准备。4、做囊袋。切开皮肤,逐层切开皮下组织、胸大肌至心外膜,为起搏器做一个囊袋,手术中,动作要轻柔,减少术中的出血与手术创伤。囊袋大小要与起搏器大小相匹配,囊袋不能过大或过小,在手术中要反复放入起搏器了解囊袋是否合适。5、为了将起搏器电极顺利送入心房心室,手术医生先沿导丝下入桥管,送入桥管后,再将心房心室两根电极分别送入,然后退出导丝。6、为了判断安装起搏器的最佳位置,手术医生要进行起搏器参数调试,将起搏器与调试器连接起来,进行相
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