電刺激小腦頂核對(duì)主要心血管生理參數(shù)的影響＊

王 錦,田學(xué)隆△,張 新,,王 敏

(1.重慶大學(xué)生物工程學(xué)院,重慶400030;2.重慶市醫(yī)療電子技術(shù)工程研究中心,重慶400030)

電刺激小腦頂核對(duì)主要心血管生理參數(shù)的影響＊

王 錦1,田學(xué)隆1△,張 新1,2,王 敏2

(1.重慶大學(xué)生物工程學(xué)院,重慶400030;2.重慶市醫(yī)療電子技術(shù)工程研究中心,重慶400030)

目的:本文通過(guò)研究電刺激小腦頂核對(duì)光電容積脈搏波的影響,探討電刺激小腦頂核對(duì)于人體心血管系統(tǒng)產(chǎn)生的生理效應(yīng)。方法:記錄30位受試者在小腦頂核受刺激時(shí)的脈搏波數(shù)據(jù),提取了上升支主波幅度H、上升沿斜率Slope、脈搏波波形特征量K值等5種波形特征值。對(duì)比分析在刺激中和刺激前后各特征值的變化并根據(jù)該變化描述電刺激小腦頂核所引起的生理變化。結(jié)果:電刺激小腦頂核使脈搏波呈現(xiàn)出靈敏的一過(guò)性變化。結(jié)論:特征值的變化反應(yīng)出電刺激小腦頂核使外周血流量、外周阻力等生理參數(shù)發(fā)生了一過(guò)性的變化。

電刺激小腦頂核;光電容積脈搏波;脈搏波特征值

近年來(lái)人們對(duì)電刺激小腦頂核(fastigial nucleus stimulation,FNS)所產(chǎn)生的生理方面的影響日益關(guān)注。前人已在多種動(dòng)物上證實(shí)了電刺激小腦頂核能夠引起頂核加壓反應(yīng)并使局部的腦血流量增加[1]等現(xiàn)象,使心腦血管系統(tǒng)發(fā)生可逆性的生理變化。目前模擬實(shí)驗(yàn)性小腦頂核電刺激而研制的小腦頂核電刺激儀已廣泛用于臨床,取得了顯著療效[2]。光電容積脈搏波描記法(photoplethysmogram,PPG)是借助光電手段在活體組織中檢測(cè)血液容積變化的一種無(wú)創(chuàng)檢測(cè)方法[3]。容積脈搏波能夠提供非常有價(jià)值的外周血管信息,本文通過(guò)研究電刺激小腦頂核下PPG特征值的改變,探討電刺激小腦頂核對(duì)主要的心血管生理參數(shù)產(chǎn)生的影響。

1 材料與方法

1.1 對(duì)象

受試者為30位(17位男,13位女)健康的志愿者,年齡為22～30歲,平均年齡:(25±2)歲。

1.2 測(cè)試儀器

PPG檢測(cè)系統(tǒng)由指端光電傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊所組成。實(shí)驗(yàn)中使用的小腦頂核刺激儀是本實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的。它的最大輸出電流為10 mA,刺激電流具有恒流輸出特性,安全有效,并能克服顱骨屏障。

1.3 信號(hào)采集及預(yù)處理

所有數(shù)據(jù)的采集均是由同一位受過(guò)訓(xùn)練的操作者完成。在相同的實(shí)驗(yàn)條件下,每位受試者重復(fù)采樣3～5次。每次實(shí)驗(yàn)均包括多個(gè)刺激強(qiáng)度的測(cè)試(根據(jù)人體耐受性的差異,選取不同的刺激強(qiáng)度)。受試者靜坐于25℃恒溫、安靜、舒適的實(shí)驗(yàn)室中,在測(cè)試過(guò)程中,保持平穩(wěn)的情緒。指端光電傳感器均是戴在每位受試者的左手食指上。小腦頂核刺激儀的電極貼在受試者雙耳后乳突處。記錄過(guò)程分為刺激前、刺激中和刺激后3部分,每一過(guò)程持續(xù)15 s。記錄到的原始數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)小波降噪、單波分離等預(yù)處理后,進(jìn)行特征值提取。

