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标题

基于微喷射技术的球囊消融电极模拟与制备

范文

宋晓康孙怀远刘志强

摘? 要：建立心脏组织三维模型，模拟了叉指电极与传统矩形电极以及两种结构不同正负电极间距下射频消融特性。结果表明，叉指结构电极消融温度和消融体积明显优于矩形结构电极。利用微喷射技术于球囊导管表面制备电极，经与模拟结构对比分析，打印实物（线宽、电极间距）平均数据与设定数据的误差在5%以内，并且球囊扩张后电极导电效果良好，符合设计要求。

关键词：微喷射技术;射频消融;有限元分析;电极制备

【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

房颤（Atrial Fibrillation，AF）是临床上最为常见的复杂心律失常问题之一，房颤的反复、持续性发作不仅仅会衰弱心房机制，严重者会导致中分、增加死亡的概率[1]。目前，房颤的发生和终止机制尚未明确，肺静脉颤动样电位被认为是引起房颤的主要原因，肺靜脉隔离术是目前治疗房颤的主要手术方式，利用射频对组织消融隔离异样电位[2-3]。

射频（Radio Frequency，RF）是一种高频交流变化的电磁波，在治疗过程中，通常将导管沿静脉送至心房并在指定部位释放100 kHz-3 MHz射频能量，组织内电介质在电场作用下高速摩擦产生大量热能，当组织温度升高至50℃时，细胞发生不可逆损伤，从而达到治疗效果[4]。射频消融球囊导管近年来发展快速，通过球囊充气膨胀后，与组织紧密接触进行消融。研究表明，与常用射频消融导管相比，能够减少热量损失，多电极不同射频能量、实现定点定量能量传递，提高消融效果[5]。

本文利用COMSOL建立射频消融模型，采用双电极射频消融技术，模拟不同电极结构和正负电极间距对消融效果的影响，模拟结果显示矩形结构正负电极间距为0.45 mm时，消融温度稳定在60摄氏度左右，消融体积达到最大值17.53 mm3;叉指结构正负电极间距为0.5 mm时，消融温度稳定在60℃左右，消融体积达到最大值68.27 mm3。模拟结果减少了射频消融对周围正常组织的损伤，降低了肺静脉狭窄发生的概率。最后提出了一种新的球囊电极制备工艺--微喷射技术（Micro-jet technology），利用微喷射技术的非接触、高频率、图案定制化的优点[6]，实现球囊导管表面不规则消融电极的制备。

1? 材料与方法

1.1? 材料与仪器

模型研究目标主要为电极结构和正负电极间距对消融效果的影响，选用常用射频消融模型，模型对象为心脏组织，包括心肌层、覆盖层和电极，三维模型如图1所示，其中心肌层厚度8 mm，血液覆盖层厚度32 mm，直径均匀20 mm。球囊充气扩展后，电极与心肌层消融组织紧密贴合。

（2）微喷射技术

微喷射技术是微流体控制应用的一个重要体现，压电式微喷打印的原理是利用压电陶瓷材料的伸缩形变行为使喷嘴中“墨汁”喷射出去而形成液滴[8]。系统如图3示，主要由电控制器、气控制器、压电喷头、视觉观测系统组成。

系统采用微米级压电喷头，利用逆压电效应，电驱动控制器施加脉冲波形，脉冲电压持续过程，喷头内部的压电陶瓷材料产生微弱的形变，形变造成压电陶瓷材料接触挤压附近的毛细玻璃管壁并形成一种“声波”[9]，使得喷嘴处的溶液被挤压而喷射出去;当电压下降时，压电陶瓷因形变减缓而放松，玻璃毛细管膨胀，喷嘴处的墨水凹陷而“剪断”挤出的溶液，在墨水表面张力作用下，挤出的溶液将会逐渐聚集形成单一液滴，根据运动系统的控制，将液滴分配形成目标图形，最后对打印后的图形进行加热固化处理。

2? 结果分析

2.1? 消融温度分析

Nath等[10]发现，当心肌组织温度在50℃以上时会形成不可逆反应，达到治疗效果。图4为心肌层消融最高温度随时间变化曲线，施加电压：20 V，消融时间：100 s。分析0.2-0.7 mm电极间距能够达到的消融最高温度，对比叉指电极和矩形电极结构对消融温度的影响。由图3可知，消融最高温度与电极间距呈负相关，电极间距越小温度越高，0.2 mm间距时达到最高（叉指电极：74.5℃;矩形电极：67.5℃）;相同电极间距情况下，对比叉指电极和传统矩形电极结构对消融温度的影响，发现前者消融温度优于后者，消融温度更高。

