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调查无铅心脏起搏器的内部沟通

无铅心脏起搏器（LCP）已成为心律管理的尖端技术。在MicroFort CRM上，数值模拟被用于优化多键LCP系统之间的通信。

作者：Dixita Patel
2021年5月

起搏器技术的最新进步现在包括改进的电子设备和较小的电池，使无铅心脏起搏器（LCP）的发展成为可能。LCP是一种具有独立的（胶囊状的）发电机和电极系统，它消除了对经常引起故障的口袋或透性导线的需求。当前市场上的LCP在心脏的单个位置上，但是对于需要多个单室刺激的患者，可以使用多键LCP系统（图1）。多键LCP系统需要在所有植入设备之间同步才能正常运行。但是，由于功耗和尺寸的限制，所使用的标准通信技术可能不适合。

为了帮助使系统和沟通更加高效，MicroPort CRM的研究人员使用模拟使用电力内部遗传学通信（IBC）来调查这些设计挑战。IBC提供了一种功能优化的解决方案，以促进设备之间的通信，从而有助于同步多键LCP系统。

图1.具有两个植入胶囊的多键LCP系统。纽约纽约Pearson Education，Inc。的许可已修改和重印。

LCP应用程序的内部沟通收发器

内在通信（IBC）是一种近场通信方法，它使用电极对将通过身体组织的脉冲发送到接收信号的第二个电极对。此方法可与超低功率一起使用，并且不需要其他天线，因为用于起搏的电极还为通信提供了电场。

Microport CRM的电子工程师Mirko Maldari及其团队提出了一种新方法，以进一步表征这类交流渠道。马尔达里说：“使用IBC，因为电极用于通信（而不是线圈和天线），所以我们可以优化功耗和尺寸。”在他们的研究中体内使用一个由两个胶囊组成的系统进行的研究，这些胶囊植入了右心房和心脏的右心室，如图1所示。^®用于测量通道的衰减并估计组织中耗散多少功率的软件。

图2. IBC通道研究的LCP原型。

通过模拟分析IBC Pathloss

Microport的团队与Synopsys Inc.合作（电子设计自动化公司Synopsys Inc.^®软件（图3）。该模型基于苏黎世基金会的经过验证的人类幻影。更具体地说，代表34岁男性的“杜克”模型。

创建几何模型是为了包括器官，肌肉，骨骼，软组织和软骨。导入comsol多物理学后^®，建造了一个近似版本的心脏室，以区分心肌和血液。马尔达里说：“对于我的应用程序具有不同的电气性能，这一点很重要。”然后，团队在Comsol多物理学中设计了两个相同的LCP胶囊^®估计心脏内通道的衰减水平。

图3.进口到comsol多物理学的躯干CAD模型^®（左）和横截面视图（右）。

在两个不同方向上研究了胶囊，均以9厘米的通道距离进行。使用过准方法进行仿真电流AC/DC模块中的接口，comsol多物理的附加产品^®，以40 kHz至20 MHz之间的频率范围计算通道衰减。图4中的结果显示了最坏情况下（垂直）和最佳案例场景（平行）的右心庭（RA）胶囊的位置。最好的场景显示了整个接收偶极子的较高差分电压。两种情况的衰减水平都可以在图5中看到，其中差异约为11 dB。从40 kHz到20 MHz，两种情况下的衰减均降低了约5 dB。从结果来看，Maldari和他的团队能够验证胶囊的相对位置和方向强烈影响频道的衰减。