1.4 特征值提取方法

圖1所示為容積脈搏波的波形圖。主要提取了上升支主波幅值(H)、上升支斜率(Slope)、脈搏波的波形特征量 K值、峰峰點(diǎn)時(shí)間間隔(PPI,peak-topeak interval)、降中峽相對(duì)高度(h/H)這5種特征量。

Fig.1 Various PPGcharacteristics

(1)上升支主波幅值H定義為:主波峰值點(diǎn)與谷值點(diǎn)之間的幅度差。上升支主波幅值反映流過(guò)指端微血管床的最大血流量[3]。H越大則血流量越大,反之亦然。(2)上升支斜率定義為:

射血時(shí)遇到的阻力越大,則脈搏波中上升支斜率越小,幅度也越低[3]。反之,射血所遇到的阻力越小,射血速度越快,則上升支越陡,幅度也越大。(3)脈搏波波形特征量K值定義為:脈搏波波形脈動(dòng)分量部分下的面積0AQD與峰值和橫軸圍成的面積0BCD的比值[4],如圖1所示。K值的變化趨勢(shì)可以反映出血壓的變化趨勢(shì)[4]。(4)峰峰點(diǎn)時(shí)間間隔定義為:兩個(gè)相鄰峰值點(diǎn)的時(shí)間差,PPI反映心率變化[5]。(5)降中峽相對(duì)高度:降中峽高度與主波幅值之比,h/H與外周阻力呈正相關(guān)。

1.5 統(tǒng)計(jì)處理

用Wilcoxon符號(hào)秩和檢驗(yàn)比較3個(gè)階段(Stage1:刺激前;Stage2:刺激中;Stage3:刺激后)5種特征值的差異。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(±s)表示,統(tǒng)計(jì)分析使用SPSS 15.0軟件。

2 結(jié)果

一名受試者在實(shí)驗(yàn)中的脈搏波波形變化如圖2所示,刺激強(qiáng)度大于其刺激閾值。在小腦頂核電刺激開(kāi)始3 s內(nèi),脈動(dòng)分量幅值迅速變小,3～4 s后降至最小,然后增大,增大后又減小并逐漸恢復(fù)至刺激前水平,整個(gè)過(guò)程持續(xù)10～15 s。

Fig.2 Change of pulse wave in the experiment

從圖2中的脈搏波信號(hào)提取5種波形特征值,特征值變化的趨勢(shì)如圖3所示。發(fā)現(xiàn)5種特征值均出現(xiàn)了明顯的一過(guò)性的變化。在FNS下,PPG信號(hào)的脈動(dòng)分量幅度減小,說(shuō)明FNS引起了外周血管血流量的減小;K值的增大表明血壓出現(xiàn)瞬間升高;Slope的減小顯示外周阻力的增大,h/H的升高同樣表明外周阻力的上升;PPI在FNS下略微減小,說(shuō)明心率略微增加。

Fig.3 Changes of PPGcharacteristics in the experiment

30名受試者3個(gè)階段的各特征值的平均值如表1所示。Wilcoxon符號(hào)秩和檢驗(yàn)結(jié)果表明:K(P＜0.01)、Slope(P＜0.01)、H(P＜0.01)、h/H(P＜0.01)和H(1+ts/td,P＜0.01)在刺激時(shí)與刺激前、刺激后均具有顯著性差異,PPI(P＞0.05)不具有顯著性差異。部分受試者在FNS下出現(xiàn)了心率略微增加的現(xiàn)象,可能與個(gè)體差異以及電刺激強(qiáng)度的選擇有關(guān)。

Tab.1 Average of three stages’PPGcharacteristics(±s,n=30)

PPI:Peak-to-peak Interval

Stage1 Stage2 Stage3 0.4625±0.0468 0.4950±0.0509 0.4615±0.0499 Slope(mV/s) 415.9145±40.7429 307.1263±44.9641 409.5364±40.7053 H(mV) 69.0724±7.4267 50.9702±6.4902 67.4832±7.8174 PPI(s) 0.8315±0.0558 0.8278±0.0569 0.8298±0.0578 h/H 0.7366±0.0948 0.7862±0.0867 0.74398±0.0888 K

