心房快速起搏动物模型刺激器的设计与应用

【作 者】秦勇，于佳慧，周真，魏宏明

1 哈尔滨理工大学测控技术与通信工程学院，哈尔滨市，150080

2 黑龙江省高校测控技术与设备重点实验室，哈尔滨市，150080

3 哈尔滨医科大学附属第一医院，哈尔滨市，150080

0 引言

的持续性心律失常，房颤总的发病率为0.4%，随着年龄增长房颤的发生率不断增加，75岁以上人群可达10%。由于心脏病发病机理复杂，而且以人本身作为心脏病模型进行实验研究，实验条件在时间和空间上存在局限性，所以心脏病医学研究中通常将实验动物作为研究对象，进行心脏病病理模型的制作。

房颤时心房激动的频率达300～600 ppm，心跳频率往往快而且不规则。通常心脏病模型制作中采用的是给药法或者心脏外科手术方法，这样制作心脏病模型耗费周期长、种类有限，而且模型的参数不精确，特别是模型制作后其参数不易调整。心房刺激器应用于实验动物，为心房颤动模型制作提供了解决方案。通过调控实验动物携带的刺激器，有意识地建立那些在自然条件下不可能或不易排除的因素，可以高效、准确地观察模型的实验结果。实验条件容易控制，重复性好，并与人类心脏疾病原型进行比较分析，为心脏病的临床治愈提供有效的参考。

1 刺激脉冲电参数

刺激脉冲多采用矩形脉冲，因为矩形波对心肌的有效阈值较低，便于控制和定量。设计脉冲为负脉冲输出，因为脉冲刺激心脏时负脉冲的阈值比正脉冲要高很多，才能有效地实现心脏刺激，并且不会引起组织的电极化。一般的刺激脉冲电参数包括脉宽、幅度、频率。幅度和脉宽需要根据当前心脏的电生理活动调整为合适的数值，满足起搏阈值而又不过高于起搏阈值，以降低系统功耗。与心肌连接时其刺激脉冲波形如图1所示。对于不同的动物房颤模型对应的频率还有不同，一般可以在300～800 ppm的范围可调。为保证有效的刺激，对应的脉冲宽度在250～1000 ms的范围可调。

2 房颤模型刺激器系统

2.1 房颤模型刺激器的构成

动物房颤模型刺激器组成部分主要包括脉冲发生器、脉冲倍压电路、开关控制电路、电源和电极，其基本结构框图如图2所示。

图1 刺激器输出脉冲Fig.1 output pulse of the cardiac stimulator

图2 房颤模型刺激器基本功能结构Fig.2 Structure of the cardiac stimulator for atrial fibrillation model

刺激器植入实验动物体内，工作能源来源于电池。电池的寿命将直接决定了刺激器的寿命。刺激器选用锂电池作为工作电源，其工作电源为2.8～3.2 V之间，通过电源管理可以检测电源电压幅度，控制电压输出，并为整个刺激器提供稳定的工作电压。

控制开关电路能够保证刺激器埋藏在实验动物体内后还能够通过外部控制实现刺激器的启停，使得模型建立方便。控制开关利用磁场作用原理控制刺激器的开关状态，并且完全可根据临床研究的需要，设计刺激脉冲的输出。

PIC控制单元控制发放刺激电脉冲，由控制电路、定时电路等组成。控制电路控制脉冲的发放时机和脉冲的幅度，定时电路决定脉冲的脉宽和频率，以控制电刺激的能量大小。

脉冲倍压电路为了能在当前的电池电压的条件下，能发送心肌除极的电信号，考虑到电极阻抗等因素，需要把电源电压倍压到2～3倍。

刺激器工作电极包括有阴极和阳极。阴极要埋于动物体内与心脏不发生接触。阳极则通过电极导线与心脏相连。所以对于阴极和阳极要采用无毒、耐腐蚀的材料，保证在动物体内不会被腐蚀，并且不会对动物造成不良的影响。

