医用治疗设备的输出能量

1．3　医用治疗设备的输出能量

1．3．1　治疗设备输出的能量形式

治疗设备的一切效果归因于能量输入生物系统。在某些情况下，输出换能器产生一种具有直接生物学效应的能量。如心脏起搏系统的电极产生一种直接刺激心肌的电流。在另一些情况下，通过生物系统的内在能量产生二次转换，并由这第二种形式的能量产生所期望的生物学效应。例如在超声治疗中，输出换能器的生物效应来自产生高频机械振动的压电晶体继发的热能。

表1．3列出治疗设备所供给能量的主要形式，以及有关设备的实例，这些形式的能量对生命组织具有独特的效应，一般都可满足1．3节所讨论的一个或一个以上的内科和外科目的。有时一种能量的原始形式具有继发的破坏性形式，通常是化学的或高温的。例如在使用电外科设备时可能烧伤患者，长期电刺激会由于电解作用而产生化学性副产品。因此，必须谨慎地选择能量的原始形式，并对之有足够的认识，尽量减小可能出现的副作用。

表1．3　治疗设备的能量形式和代表设备

中低频电磁波的电能是通过直接与身体接触输出的。输出传感器是一对电极，电流流过电极获得生物学效应。为了获得有用的效应，传感器必须能在给定时间内送出最适宜的电荷。心脏起搏器和神经辅助装置周期性地在长时期内提供刺激，而除颤器和电灼环的利用仅为在生物体上产生即刻的变化，而不是长期使用，但这两种能量形式相同，而它们的电极设计和输出电流则完全不一样。化学的（由于电解）和热的继发效应可能导致烧伤或产生有毒物质。

高频电磁波是非电离辐射，包括电磁场、相干光及非相干光。它们和前述方法之间的主要差别在于能量通过辐射而不是通过直接接触传输给患者。例如修复视网膜剥离的激光外科是使用相干光，用于初生婴儿光线疗法的胆红素光是利用非相干光源。外科设备和射频透热疗法两者均利用电磁辐射引起继发的热能效应。在电外科中应用能对小血管有致热作用的能量止血。有时热效应也会是需要避免的，可能产生的化学性效应虽在胆红素光的情况下是合乎需要的，可是在电灼法中电解或蒸发所致的效应都是不需要的。

通过对流、传导或辐射可获得热效应。热辐射严格来说是一种电磁能形式，把它列在热能范畴内是因为它对生物系统产生的是加热效应。对流设备通过气流加热。呼吸机中空气预热后泵给患者起到加热作用，早产婴儿保温箱使用辐射热，心肺机在把血液回输到患者体内以前，给血液提供传导热。

放射线是电离辐射，是通过应用控制原子核（例如钴）衰变的输出或者产生高能X射线实现的，在设计和使用时必须保证对操作者和患者的防护。利用射频能的直线加速器在超高压X射线装置中用直接加速方式产生X射线，在需要的情况下可通过选择参数，对其加以控制。放射性原子核设备的输出控制是由承载器的机械结构来实现的。

把机械能直接传递给生物系统可使结构增强。有时机械能也可表现为压力或流的形式，如呼吸机产生有与呼吸系统相应的压强气流，主动脉气囊泵产生传递给心脏的压力，增加血流量、减少心脏负担。超声波是振动的传播，也是一种机械能，治疗性超声波的晶体振动输出能量，通过皮肤传递给深层组织实现治疗作用。机械系统主要是热和化学的继发效应，超声的加热作用就是一个例子。呼吸机产生继发的血－气效应。

由物质的不同浓度所形成的化学势，能产生化学能，这种形式的能量在透析器中主要是建立跨膜化学梯度产生治疗效果。麻醉系统也是利用化学能作为主要的治疗形式。

1．3．2　治疗设备输出的能量水平

在使用治疗设备时能量水平是最重要的。例如热效应有时可以是温和的，但在理疗时则是剧烈的，而在冷冻外科时又完全相反。

许多治疗设备所用的输出能量形式与那些对应的诊断或监护仪相类似。例如，诊断超声和治疗超声两者都使用压电晶体产生的高频机械能，其主要差别是应用到生物组织的功率不同。同样，还有都产生X射线的X射线诊断系统和X射线治疗设备。一般，治疗要求功率高，但在功率发生的方法和安全操作条件方面限制同样严格。

表1．4所列为诊断和治疗用的几种方式的能量比较。有效的治疗所需的能量要比诊断的大几个数量级。如超声诊断的功率小到不会引起生物效应，而在超声治疗中它的治疗效果取决于所作用的面积。X射线因其治疗能量水平需根据发生器和患者体内目标的位置不同，在很宽的范围内变化，因此，其能量级要比诊断高得多。

表1．4　诊断和治疗用几种能量的量值比较

表1．4中还比较了阻抗体积描记法和心脏除颤与起搏的电功率水平。因为除颤脉冲在到达心脏以前必须经过胸腔，而起搏能量直接供给心脏，所以除颤的功率要比起搏的功率高几个数量级。另外一个因素就是所要求的生理效应，由于心脏起搏不像除颤时那样要使全部心室细胞同时去极化，所以消耗的能量要小。阻抗体积描记法也是在体外应用的，只需要很小的电流作测量用。

1．3．3　扩大治疗效果和减小副作用

通常需要在尽量扩大治疗效果的同时，又使正常组织不受破坏，为此治疗设备应能把能量的应用限制在一个比较小的范围内。这可以通过屏蔽、聚焦或仔细安放接口来达到。确定电外科的发散电极的位置，或安放除颤器电极以期对其他组织的影响减到最小，就是这方面的例子。

射线治疗是使用屏蔽技术的典型。利用准直器和铅屏蔽，能使X射线或γ射线的能量在肿瘤上达到最高水平，而对正常组织则极小。该技术还可以将设备的能量聚集在特定的区域内。例如，使用激光切割设备即为考虑组织的光学特性和能量聚集而使效果达到最大。另一个聚焦的方法是利用生物组织的频率响应特性而按某一种频率递送能量，以使收效增加到最大限度，而继发效应减少到最小限度。例如X射线束的穿透深度与其波长成比例；输出电流频率为1MHz的电外科法，能使生物效应大大减小。

输出的机械结构还可以控制能量的释放。例如电灼器探头的几何形状明显影响能量的释放。改变呼吸机中的流量和压力曲线使呼吸作用增加到最大限度，而不合乎需要的心血管副作用尽可能减小。实际上，治疗本身是对人体加以某种侵袭，完全无害的治疗是极少的。虽然各种能量副作用的成因不同，但一般而言，通过皮肤向人体内传播的能量密度如果超过100mW/cm²，就会对人体产生损伤。因此，治疗通常是一柄“双刃剑”。评价一个治疗设备的原则可用图1．2来说明。图中，两条直线分别表示某一种治疗设备的输出能量密度E相对于治疗主作用（治疗效果）M和副作用（危险性）S的关系。假定主作用起始于E＝0，副作用起始于E＝E₀＝100mW/cm²。如果，主作用线上对应于开始产生治疗效果的治疗阈值M1的能量密度为E1，副作用线上对应于人体致死界限S₂的能量密度为E2，那么，治疗宽裕度为E2－E1。治疗能量密度应在此范围内选取。显然，治疗宽裕度越大，控制越容易，安全性越高。此外，在特定的能量密度下，治疗效果M和副作用S之比M/S，称为治疗效果度。这个比值越大，对治疗越有利。可见，选择主作用线斜率越大，副作用线斜率越小的治疗方法，这两个指标都将提高。

图1．2　治疗能量与主作用和副作用之间的关系