心脏射频消融中接触力因素的仿真分析及其控制系统设计

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心脏射频消融是治疗心律失常、心房颤动和室性心动过速等疾病的一线或准一线治疗方案。影响射频消融治疗效果的因素包括射频功率、消融时间和组织温度等。目前,随着压力监测射频消融导管在临床中的广泛应用,消融电极与心肌组织之间的接触力对消融效果的影响已成为目前射频消融领域的研究热点之一。为分析接触力的作用,本文构建了温度-电磁-机械场耦合的心脏射频消融有限元模型;并设计了一款射频消融导管接触力控制系统用于控制消融电极的接触力。具体来说,主要内容如下:首先,基于射频消融过程中的热传递方程、心肌组织的热弹性机械建模方程、热损伤评估方程,使用Comsol Multiphysics建立了温度-电磁-机械多物理场耦合的心脏射频消融模型。根据心脏射频消融有限元模型计算结果,研究了不同消融参数对消融热损伤的影响。随着接触力的增加,热损伤区尺寸、热损伤透壁性、热损伤区宽度/深度比均增大,但是,热损伤生成时间变化较小;力-时间积分(FTI)作为热损伤预测因子,在消融前期具有较好的准确性,但随着消融时间增加,其准确性下降;另外,热对流系数、组织参数和收缩系数均会影响热损伤尺寸以及组织内部最大温度。其次,为实现对消融电极接触力的准确控制,设计了基于下位机和上位机的射频消融导管接触力控制系统。其中,下位机硬件部分采用Arduino Mega2560作为控制核心,电阻式压力传感器作为接触力测量元件,步进电机和驱动单元作为控制模块,蓝牙作为无线数据传输模块;上位机硬件部分采用PC机。软件部分,下位机程序对压力传感器的电压值进行接收、处理、转换和数据发送,并使用混合PID控制系统计算步进电机的控制量;上位机Lab VIEW程序接收压力传感器的数值,并计算实时FTI值。最后,搭建了导管接触力控制系统的实验平台,对动态响应和安全性能开展评估实验,并验证系统稳定状态下能否在规定时间内达到所需的目标FTI。实验结果表明系统在阶跃输入和受干扰情况下均能较快的进入和恢复到稳定状态;稳定状态下系统将接触力控制在一定范围内,并在规定时间内到达所需的FTI。
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