2.2 电路设计

为实现上述功能，并保证刺激器的小体积、低功耗和电参数可调，设计了刺激器的电路，如图3所示。

图3 房颤模型刺激器功能电路图Fig.3 Circuit of the cardiac stimulator for atrial fibrillation model

该电路采用32.768 kHz晶振作为时钟源，以降低耗电量，并且采用MicroChip公司的低功耗的单片机PIC12F617作为控制单元，3.0 V时，32 kHz条件下工作电流约为20 mA，看门狗定时器电流约为3 mA。干簧管K1作为控制开关，利用磁铁来进行控制。在磁铁的作用下，可以实现干簧管的通断信号，连接到芯片PA01中，可以将芯片中的上一个工作状态变换为下一个工作状态，即从通—断或者由断—通。工作状态的信号通过CON引脚与单片机相连接，可以控制单片机发送脉冲信号。如果通过磁铁控制干簧管的当前状态为：单片机发送脉冲，那么单片机的工作脉冲信号通过GP1口输入到PA01芯片中，电路完成负脉冲发生以及倍压作用，进而通过与OUT引脚的电极作用到动物模型的心房肌上，实现脉冲刺激。

为了完成动物犬的房颤模型的建立，设计完成刺激器的参数如下：

几何尺寸：42 mm×42 mm×13 mm。

预设参数：

(1)刺激脉冲输出方式：AOO (VOO)；

(2)脉冲幅度：≥5 V；

(3)脉冲频率：1#：80±8 ppm，2#：400±4 ppm；

(4)脉冲宽度：0.50±0.01 ms。

刺激器的样机，如图4所示。

图4 房颤模型刺激器样机Fig.4 Appearance the cardiac stimulator for atrial fibrillation model

样机完成后的设计参数，如图5所示。其脉冲宽度为0.5 ms，脉冲频率为400 ppm。未连接心肌时其刺激脉冲高度为7.8 V，连接心肌其刺激脉冲为4.4 V。

图5 刺激器输出脉冲参数Fig.5 Output pulse parameters of the cardiac stimulator

3 实验分析

实验对象为雄性健康杂种犬，体重17 kg，在戊巴比妥钠麻醉下，采用心外膜刺激，将刺激器阳极连接的电极置于左心室游离表面。植入手术2天后开始进行脉冲刺激。刺激时（400 ppm）犬体表及心内电图如图6所示。

图6 刺激时（400 ppm）犬体表及心内电图Fig.6 Dog body and heart electrical diagram when 400 ppm to stimulate

连续刺激18天后，在对刺激后的实验犬的病理解剖显示其心室扩大、心室游离壁变薄、心肌细胞肿胀、间质水肿、血管充血等器质性病变。由此可见，刺激器可以实现对健康犬快速建立心房颤动模型。

4 结论

本文设计完成了心房快速起搏动物模型刺激器，并完成了样机制作并进行了动物实验。实验表明，该刺激器能够完成对实验动物的心房颤动模型的建立。刺激频率可以根据其他不同需求的心血管领域动物实验进行设计。该刺激器具有电路工作性能稳定、可靠性高，操作方便，体积小、功耗低等特点。

[1]葛力彬,周真,秦勇,等.实验动物用埋藏式心脏起搏器精密可调脉冲发生器设计[J].测控技术,2012,31(1):9-11.

[2]张楚涛,孙友法,方祖祥.一种磁铁控制高频心脏起搏器频率的方法[J].上海生物医学工程,2004,25(3): 7-9.

[3]郑林,张永红,张岭,等.可调式动物心脏起搏器的设计[J].北京生物医学工程,2006,25(4): 415-416.

[4]温志浩,陈海军.体外充电植入式人工心脏起搏器的设计[J].中国组织工程研究与临床康复,2011,15(22): 4107-4110.

[5]范振中,易小林,张雷,等.数字式动物心脏起搏器研制及在医学研究中的应用[J].生物医学工程学杂志,2010,27(5): 1031-1032.