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无导线心脏起搏器体内通信研究

无导线心脏起搏器 (LCPs) 已经成为心律管理的前沿技术。在 MicroPort CRM，数值仿真被用于优化多节点 LCP 系统之间的通信。

作者 Dixita Patel
2021 年 5 月

起搏器技术的进步，如改进的电子设备和更小的电池尺寸，使开发无导线心脏起搏器(leadless cardiac pacemakers，LCPs)成为可能。LCP 是一种自给自足的(胶囊状)发电机和电极系统，它消除了经常导致故障的隐藏或经静脉引线的需要。目前，市场上的无导线心脏起搏器只在心脏的一个位置运行。对于需要多腔刺激的患者，可以使用多节点无导线心脏起搏器系统(图1)。该系统需要所有植入设备之间同步才能正常工作。然而，由于功率消耗和大小的限制，所使用的标准通信技术可能不合适。

为了使系统和通信更加高效，MicroPort CRM 的研究人员正在使用数值仿真研究电偶体内通信(galvanic intrabody communication，IBC)来应对这些设计挑战。电偶体内通信使设备之间的通信功耗更低，反之，低功耗又有助于同步多节点无导线心脏起搏器系统的高效运行。

用于无导线心脏起搏器的 IBC 接收器

IBC 是一种近场通信方法，使用一个电极对发送脉冲通过身体组织到第二电极对接收信号。这种方法的功耗极低，而且不需要额外的天线，因为用于步测的电极也为通信提供了电场。

Mirko Maldari 是 MicroPort CRM 的一名电子工程师，他和他的团队提出了一种新的方法来进一步表征这类的通信信道。Maldari 说:“在 IBC 中，由于使用了电极(取代线圈和天线)进行通信，我们可以优化其功耗和尺寸。他们使用一个由两个胶囊组成，分别植入右心房和右心室的系统进行了活体研究，如图1 所示。在进一步的分析中，他们使用 COMSOL Multiphysics^® 软件来测量信道的衰减，并估算组织中功率的损耗量。

使用仿真分析 IBC 路径损失

MicroPort 的团队与电子设计自动化公司新思科技（Synopsys Inc.）进行合作，使用 Synopsys Simpleware™ 软件开发了一个可导入 COMSOL Multiphysics® 软件的人体躯干模型(图3)。该模型基于一个经苏黎世社会信息技术研究基金会（IT'IS Foundation Zurich）验证的人体幻影建立，更具体地说，是一个 34 岁的男性“公爵”模型。

该几何模型包括器官、肌肉、骨骼、软组织和软骨。将模型导入 COMSOL Multiphysics^® 后，他们建立了一个近似的心腔以区分心肌和血液。Maldari 说:”添加这些特征对我的应用很重要，因为它们具有不同的电属性。” 随后，该团队在 COMSOL Multiphysics^® 中设计了两个相同的无导线心脏起搏器胶囊，以评估心内信道的衰减水平。

团队分别在两个不同方向对胶囊进行了研究，信道距离均为 9cm。他们使用 COMSOL Multiphysics^® 的附加产品 AC/DC 模块中的电流接口，采用准静态方法进行了模拟，计算了在 40kHz 至 20MHz 频率范围内的信道衰减。图4的结果显示了最坏(垂直)和最好(平行)情况下右心房胶囊的位置。最好的情况是在接收偶极上有更高的差分电压。两种情况下的衰减水平如图5所示，差大约为 11dB。在 40kHz 到 20MHz 频率范围内，两种情况下信道均衰减了 5dB。仿真结果显示，Maldari 和他的团队能够验证胶囊的相对位置和方向显著影响信道衰减。

对于 MicroPort 来说，在准备原型之前估计衰减水平非常重要。“作为研究人员和科学家，我们试图减少动物试验的数量，而仿真已经做到了这一点。” Maldari说道，“COMSOL 软件是一个强大的工具，可以在进行实验研究之前，评估生物组织中的信号行为。”仿真的使用使团队能够准确定义电偶体内通信模型，并优化无导线心脏起搏器系统的接收器。

未来计划

未来，MicroPort 将进一步研究某些输入参数，如电极尺寸和偶极子长度，对更完整的电场参数集的影响。这将有助于他们找出心脏舒张期和收缩期的衰减差异。目前，研究人员正在设计一种超低功率的无导线心脏起搏器同步接收器，这种新的接收器可能标志着双腔起搏器的突破性创新。