有源医疗设备展|探秘心脏冲击波治疗CSWT：压电技术在心脏康复治疗中的应用

2024-08-27

什么是心脏冲击波治疗（CSWT）技术：

由有源医疗设备展知悉，心脏冲击波治疗（Cardiac Shockwave Therapy，CSWT）是一种新兴的非侵入性治疗技术，主要用于治疗缺血性心脏病（Ischemic Heart Disease, IHD），包括心肌梗死和顽固性心绞痛等病症。CSWT 的原理基于传输高强度的声波脉冲，这些声波在组织中产生冲击波，从而激活与组织修复和症状缓解相关的生物学过程。

图片来源：医工超人

CSWT的工作原理：

冲击波的产生：CSWT使用专门设计的换能器（例如压电换能器）生成高强度的声波脉冲。这些脉冲在组织中形成冲击波，具有极短的压力上升时间。
生物学效应：当这些冲击波传递到心脏组织时，它们通过机械转导（mechanotransduction）引发一系列细胞级别的反应。这些反应包括抑制细胞凋亡（程序性细胞死亡）、促进细胞增殖、释放生长因子、增加与血管生成相关的基因表达，以及调节缺血性心肌梗死后的炎症反应。
治疗效果：这些生物学效应共同作用于心脏组织，促进心脏功能的恢复，减少心绞痛症状，并改善心肌的血液灌注。

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心血管疾病是发达国家中最主要的死亡原因，而心脏冲击波治疗（CSWT）被视为一种治疗缺血性心脏病的有前途的非侵入性疗法。CSWT 的工作原理是通过传输高强度声波，促进心脏组织的修复过程，从而改善患者的心脏功能和缓解症状。然而，这种技术的普及受到设备成本高和专业技术要求的限制。论文的目的是开发一个可穿戴的CSWT设备，为未来的产品开发提供模拟技术和结果支持。

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理论基础

文章详细讨论了ECST的治疗效果，包括对心脏组织的影响、可能的副作用、以及其他声波治疗（如高强度聚焦超声HIFU）对组织的影响。此外，论文还描述了声波的分类、冲击波换能器的类型及其工作原理，特别是压电换能器的设计和声学传播特性。

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常用的几种用于心脏康复治疗的体外震波设备换能器

方法与技术

研究的核心是开发一个数值模拟模型，用于分析声波在心脏组织中的传播。该模型包括压电换能器的材料建模、频率响应分析、以及一维和二维声波传播的仿真。此外，论文还探讨了网格划分、时间步长自适应和计算域截断等技术细节。特别是，论文采用了COMSOL Multiphysics中的NATE接口进行非线性声学传播的数值解算，并探讨了DGFEM等数值方法在复杂几何结构中的应用。

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用于修复肋骨周围肌肉组织的网格模型

结果与讨论

文章展示了压电换能器的仿真结果，包括材料建模和频率响应的分析。通过一维非线性声波传播模型，研究了不同初始压力和介质条件下的声波传播特性。二维仿真则更进一步，分析了焦点声波的形成及其在复杂几何结构中的传播行为。结果表明，所开发的模型能够有效地模拟CSWT中的声波传播，并为未来的设备开发提供了理论支持。