全世界数百万人都有起搏器，每年植入数十万人（参考。1）。建模和模拟可以帮助科学家和工程师更好地理解和优化起搏器设计。在这篇博客文章中，我们讨论了在起搏器电极中建模离子电流分布。
起搏器及其电极
人心由四个部分组成：两个心室和两个心房。体内的血液通过右心房进入，并泵入右心室。右心室将血液泵入肺部，因此血液可以被氧化。然后，新近氧的血液进入左心房，然后泵入左心室。左心室是最强的腔室，它在整个身体中泵入血液。
图显示了没有起搏器的血液流过心脏的方向。Bruceblaus的图像。获得许可CC BY-SA 2.5， 通过Wikimedia Commons。
但是，有时候，心脏不会像应有的方式一样。起搏器通过监测心脏的自然电信号来维持人的心率，并在发现异常时发出电脉冲。它们通常被用来治疗心动过缓，在这种情况下，心脏跳动太慢。心动过缓通常是由于年龄，心脏病以及人体自然电信号的失败而发展的，以正确地到达心脏。心率极低会导致死亡，因此起搏器是一种关键的救生医疗装置。
起搏器有两个不同的目的。一些起搏器是“需求起搏器”；也就是说，当他们发现问题时，他们根据需要提供电脉冲。其他起搏器的“速度响应速度”，这意味着他们的电路还可以测量呼吸速率，血液温度等，以确定患者的活动水平，然后确保心脏适当地跳动。
起搏器的脉冲发生器包含电源和电路的电池，以确定何时发送脉冲。电线将发电机连接到心脏的各个部位。电极放在电线的末端。
这些设备具有一到三根电线。带有单线电线的起搏器通常连接到右心室，带有两根电线的起搏器通常连接到右心室和中庭，以及带有三个电线的起搏器（“双脑室”起搏器）连接到一个单个中心和两个心室。
带有两个电极对的心脏的示意图，每对由一个球形工作电极和一个环形计数器电极组成（请参见下图）。
实际上，每个年龄段的人都使用起搏器，从婴儿到老年人，每个群体都有不同的需求。如果专业人士可以对起搏器的工作方式进行建模和模拟，那么可以实际测试设计，而不是依靠动物或人类的实验。建模和仿真也比现实世界更快，更便宜，体内起搏器实验。
在comsolMultiphysics®中建模起搏器电极
这里讨论的教程模型不是整个起搏器。取而代之的是，我们正在对起搏器的两个电极进行建模：阴极（工作电极）和阳极（环形计数器电极）。
起搏器电极模型的建模域和边界条件。
在我们的模型中，域是周围的血液和组织，电极和电极支撑是模型边界。域中的电流由遵循麦克斯韦方程的连续性方程控制。
这电流ComsolMultiphysics®软件中的接口用于分析。您可以在模型文档中找到有关此接口的更多信息。
结果与讨论
下面显示的结果给出了心脏内部电流分布的电极和流线的电势分布。
电极表面和总电流密度（流线）上的静电电位分布。
我们可以看到，球形工作电极上的电流密度最高。电流导致心脏跳动。
使用建模，工程师可以优化功率效率并延长起搏器的寿命，因此随着时间的推移，患者需要更少的替代品。工程师还可以看到几何形状如何影响当前和电压分布。通过模拟，工程师还可以执行压力测试以查看起搏器设计的极限，并避免体内实验。
尽管这里的教程模型具有起搏器，但这些概念可以应用于涉及离子传导的其他过程。
自己尝试
通过单击下面的按钮查看起搏器电极教程模型。
参考
- M. Wood和K. Ellenbogen，“从患者的角度来看心脏起搏器“，循环，卷。105，不。18，2002。
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