心房快速起搏動物模型刺激器的設計與應用

【作 者】秦勇，于佳慧，周真，魏宏明

1 哈爾濱理工大學測控技術與通信工程學院，哈爾濱市，150080

2 黑龍江省高校測控技術與設備重點實驗室，哈爾濱市，150080

3 哈爾濱醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院，哈爾濱市，150080

0 引言

的持續(xù)性心律失常，房顫總的發(fā)病率為0.4%，隨著年齡增長房顫的發(fā)生率不斷增加，75歲以上人群可達10%。由于心臟病發(fā)病機理復雜，而且以人本身作為心臟病模型進行實驗研究，實驗條件在時間和空間上存在局限性，所以心臟病醫(yī)學研究中通常將實驗動物作為研究對象，進行心臟病病理模型的制作。

房顫時心房激動的頻率達300～600 ppm，心跳頻率往往快而且不規(guī)則。通常心臟病模型制作中采用的是給藥法或者心臟外科手術方法，這樣制作心臟病模型耗費周期長、種類有限，而且模型的參數(shù)不精確，特別是模型制作后其參數(shù)不易調整。心房刺激器應用于實驗動物，為心房顫動模型制作提供了解決方案。通過調控實驗動物攜帶的刺激器，有意識地建立那些在自然條件下不可能或不易排除的因素，可以高效、準確地觀察模型的實驗結果。實驗條件容易控制，重復性好，并與人類心臟疾病原型進行比較分析，為心臟病的臨床治愈提供有效的參考。

1 刺激脈沖電參數(shù)

刺激脈沖多采用矩形脈沖，因為矩形波對心肌的有效閾值較低，便于控制和定量。設計脈沖為負脈沖輸出，因為脈沖刺激心臟時負脈沖的閾值比正脈沖要高很多，才能有效地實現(xiàn)心臟刺激，并且不會引起組織的電極化。一般的刺激脈沖電參數(shù)包括脈寬、幅度、頻率。幅度和脈寬需要根據(jù)當前心臟的電生理活動調整為合適的數(shù)值，滿足起搏閾值而又不過高于起搏閾值，以降低系統(tǒng)功耗。與心肌連接時其刺激脈沖波形如圖1所示。對于不同的動物房顫模型對應的頻率還有不同，一般可以在300～800 ppm的范圍可調。為保證有效的刺激，對應的脈沖寬度在250～1000 ms的范圍可調。

2 房顫模型刺激器系統(tǒng)

2.1 房顫模型刺激器的構成

動物房顫模型刺激器組成部分主要包括脈沖發(fā)生器、脈沖倍壓電路、開關控制電路、電源和電極，其基本結構框圖如圖2所示。

圖1 刺激器輸出脈沖Fig.1 output pulse of the cardiac stimulator

圖2 房顫模型刺激器基本功能結構Fig.2 Structure of the cardiac stimulator for atrial fibrillation model

刺激器植入實驗動物體內，工作能源來源于電池。電池的壽命將直接決定了刺激器的壽命。刺激器選用鋰電池作為工作電源，其工作電源為2.8～3.2 V之間，通過電源管理可以檢測電源電壓幅度，控制電壓輸出，并為整個刺激器提供穩(wěn)定的工作電壓。

控制開關電路能夠保證刺激器埋藏在實驗動物體內后還能夠通過外部控制實現(xiàn)刺激器的啟停，使得模型建立方便?？刂崎_關利用磁場作用原理控制刺激器的開關狀態(tài)，并且完全可根據(jù)臨床研究的需要，設計刺激脈沖的輸出。

PIC控制單元控制發(fā)放刺激電脈沖，由控制電路、定時電路等組成?？刂齐娐房刂泼}沖的發(fā)放時機和脈沖的幅度，定時電路決定脈沖的脈寬和頻率，以控制電刺激的能量大小。

脈沖倍壓電路為了能在當前的電池電壓的條件下，能發(fā)送心肌除極的電信號，考慮到電極阻抗等因素，需要把電源電壓倍壓到2～3倍。

刺激器工作電極包括有陰極和陽極。陰極要埋于動物體內與心臟不發(fā)生接觸。陽極則通過電極導線與心臟相連。所以對于陰極和陽極要采用無毒、耐腐蝕的材料，保證在動物體內不會被腐蝕，并且不會對動物造成不良的影響。

