基于微噴射技術的球囊消融電極模擬與制備

宋曉康 孫懷遠 劉志強

摘? 要： 建立心臟組織三維模型，模擬了叉指電極與傳統矩形電極以及兩種結構不同正負電極間距下射頻消融特性。結果表明，叉指結構電極消融溫度和消融體積明顯優于矩形結構電極。利用微噴射技術于球囊導管表面制備電極，經與模擬結構對比分析，打印實物（線寬、電極間距）平均數據與設定數據的誤差在5%以內，并且球囊擴張后電極導電效果良好，符合設計要求。

關鍵詞： 微噴射技術;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雜心律失常問題之一，房顫的反復、持續性發作不僅僅會衰弱心房機制，嚴重者會導致中分、增加死亡的概率[1]。目前，房顫的發生和終止機制尚未明確，肺靜脈顫動樣電位被認為是引起房顫的主要原因，肺靜脈隔離術是目前治療房顫的主要手術方式，利用射頻對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，在治療過程中，通常將導管沿靜脈送至心房并在指定部位釋放100 kHz-3 MHz射頻能量，組織內電介質在電場作用下高速摩擦產生大量熱能，當組織溫度升高至50℃時，細胞發生不可逆損傷，從而達到治療效果[4]。射頻消融球囊導管近年來發展快速，通過球囊充氣膨脹后，與組織緊密接觸進行消融。研究表明，與常用射頻消融導管相比，能夠減少熱量損失，多電極不同射頻能量、實現定點定量能量傳遞，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，模擬不同電極結構和正負電極間距對消融效果的影響，模擬結果顯示矩形結構正負電極間距為0.45 mm時，消融溫度穩定在60攝氏度左右，消融體積達到最大值17.53 mm3;叉指結構正負電極間距為0.5 mm時，消融溫度穩定在60℃左右，消融體積達到最大值68.27 mm3。模擬結果減少了射頻消融對周圍正常組織的損傷，降低了肺靜脈狹窄發生的概率。最后提出了一種新的球囊電極制備工藝--微噴射技術（Micro-jet technology），利用微噴射技術的非接觸、高頻率、圖案定制化的優點[6]，實現球囊導管表面不規則消融電極的制備。

1? 材料與方法

1.1? 材料與儀器

模型研究目標主要為電極結構和正負電極間距對消融效果的影響，選用常用射頻消融模型，模型對象為心臟組織，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。球囊充氣擴展后，電極與心肌層消融組織緊密貼合。

（2）微噴射技術

微噴射技術是微流體控制應用的一個重要體現，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]。系統如圖3示，主要由電控制器、氣控制器、壓電噴頭、視覺觀測系統組成。

系統采用微米級壓電噴頭，利用逆壓電效應，電驅動控制器施加脈沖波形，脈沖電壓持續過程，噴頭內部的壓電陶瓷材料產生微弱的形變，形變造成壓電陶瓷材料接觸擠壓附近的毛細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;當電壓下降時，壓電陶瓷因形變減緩而放松，玻璃毛細管膨脹，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，擠出的溶液將會逐漸聚集形成單一液滴，根據運動系統的控制，將液滴分配形成目標圖形，最后對打印后的圖形進行加熱固化處理。

2? 結果分析

2.1? 消融溫度分析

Nath等[10]發現，當心肌組織溫度在50℃以上時會形成不可逆反應，達到治療效果。圖4為心肌層消融最高溫度隨時間變化曲線，施加電壓：20 V，消融時間：100 s。分析0.2-0.7 mm電極間距能夠達到的消融最高溫度，對比叉指電極和矩形電極結構對消融溫度的影響。由圖3可知，消融最高溫度與電極間距呈負相關，電極間距越小溫度越高，0.2 mm間距時達到最高（叉指電極：74.5℃;矩形電極：67.5℃）;相同電極間距情況下，對比叉指電極和傳統矩形電極結構對消融溫度的影響，發現前者消融溫度優于后者，消融溫度更高。