將3個(gè)階段的典型波形進(jìn)行均一化處理(圖4),波形的變化揭示了心血管的生理變化。光電容積脈搏波分為上升支和下降支兩部分。從圖4中可以看出FNS對(duì)于脈搏波信號(hào)心室快速射血期(上升支)的影響不明顯,幾乎所有的改變都發(fā)生在信號(hào)的下降支,也就是心室射血后期和心室舒張期。下降支的形狀可大致反映外周阻力的大小,外周阻力高時(shí),下降支下降速度緩慢;外周阻力低時(shí),下降支的下降速率較快[3]。在 FNS下,左心室射血時(shí)間變短,降中峽上升點(diǎn)和重搏波峰值點(diǎn)上升,下降支速率緩慢,說(shuō)明外周阻力發(fā)生了改變。

Fig.4 One PPGpulse from three different stages of subject E011

3 討論

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,PPG的多個(gè)特征參數(shù)在FNS下發(fā)生了一過(guò)性的變化。這一系列特征參數(shù)的變化間接反應(yīng)了心血管系統(tǒng)的生理變化。Doba認(rèn)為頂核加壓反應(yīng)是由于提高了交感神經(jīng)系統(tǒng)的活動(dòng)所致[1]。本實(shí)驗(yàn)中,電刺激小腦頂核引起的心血管的生理參數(shù)變化,與交感神經(jīng)興奮所引起的外周血管收縮類似,推測(cè)可能是由于電刺激小腦頂核引起了膽堿能的交感神經(jīng)活動(dòng)所致。脈搏波的變化呈現(xiàn)一過(guò)性,這可能與人在清醒的狀態(tài)下具有自我意識(shí)和自動(dòng)調(diào)節(jié)能力有關(guān)。由于個(gè)體耐受性差異較大,PPG波形在FNS下發(fā)生變化的閾值也不盡相同。一般情況下,女性的刺激閾值要低于男性的刺激閾值。

[1]Doba N,Reis D J.Changes in regional blood flow and cardiodynamics evoked by electrical stimulation of the fastigial nucleus in the cat and their similarity to orthostatic reflexes[J].J Physiol,1972,227(3):729-747.

[2]張潤(rùn)峰,陳運(yùn)貞,羅再貴,等.電刺激小腦頂核的基礎(chǔ)研究與臨床應(yīng)用現(xiàn)狀[J].中國(guó)臨床康復(fù),2005,9(13):140-143.

[3]羅志昌,張 松,楊益民.脈搏波的工程分析與臨床應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2006,165-170.

[4]楊 琳,張 松,楊益民,等.基于重搏波谷點(diǎn)的脈搏波波形特征量分析[J].北京生物醫(yī)學(xué)工程,2008,27(3):229-233.

[5]張愛(ài)華,張 妍,王 琦.基于脈搏信號(hào)的心電特征研究[J].電子測(cè)量技術(shù),2009,32(8):8-11.

Effects of fastigial nucleus stimulation on crucial cardiovascular physiological parameters

WANGJin1,TIAN Xue-long1△,ZHANG Xin1,2,WANGMin2
(1.Bioengineering College of Chongqing University,Chongqing 400030,China;2.Chongqing Engineering Research Center for Medical Electronics Technology,Chongqing 400030,China)

Objective:In order to study the effect of fastigial nucleus stimulation(FNS)on human cardiovascular system,the photoplethysmogram(PPG)affected by FNS were recorded and analyzed.Methods:Thirty volunteers’pulse signals were recorded before,during and after the FNS,and 5 PPGcharacteristics,such as H,Slope,and Kwere extracted.Changes of each characteristic in three stages were analyzed contrastively and based on which physiological changes caused by FNSwere described.Results:The pulse wave showed sensitive ongoing short-term changes during the FNS.Conclusion:Changes of characteristics indicates that FNS results in ongoing short-term changes of some physiological parameters such as peripheral blood flow and peripheral resistance.

fastigial nucleus stimulation; photoplethysmogram; PPGcharacteristics

R318.11

A

1000-6834(2010)04-507-03

重慶市重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目(2009AB5004)

2009-08-09

2010-06-13

△【通訊作者】Tel:023-65103812;E-mail:xltian@cqu.edu.cn