2.2 電路設計

為實現(xiàn)上述功能，并保證刺激器的小體積、低功耗和電參數(shù)可調，設計了刺激器的電路，如圖3所示。

圖3 房顫模型刺激器功能電路圖Fig.3 Circuit of the cardiac stimulator for atrial fibrillation model

該電路采用32.768 kHz晶振作為時鐘源，以降低耗電量，并且采用MicroChip公司的低功耗的單片機PIC12F617作為控制單元，3.0 V時，32 kHz條件下工作電流約為20 mA，看門狗定時器電流約為3 mA。干簧管K1作為控制開關，利用磁鐵來進行控制。在磁鐵的作用下，可以實現(xiàn)干簧管的通斷信號，連接到芯片PA01中，可以將芯片中的上一個工作狀態(tài)變換為下一個工作狀態(tài)，即從通—斷或者由斷—通。工作狀態(tài)的信號通過CON引腳與單片機相連接，可以控制單片機發(fā)送脈沖信號。如果通過磁鐵控制干簧管的當前狀態(tài)為：單片機發(fā)送脈沖，那么單片機的工作脈沖信號通過GP1口輸入到PA01芯片中，電路完成負脈沖發(fā)生以及倍壓作用，進而通過與OUT引腳的電極作用到動物模型的心房肌上，實現(xiàn)脈沖刺激。

為了完成動物犬的房顫模型的建立，設計完成刺激器的參數(shù)如下：

幾何尺寸：42 mm×42 mm×13 mm。

預設參數(shù)：

(1)刺激脈沖輸出方式：AOO (VOO)；

(2)脈沖幅度：≥5 V；

(3)脈沖頻率：1#：80±8 ppm，2#：400±4 ppm；

(4)脈沖寬度：0.50±0.01 ms。

刺激器的樣機，如圖4所示。

圖4 房顫模型刺激器樣機Fig.4 Appearance the cardiac stimulator for atrial fibrillation model

樣機完成后的設計參數(shù)，如圖5所示。其脈沖寬度為0.5 ms，脈沖頻率為400 ppm。未連接心肌時其刺激脈沖高度為7.8 V，連接心肌其刺激脈沖為4.4 V。

圖5 刺激器輸出脈沖參數(shù)Fig.5 Output pulse parameters of the cardiac stimulator

3 實驗分析

實驗對象為雄性健康雜種犬，體重17 kg，在戊巴比妥鈉麻醉下，采用心外膜刺激，將刺激器陽極連接的電極置于左心室游離表面。植入手術2天后開始進行脈沖刺激。刺激時（400 ppm）犬體表及心內電圖如圖6所示。

圖6 刺激時（400 ppm）犬體表及心內電圖Fig.6 Dog body and heart electrical diagram when 400 ppm to stimulate

連續(xù)刺激18天后，在對刺激后的實驗犬的病理解剖顯示其心室擴大、心室游離壁變薄、心肌細胞腫脹、間質水腫、血管充血等器質性病變。由此可見，刺激器可以實現(xiàn)對健康犬快速建立心房顫動模型。

4 結論

本文設計完成了心房快速起搏動物模型刺激器，并完成了樣機制作并進行了動物實驗。實驗表明，該刺激器能夠完成對實驗動物的心房顫動模型的建立。刺激頻率可以根據(jù)其他不同需求的心血管領域動物實驗進行設計。該刺激器具有電路工作性能穩(wěn)定、可靠性高，操作方便，體積小、功耗低等特點。

[1]葛力彬,周真,秦勇,等.實驗動物用埋藏式心臟起搏器精密可調脈沖發(fā)生器設計[J].測控技術,2012,31(1):9-11.

[2]張楚濤,孫友法,方祖祥.一種磁鐵控制高頻心臟起搏器頻率的方法[J].上海生物醫(yī)學工程,2004,25(3): 7-9.

[3]鄭林,張永紅,張嶺,等.可調式動物心臟起搏器的設計[J].北京生物醫(yī)學工程,2006,25(4): 415-416.

[4]溫志浩,陳海軍.體外充電植入式人工心臟起搏器的設計[J].中國組織工程研究與臨床康復,2011,15(22): 4107-4110.

[5]范振中,易小林,張雷,等.數(shù)字式動物心臟起搏器研制及在醫(yī)學研究中的應用[J].生物醫(yī)學工程學雜志,2010,27(5): 1031-1032.