2.2? 消融體積分析

據黃從新[11]等的研究，當消融區域溫度高于? 60℃時，會引發肺靜脈狹窄，結合圖3結果，消融體積研究選取電極間距范圍0.35 mm-0.6 mm，該范圍內電極產生的消融溫度維持在60℃左右，射頻消融對應更低的正常組織損傷，降低肺靜脈狹窄發生幾率。分別計算了溫度T>50℃時實際消融體積和T>60℃時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構電極有效消融體積隨時間變化曲線，電極間距采用每隔0.05 mm模擬計算，有效消融體積采用每隔1 s抽取采樣點計算擬合得到。由圖可知，矩形電極間距為0.45 mm時有效消融體積最大，有效消融體積為17.53 mm3;叉指電極間距為0.5 mm時有效消融體積最大，最大有效消融體積為68.27 mm3。

對比發現，電極間距一定時，叉指電極得到的結果：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。

進一步討論分析不同電極結構對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電極間距0.45 mm時的溫度分布圖，分別截取了YZ和XZ平面圖，并對50℃溫度標注結果對比，發現電極結構對YZ平面溫度影響較小，對XZ平面影響效果明顯。結合圖9中XZ平面電勢分布圖分析其原因，由圖可知，電場強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強度最大;叉指結構與矩形結構電極相比，叉指結構電極表面電場擴散更廣，XZ平面電壓17 V時，叉指電極與矩形電極電場擴散比例約為3∶2，根據Pennes組織熱傳導方程可知，電壓越高，組織產生的熱量更高，有效消融體積更大。

2.3? 電極打印結果

本研究針對0.5 mm電極間距的叉指結構進行實際打印，打印過程中球囊注入100℃熱水進行水浴加熱，使噴射到球囊表面的納米銀油墨初步固化，避免發生聚集現象[12]，打印結束后將球囊導管放入烘箱130℃加熱40 min。消融電極固化后使用數字萬用表測量球囊膨脹后導電效果良好，電阻值為低于100 Ω。圖10（a）和（b），分別球囊導管充氣與放氣后電極結構圖，對比發現球囊充氣電極結構沒有明顯改變。分析打印后電極尺寸，圖11為叉指電極顯微結構圖，電極尺寸與設計值有所出入以及電極出現微小“縫隙”現象，可能是由于電極打印過程中納米銀油墨未能及時固化，烘箱加熱過程中球囊受熱膨脹，加熱不均勻所致。

表3是對打印電極隨機選取20組數據統計的結果與模型的對比，結果表明打印平均值與設計值的尺寸誤差在5%以內，說明打印電極結構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構與模型一致，且球囊充氣擴張后導電率良好。

3? 討論

對于射頻消融電極的模擬，目前大都集中于模型結構、電極插入深度、消融電壓等參數對消融效果的影響[13-14]。相對于傳統模擬對象，實現了叉指電極和傳統矩形電極消融效果的模擬，結果證明叉指電極消融溫度和體積均優于矩形電極;采用雙極電極結構[15]，探討了正、負電極間距對消融效果的影響，發現叉指結構電極間距在0.5 mm，矩形結構電極間距0.45 mm時消融效果最佳，降低肺靜脈狹窄發生的幾率。

目前，國內使用最多的射頻消融器械結構統一，限制了電極結構發展，大部分為環形電極[14]（本文簡化為矩形結構）;射頻消融導管與消融組織接觸不充分，不能真實地反映人體內部的復雜結構[16]。研究采用射頻消融球囊導管，在球囊表面制備不同結構消融電極，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部狀況，具有較高的使用價值。

傳統的射頻消融電極的模擬，多用來進行虛擬的仿真以及數值計算。本研究通過微噴射技術，把虛擬的射頻電極模擬與現實射頻消融導管結合起來，微噴射技術與傳統的醫用膠水粘結工藝相比，更加靈活、方便，利用微噴射技術的非接觸、高頻率、圖案化定制的特點，能夠快速高效地制備不同結構消融電極，為消融類醫療器械的制備提供了一種新的工藝。

4? 結論

對采用微噴射技術制備球囊消融電極的測試與分析得到以下結論：

（1）射頻消融有限元仿真模型結果表明，消融電極結構和正、負電極間距對消融效果有較大影響，影響原因在于電極結構和間距造成的電勢分布密集程度不同;

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

（3）顯微結構照片表明，微噴射技術制備的球囊消融電極與所設計的電極尺寸誤差較小、導電率良好，符合對消融電極的基本要求。

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