2.2? 消融体积分析

据黄从新[11]等的研究，当消融区域温度高于? 60℃时，会引发肺静脉狭窄，结合图3结果，消融体积研究选取电极间距范围0.35 mm-0.6 mm，该范围内电极产生的消融温度维持在60℃左右，射频消融对应更低的正常组织损伤，降低肺静脉狭窄发生几率。分别计算了温度T>50℃时实际消融体积和T>60℃时正常组织损伤消融体积，并定义有效消融体积表示消融效果。

图5、图6分别为矩形和叉指结构电极有效消融体积随时间变化曲线，电极间距采用每隔0.05 mm模拟计算，有效消融体积采用每隔1 s抽取采樣点计算拟合得到。由图可知，矩形电极间距为0.45 mm时有效消融体积最大，有效消融体积为17.53 mm3;叉指电极间距为0.5 mm时有效消融体积最大，最大有效消融体积为68.27 mm3。

对比发现，电极间距一定时，叉指电极得到的结果：55-75 mm3：与矩形电极：10-20 mm3相比，有效消融体积明显增大，增幅大约为矩形电极的4-5倍。

进一步讨论分析不同电极结构对消融体积和温度的影响，图7、8分别为矩形电极和叉指电极正负电极间距0.45 mm时的温度分布图，分别截取了YZ和XZ平面图，并对50℃温度标注结果对比，发现电极结构对YZ平面温度影响较小，对XZ平面影响效果明显。结合图9中XZ平面电势分布图分析其原因，由图可知，电场强度随着距离底面高度的增加而减小，在贴近电极表面的位置电场强度最大;叉指结构与矩形结构电极相比，叉指结构电极表面电场扩散更广，XZ平面电压17 V时，叉指电极与矩形电极电场扩散比例约为3∶2，根据Pennes组织热传导方程可知，电压越高，组织产生的热量更高，有效消融体积更大。

2.3? 电极打印结果

本研究针对0.5 mm电极间距的叉指结构进行实际打印，打印过程中球囊注入100℃热水进行水浴加热，使喷射到球囊表面的纳米银油墨初步固化，避免发生聚集现象[12]，打印结束后将球囊导管放入烘箱130℃加热40 min。消融电极固化后使用数字万用表测量球囊膨胀后导电效果良好，电阻值为低于100 Ω。图10（a）和（b），分别球囊导管充气与放气后电极结构图，对比发现球囊充气电极结构没有明显改变。分析打印后电极尺寸，图11为叉指电极显微结构图，电极尺寸与设计值有所出入以及电极出现微小“缝隙”现象，可能是由于电极打印过程中纳米银油墨未能及时固化，烘箱加热过程中球囊受热膨胀，加热不均匀所致。

表3是对打印电极随机选取20组数据统计的结果与模型的对比，结果表明打印平均值与设计值的尺寸误差在5%以内，说明打印电极结构和电极间距整体上是均匀的，由此可以判断出打印出的叉指电极结构与模型一致，且球囊充气扩张后导电率良好。

3? 讨论

对于射频消融电极的模拟，目前大都集中于模型结构、电极插入深度、消融电压等参数对消融效果的影响[13-14]。相对于传统模拟对象，实现了叉指电极和传统矩形电极消融效果的模拟，结果证明叉指电极消融温度和体积均优于矩形电极;采用双极电极结构[15]，探讨了正、负电极间距对消融效果的影响，发现叉指结构电极间距在0.5 mm，矩形结构电极间距0.45 mm时消融效果最佳，降低肺静脉狭窄发生的几率。

目前，国内使用最多的射频消融器械结构统一，限制了电极结构发展，大部分为环形电极[14]（本文简化为矩形结构）;射频消融导管与消融组织接触不充分，不能真实地反映人体内部的复杂结构[16]。研究采用射频消融球囊导管，在球囊表面制备不同结构消融电极，球囊膨胀后电极与消融组织能够充分接触，消融体积更加接近人体内部状况，具有较高的使用价值。

传统的射频消融电极的模拟，多用来进行虚拟的仿真以及数值计算。本研究通过微喷射技术，把虚拟的射频电极模拟与现实射频消融导管结合起来，微喷射技术与传统的医用胶水粘结工艺相比，更加灵活、方便，利用微喷射技术的非接触、高频率、图案化定制的特点，能够快速高效地制备不同结构消融电极，为消融类医疗器械的制备提供了一种新的工艺。

4? 结论

对采用微喷射技术制备球囊消融电极的测试与分析得到以下结论：

（1）射频消融有限元仿真模型结果表明，消融电极结构和正、负电极间距对消融效果有较大影响，影响原因在于电极结构和间距造成的电势分布密集程度不同;

（2）对于复杂三维模型，采用微喷射技术制备金属电极具备可行性，其中固化温度是影响电极导电效果的重要因素;

（3）显微结构照片表明，微喷射技术制备的球囊消融电极与所设计的电极尺寸误差较小、导电率良好，符合对消融电极的基本要求。

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