双极射频消融房颤的热损伤过程分析及实验研究

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心房颤动是临床上一种常见且危害严重的心律失常疾病,会导致心脏收缩不齐,进一步造成血栓栓塞,导致猝死或者脑中风。射频消融治疗房颤的机理是心肌组织在交变电磁场作用下的热效应使得组织温度升高,使生物组织失去活性以阻断异常电兴奋的传导路径,恢复窦性心律。房颤的射频消融治疗相比较于其他治疗方法具有恢复快、成功率高和复发率低、可以减少猝死和脑中风的概率等优点。目前,消融技术在临床上的应用结果显示其已成为部分有适应症房颤患者的首选治疗方案。  本文的主要工作围绕着双极射频消融治疗房颤的热损伤过程分析和实验研究进行,分为理论研究、有限元仿真分析和实验研究三个部分。主要开展了以下研究工作:  在理论研究方面,分析了在射频消融过程中热损伤的生物传热过程、传热方式,以及热损伤过程中组织比吸收率的变化。然后详细介绍了生物传热模型,包括著名的Pennes生物传热模型、Chen&Holmes生物传热模型(CH模型)、TCEBE生物传热模型等。接着介绍了单电极和双电极射频消融有限元分析几何模型,为下一步有限元仿真分析的研究做好了铺垫。  在有限元仿真分析方面,本文建立了电热耦合场的双极射频消融房颤模型,以Pennes生物传热模型为基础,以 ANSYS Workbench14.5为工具进行有限元仿真实验,得到不同实验条件下消融区域的温度分布,获得最高温度和以50℃为边界的消融损伤区域面积。通过设置不同的治疗参数进行仿真分析,得到了最佳的治疗参数,即输出功率为30W。通过改变心肌组织的属性参数,对比结果并分析发现,随着心肌组织导热系数和比热的增加,消融损伤区域的面积和最高温度均在逐渐变小;然而电导率则正好相反,随着心肌组织的电导率的增加,消融损伤区域的面积和最高温度均在逐渐变大。通过单次消融与多次消融的结果及分析,发现多次消融更能确保心肌组织隔离的有效性。  在实验分析方面,进行了离体实验和活体实验研究。离体实验主要考察消融组织的病理透壁率。实验结果发现,随着组织厚度的增加,其病理透壁率在逐渐下降;随着功率的增加,消融组织的病理透壁率在逐渐增加。动物实验主要考察消融组织的即时电隔离性和长期电隔离性。通过电生理标定消融后组织的电隔离性,发现不管是即时电隔离性还是长期电隔离性,30W的输出功率的成功率均高于25W的输出功率的成功率,验证了仿真实验所得的输出功率为30W的治疗参数的有效性和安全性。通过研究消融次数对消融组织透壁率的影响,发现三次消融的心肌组织病理透壁率和即时电隔离性、长期电隔离性远远高于单次消融的,与有限元仿真结果一致。
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