在 COMSOL 中模拟心脏起搏器

全世界有数百万人体内装有心脏起搏器，并且每年仍有数十万人正在植入起搏器。建模和仿真可以帮助科学家和工程师更好地理解和优化起搏器设计。在这篇文章中，我们讨论了使用 COMSOL 软件模拟起搏器电极周围的电流分布。

起搏器及其电极

人类心脏由四个部分组成：两个心室和两个心房。来自身体的血液通过右心房进入心脏，并被泵入右心室。右心室将血液泵入肺部，这样血液就会充氧。然后，新的含氧血液进入左心房并被泵入左心室。左心室是最强大的腔室，它负责将血液泵送到整个身体。

图中显示了在没有起搏器的情况下通过心脏的血流方向。图片由BruceBlaus提供。通过 Wikimedia Commons获得许可（CC BY-SA 2.5）。

然而，有时心脏并没有按应有的方式跳动。心脏起搏器通过监测心脏的自然电信号并在检测到异常时发出电脉冲来维持人的心率。它们通常用于治疗心动过缓。心动过缓通常由于年龄、心脏病和身体的生理电信号无法正确到达心脏而逐渐形成。极低的心率会导致死亡，因此起搏器是一种极其重要的救生医疗设备。

起搏器有两种不同的用途。一些起搏器是“按需起搏器”；也就是说，当检测到问题时，它们会根据需要提供电脉冲。还有一些起搏器具有“频率反应”功能，这意味着它们还可以测量呼吸频率、血液温度等，以确定患者的活动水平，确保心脏正常跳动。

起搏器的脉冲发生器包含用于供电的电池和用于确定何时发出脉冲的电路。电线将发生器连接到心脏的各个部位。电极位于电线的末端。

起搏器包含 1~3 根电线。单线起搏器通常连接到右心室，双线起搏器通常连接到右心室和心房，三线起搏器（“双心室”起搏器）连接到一个心房和两个心室。

具有两对电极的心脏示意图，每一对电极由一个球形工作电极和一个环形对电极组成（见下图）。

从婴儿到老年人，几乎各个年龄群体都会用到起搏器，并且每个群体都有不同的需求。如果专业人员可以对起搏器的工作方式进行建模和仿真，就可以对设计进行虚拟测试，而不是依赖动物或人体实验。建模和仿真也比现实世界的 体内 起搏器实验更高效、成本更低。

在 COMSOL Multiphysics® 中模拟起搏器电极

我们这篇博客中讨论的教程模型模拟的不是整个起搏器，而是起搏器的两个电极：阴极（工作电极）和阳极（环形反电极）。

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，电极和电极支架是模型边界。域中的电流由遵循麦克斯韦方程的连续性方程控制。

我们使用 COMSOL Multiphysics® 软件中的 电流 接口进行分析。您可以在模型文档中找到有关此接口的更多信息。

结果和讨论

下面的模拟结果显示了电极上的电位分布和心脏内电流分布的流线。

电极表面的静电势分布和总电流密度（流线）。

可以看到，球形工作电极上的电流密度最高。电流引发心脏跳动。

通过仿真，工程师可以优化起搏器的能效并延长它的使用寿命，随着时间的推移，患者需要更换起搏器的次数越少；工程师还可以直观的观察几何形状如何影响电流和电压分布。通过仿真，工程师还可以进行压力测试，以了解起搏器设计的极限并避免进行体内实验。

虽然本文介绍的教程模型模拟的是起搏器，但这些理念也可应用于模拟涉及离子传导的其他过程。