基于微噴射技術(shù)的球囊消融電極模擬與制備

宋曉康 孫懷遠(yuǎn) 劉志強(qiáng)

摘? 要： 建立心臟組織三維模型，模擬了叉指電極與傳統(tǒng)矩形電極以及兩種結(jié)構(gòu)不同正負(fù)電極間距下射頻消融特性。結(jié)果表明，叉指結(jié)構(gòu)電極消融溫度和消融體積明顯優(yōu)于矩形結(jié)構(gòu)電極。利用微噴射技術(shù)于球囊導(dǎo)管表面制備電極，經(jīng)與模擬結(jié)構(gòu)對(duì)比分析，打印實(shí)物（線寬、電極間距）平均數(shù)據(jù)與設(shè)定數(shù)據(jù)的誤差在5%以內(nèi)，并且球囊擴(kuò)張后電極導(dǎo)電效果良好，符合設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞： 微噴射技術(shù);射頻消融;有限元分析;電極制備

【Abstract】： A three-dimensional model of cardiac tissue was established. The RF （Radiofrequency ablation） ablation characteristics of the interdigital electrode， the traditional rectangular electrode， and the two different structures were simulated. The results show that the ablation temperature and ablation volume of the interdigital electrode are significantly better than the rectangular electrode. Electrodes were manufactured on the surface of the balloon catheter using micro-jet technique. Comparing with the simulation results， the error between the average data of the printed physical objects （line width and electrode spacing） and the set data is within 5%. After the balloon is expanded， the electrode has good electrical conductivity and meets the design requirements.

【Key words】： Micro-jet technique; Radiofrequency ablation; Finite element model; Electrode manufacturing

0? 引言

房顫（Atrial Fibrillation，AF）是臨床上最為常見的復(fù)雜心律失常問(wèn)題之一，房顫的反復(fù)、持續(xù)性發(fā)作不僅僅會(huì)衰弱心房機(jī)制，嚴(yán)重者會(huì)導(dǎo)致中分、增加死亡的概率[1]。目前，房顫的發(fā)生和終止機(jī)制尚未明確，肺靜脈顫動(dòng)樣電位被認(rèn)為是引起房顫的主要原因，肺靜脈隔離術(shù)是目前治療房顫的主要手術(shù)方式，利用射頻對(duì)組織消融隔離異樣電位[2-3]。

射頻（Radio Frequency，RF）是一種高頻交流變化的電磁波，在治療過(guò)程中，通常將導(dǎo)管沿靜脈送至心房并在指定部位釋放100 kHz-3 MHz射頻能量，組織內(nèi)電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下高速摩擦產(chǎn)生大量熱能，當(dāng)組織溫度升高至50℃時(shí)，細(xì)胞發(fā)生不可逆損傷，從而達(dá)到治療效果[4]。射頻消融球囊導(dǎo)管近年來(lái)發(fā)展快速，通過(guò)球囊充氣膨脹后，與組織緊密接觸進(jìn)行消融。研究表明，與常用射頻消融導(dǎo)管相比，能夠減少熱量損失，多電極不同射頻能量、實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)定量能量傳遞，提高消融效果[5]。

本文利用COMSOL建立射頻消融模型，采用雙電極射頻消融技術(shù)，模擬不同電極結(jié)構(gòu)和正負(fù)電極間距對(duì)消融效果的影響，模擬結(jié)果顯示矩形結(jié)構(gòu)正負(fù)電極間距為0.45 mm時(shí)，消融溫度穩(wěn)定在60攝氏度左右，消融體積達(dá)到最大值17.53 mm3;叉指結(jié)構(gòu)正負(fù)電極間距為0.5 mm時(shí)，消融溫度穩(wěn)定在60℃左右，消融體積達(dá)到最大值68.27 mm3。模擬結(jié)果減少了射頻消融對(duì)周圍正常組織的損傷，降低了肺靜脈狹窄發(fā)生的概率。最后提出了一種新的球囊電極制備工藝--微噴射技術(shù)（Micro-jet technology），利用微噴射技術(shù)的非接觸、高頻率、圖案定制化的優(yōu)點(diǎn)[6]，實(shí)現(xiàn)球囊導(dǎo)管表面不規(guī)則消融電極的制備。

1? 材料與方法

1.1? 材料與儀器

模型研究目標(biāo)主要為電極結(jié)構(gòu)和正負(fù)電極間距對(duì)消融效果的影響，選用常用射頻消融模型，模型對(duì)象為心臟組織，包括心肌層、覆蓋層和電極，三維模型如圖1所示，其中心肌層厚度8 mm，血液覆蓋層厚度32 mm，直徑均勻20 mm。球囊充氣擴(kuò)展后，電極與心肌層消融組織緊密貼合。

（2）微噴射技術(shù)

