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置入式心律转复除颤器的电容器 置入式心律转复除颤器（Implantable Cardioverter-Defibrillator，ICD）是一种有多种程控模式的电子装置，可以针对室性快速性心律失常进行高能量除颤电击、低能量（转复）电击或抗心动过速起搏等形式治疗，对于缓慢性心律失常也可进行常规起搏治疗。 起搏器一般只需要输出1～3V的电刺激脉冲就可以起搏夺获心肌，而锂碘电池在输出2.4V左右时工作良好，通过电压放大器可以把起搏器发放的电脉冲升高到7V（个别可达10V）。然而，除颤所需要的电压远远高于这个数字，ICD一次治疗发放的电压往往是500～700V，甚至更高。ICD所采用电池为锂-氧化银钒电池或锂-二氧化锰电池，前者的单体工作电压为2.5~3.2V，后者为2.8~3.2V，这个数量级的电压距离成功除颤所需要的电压相差很大。ICD的电池能够产生的电荷足够发放许多次电击，但却不能在一个时间点产生大量电荷。高压电容器的使用解决了这个难题。电压放大器只能小幅增高电压，而电容器则能先保存一定量的电荷，随后再快速将电能释放出来。电容器就像一个桶，电池就像水泵一样不停地向桶内注入电荷，直到达到电容器的预定容量，需要时就会把所存储的电量在极短时间内释放出来。在ICD中，电容器是最大的组成成分之一，甚至比电池还要大。 一、电容器的概念 电容器是一种电子元件，是由绝缘材料分隔的两个具有传导性的表面组成，这两个传导表面被称作极板（金属材料制成），分隔极板的绝缘材料（如干空气或塑料）被称作电介质。电容器就像一个存储器，是储存电（即电荷）的装置。 图1 电容器充电示意图 电容器储存电荷的能力被称作“电容量”（capacitance）。电荷（Q）表示电量；电压（V）表示电位差，代表对电子的驱动力。电容器通过将一个极板上的部分电荷（一定数量的电子）移动到另一个极板上来进行充电。在金属表面的电荷由电子过剩（-）或缺乏（+）引起。1库仑电荷对应6.242×1018个电子的带电量。电荷的再分布可以通过电池（电源）从一边到另一边泵送电子来完成（图1）。泵送的电荷量（Q）与电池的电压（V）成比例，二者比值即为电容量（C）。电荷＝电容量×电压（即Q＝C×V），而（即）。电容量的单位是法拉（F）。电容器1法拉（1F）的电容量，即电压为1伏特（1V）时，产生1库仑的电荷或1安培×1秒（1C＝1A?s），即。 电容器的充放电过程 1.电容器的充电过程 电容器充电时，是电池（电源）将电子从电容器的一侧泵入电容器的另一侧。开始时，电容器完全放电，Vc=0。在充电过程中，随着两个极板上的电荷增加，加载在电容器的电压（Vc）增加，电源向电容器所泵的电子流逐渐减少，由于电介质是绝缘的，当加载在电容器的电压等于电源电压（Vs）时电子流动停止，充电终止，所以电子流也是短暂的（图1）。 如图2所示，充电开始时，Vc＝0，根据欧姆定律电子流或电流Ic＝Vs/R，当充电完全时，电流减少为零。当电路中存在电阻时，则削弱了瞬时电流而延长了充电现象。电阻小时，开始时的最大电流大，电容器充电时间短；当电阻大时，开始时的最大电流小，电容器充电时间长。电流和电压的变化曲线呈指数曲线变化。 图2 电容器充电与电路中电阻的关系 2.时间常数 电容器的充电时间依赖于电路中的电容量C和总电阻R，两者的乘积τ＝R·C被称为时间常数。时间常数涉及充电的变化率，其提示加载在电容器上的电压每变化剩余部分的63.2%所需要的时间（图3）。 图3 电容器充电的时间常数 Vs=电源电压；Vc＝加载在电容器的电压；Ic＝电路中的充电电流 3.电容器充放电时电压及电流的变化 电容器经不同电阻充放电时，加载在电容器的电压及充电电流和放电电流变化见图4。经电阻R1充电的过程，电容器与电源、电阻R1连通的开关（SW1）闭合构成充电电路，同时电容器与电阻R2连通的开关（SW2）断开，SW1闭合瞬时的充电电流（Ic）最大，其值等于电源电压（VS）除以R1（即VS/R1），方向与电子流动方向相反；随充电时间延长，加载在电容器上的电压（VC）逐渐升高，经过5倍时间常数（即5R1C）之后，Vc接近等于电源电压（VS），充电电流基本停止，即IC约等于0。当电容器与电源、电阻R1连通的开关（SW1）断开，同时电容器与电阻R2连通的开关（SW2）闭合构成放电电路，电容器经电阻R2放电，此时SW2闭合瞬时的放电电流（ID）最大，其值等于电源电压除以R2（即VS/R2）；随放电时间延长加载在电容器上的电压（VC）逐渐降低，经过5倍时间常数（即5R2C）之后Vc接近等于0，放电电流基本停止，即ID约等于0。当充电电阻小于放电电阻时，充满电所需的时间小于完全放电所需时间；反之，充满电时间大于完全放电时间。 图4 电容器充放电电路及电流、电压变化示意