微噴射技術(shù)是微流體控制應(yīng)用的一個(gè)重要體現(xiàn)，壓電式微噴打印的原理是利用壓電陶瓷材料的伸縮形變行為使噴嘴中“墨汁”噴射出去而形成液滴[8]。系統(tǒng)如圖3示，主要由電控制器、氣控制器、壓電噴頭、視覺觀測(cè)系統(tǒng)組成。

系統(tǒng)采用微米級(jí)壓電噴頭，利用逆壓電效應(yīng)，電驅(qū)動(dòng)控制器施加脈沖波形，脈沖電壓持續(xù)過(guò)程，噴頭內(nèi)部的壓電陶瓷材料產(chǎn)生微弱的形變，形變?cè)斐蓧弘娞沾刹牧辖佑|擠壓附近的毛細(xì)玻璃管壁并形成一種“聲波”[9]，使得噴嘴處的溶液被擠壓而噴射出去;當(dāng)電壓下降時(shí)，壓電陶瓷因形變減緩而放松，玻璃毛細(xì)管膨脹，噴嘴處的墨水凹陷而“剪斷”擠出的溶液，在墨水表面張力作用下，擠出的溶液將會(huì)逐漸聚集形成單一液滴，根據(jù)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的控制，將液滴分配形成目標(biāo)圖形，最后對(duì)打印后的圖形進(jìn)行加熱固化處理。

2? 結(jié)果分析

2.1? 消融溫度分析

Nath等[10]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)心肌組織溫度在50℃以上時(shí)會(huì)形成不可逆反應(yīng)，達(dá)到治療效果。圖4為心肌層消融最高溫度隨時(shí)間變化曲線，施加電壓：20 V，消融時(shí)間：100 s。分析0.2-0.7 mm電極間距能夠達(dá)到的消融最高溫度，對(duì)比叉指電極和矩形電極結(jié)構(gòu)對(duì)消融溫度的影響。由圖3可知，消融最高溫度與電極間距呈負(fù)相關(guān)，電極間距越小溫度越高，0.2 mm間距時(shí)達(dá)到最高（叉指電極：74.5℃;矩形電極：67.5℃）;相同電極間距情況下，對(duì)比叉指電極和傳統(tǒng)矩形電極結(jié)構(gòu)對(duì)消融溫度的影響，發(fā)現(xiàn)前者消融溫度優(yōu)于后者，消融溫度更高。

2.2? 消融體積分析

據(jù)黃從新[11]等的研究，當(dāng)消融區(qū)域溫度高于? 60℃時(shí)，會(huì)引發(fā)肺靜脈狹窄，結(jié)合圖3結(jié)果，消融體積研究選取電極間距范圍0.35 mm-0.6 mm，該范圍內(nèi)電極產(chǎn)生的消融溫度維持在60℃左右，射頻消融對(duì)應(yīng)更低的正常組織損傷，降低肺靜脈狹窄發(fā)生幾率。分別計(jì)算了溫度T>50℃時(shí)實(shí)際消融體積和T>60℃時(shí)正常組織損傷消融體積，并定義有效消融體積表示消融效果。

圖5、圖6分別為矩形和叉指結(jié)構(gòu)電極有效消融體積隨時(shí)間變化曲線，電極間距采用每隔0.05 mm模擬計(jì)算，有效消融體積采用每隔1 s抽取采樣點(diǎn)計(jì)算擬合得到。由圖可知，矩形電極間距為0.45 mm時(shí)有效消融體積最大，有效消融體積為17.53 mm3;叉指電極間距為0.5 mm時(shí)有效消融體積最大，最大有效消融體積為68.27 mm3。

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，電極間距一定時(shí)，叉指電極得到的結(jié)果：55-75 mm3：與矩形電極：10-20 mm3相比，有效消融體積明顯增大，增幅大約為矩形電極的4-5倍。

進(jìn)一步討論分析不同電極結(jié)構(gòu)對(duì)消融體積和溫度的影響，圖7、8分別為矩形電極和叉指電極正負(fù)電極間距0.45 mm時(shí)的溫度分布圖，分別截取了YZ和XZ平面圖，并對(duì)50℃溫度標(biāo)注結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)電極結(jié)構(gòu)對(duì)YZ平面溫度影響較小，對(duì)XZ平面影響效果明顯。結(jié)合圖9中XZ平面電勢(shì)分布圖分析其原因，由圖可知，電場(chǎng)強(qiáng)度隨著距離底面高度的增加而減小，在貼近電極表面的位置電場(chǎng)強(qiáng)度最大;叉指結(jié)構(gòu)與矩形結(jié)構(gòu)電極相比，叉指結(jié)構(gòu)電極表面電場(chǎng)擴(kuò)散更廣，XZ平面電壓17 V時(shí)，叉指電極與矩形電極電場(chǎng)擴(kuò)散比例約為3∶2，根據(jù)Pennes組織熱傳導(dǎo)方程可知，電壓越高，組織產(chǎn)生的熱量更高，有效消融體積更大。

2.3? 電極打印結(jié)果

本研究針對(duì)0.5 mm電極間距的叉指結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)際打印，打印過(guò)程中球囊注入100℃熱水進(jìn)行水浴加熱，使噴射到球囊表面的納米銀油墨初步固化，避免發(fā)生聚集現(xiàn)象[12]，打印結(jié)束后將球囊導(dǎo)管放入烘箱130℃加熱40 min。消融電極固化后使用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量球囊膨脹后導(dǎo)電效果良好，電阻值為低于100 Ω。圖10（a）和（b），分別球囊導(dǎo)管充氣與放氣后電極結(jié)構(gòu)圖，對(duì)比發(fā)現(xiàn)球囊充氣電極結(jié)構(gòu)沒(méi)有明顯改變。分析打印后電極尺寸，圖11為叉指電極顯微結(jié)構(gòu)圖，電極尺寸與設(shè)計(jì)值有所出入以及電極出現(xiàn)微小“縫隙”現(xiàn)象，可能是由于電極打印過(guò)程中納米銀油墨未能及時(shí)固化，烘箱加熱過(guò)程中球囊受熱膨脹，加熱不均勻所致。

表3是對(duì)打印電極隨機(jī)選取20組數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的結(jié)果與模型的對(duì)比，結(jié)果表明打印平均值與設(shè)計(jì)值的尺寸誤差在5%以內(nèi)，說(shuō)明打印電極結(jié)構(gòu)和電極間距整體上是均勻的，由此可以判斷出打印出的叉指電極結(jié)構(gòu)與模型一致，且球囊充氣擴(kuò)張后導(dǎo)電率良好。

3? 討論

對(duì)于射頻消融電極的模擬，目前大都集中于模型結(jié)構(gòu)、電極插入深度、消融電壓等參數(shù)對(duì)消融效果的影響[13-14]。相對(duì)于傳統(tǒng)模擬對(duì)象，實(shí)現(xiàn)了叉指電極和傳統(tǒng)矩形電極消融效果的模擬，結(jié)果證明叉指電極消融溫度和體積均優(yōu)于矩形電極;采用雙極電極結(jié)構(gòu)[15]，探討了正、負(fù)電極間距對(duì)消融效果的影響，發(fā)現(xiàn)叉指結(jié)構(gòu)電極間距在0.5 mm，矩形結(jié)構(gòu)電極間距0.45 mm時(shí)消融效果最佳，降低肺靜脈狹窄發(fā)生的幾率。

目前，國(guó)內(nèi)使用最多的射頻消融器械結(jié)構(gòu)統(tǒng)一，限制了電極結(jié)構(gòu)發(fā)展，大部分為環(huán)形電極[14]（本文簡(jiǎn)化為矩形結(jié)構(gòu)）;射頻消融導(dǎo)管與消融組織接觸不充分，不能真實(shí)地反映人體內(nèi)部的復(fù)雜結(jié)構(gòu)[16]。研究采用射頻消融球囊導(dǎo)管，在球囊表面制備不同結(jié)構(gòu)消融電極，球囊膨脹后電極與消融組織能夠充分接觸，消融體積更加接近人體內(nèi)部狀況，具有較高的使用價(jià)值。

傳統(tǒng)的射頻消融電極的模擬，多用來(lái)進(jìn)行虛擬的仿真以及數(shù)值計(jì)算。本研究通過(guò)微噴射技術(shù)，把虛擬的射頻電極模擬與現(xiàn)實(shí)射頻消融導(dǎo)管結(jié)合起來(lái)，微噴射技術(shù)與傳統(tǒng)的醫(yī)用膠水粘結(jié)工藝相比，更加靈活、方便，利用微噴射技術(shù)的非接觸、高頻率、圖案化定制的特點(diǎn)，能夠快速高效地制備不同結(jié)構(gòu)消融電極，為消融類醫(yī)療器械的制備提供了一種新的工藝。

4? 結(jié)論

對(duì)采用微噴射技術(shù)制備球囊消融電極的測(cè)試與分析得到以下結(jié)論：

（1）射頻消融有限元仿真模型結(jié)果表明，消融電極結(jié)構(gòu)和正、負(fù)電極間距對(duì)消融效果有較大影響，影響原因在于電極結(jié)構(gòu)和間距造成的電勢(shì)分布密集程度不同;

（2）對(duì)于復(fù)雜三維模型，采用微噴射技術(shù)制備金屬電極具備可行性，其中固化溫度是影響電極導(dǎo)電效果的重要因素;

（3）顯微結(jié)構(gòu)照片表明，微噴射技術(shù)制備的球囊消融電極與所設(shè)計(jì)的電極尺寸誤差較小、導(dǎo)電率良好，符合對(duì)消融電極的基本要求。

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