體表電刺激對新西蘭大白兔心電活動的影響

張望，張輝，吳莎，王小旭，張曉剛

體表電刺激對新西蘭大白兔心電活動的影響

張望，張輝，吳莎，王小旭，張曉剛

目的研究體表電刺激對新西蘭大白兔心電活動的影響，尋找臨床電刺激療法的安全閾值，為體外起搏器的設(shè)計提供理論依據(jù)。方法將新西蘭大白兔隨機分為17組，每組6只。設(shè)脈沖電刺激實驗組16組，電刺激部位均在大白兔中上腹區(qū)，根據(jù)電壓不同分為5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80V組。用BL-420F型生物機能實驗系統(tǒng)提供刺激電源并采集心電圖，系統(tǒng)輸出脈沖電刺激頻率均為270次/min，刺激波為方波。設(shè)一組部位對照組，刺激電壓35V，刺激正極位于胸部心前區(qū)，刺激負極位于背部心臟對應(yīng)部位皮膚表面，余同實驗組。結(jié)果電壓≤35V實驗組大白兔未出現(xiàn)刺激心律，部位對照組為全刺激心律。電壓≤30V實驗組大白兔未出現(xiàn)心律失常。電壓≥45V實驗組大白兔刺激結(jié)束后心率減慢。電壓≤35V實驗組大白兔無行為異常或僅有輕度行為異常。電壓≤40V實驗組大白兔電刺激局部組織肉眼觀察無損傷。結(jié)論電壓≤35V脈沖電刺激中上腹區(qū)不影響大白兔心電活動。35V脈沖電刺激兔心臟前后極可導(dǎo)致心臟全起搏心律，但不會影響新西蘭大白兔自身心電活動，且不會造成局部組織損傷。

經(jīng)皮神經(jīng)電刺激；心電描記術(shù)；心律失常，心性

目前，電刺激廣泛應(yīng)用于臨床，改進了疾病原有的治療方法，為患者和醫(yī)生提供了更多的治療選擇，從而提高疾病的治療效果[1-2]。Hofmann等[3]探索了將電刺激用于治療臨床較難切除的腫瘤。吳莎等[4]用電刺激黑色素瘤小鼠荷瘤局部，結(jié)果顯示腫瘤體積減小，生存率較對照組明顯延長，證實低頻脈沖電刺激對小鼠的黑色素瘤具有抑制作用。但是脈沖電流刺激機體時的心肌電活動及病理變化目前鮮見報道。本實驗利用BL-420F型生物機能實驗系統(tǒng)提供脈沖電流刺激并記錄心電圖，以正常大白兔為研究對象，探討在不同電壓、不同頻率及不同刺激時間作用下，電刺激引發(fā)的大白兔心電活動的變化。

1 材料與方法

1.1 實驗動物及儀器 健康新西蘭大白兔102只(重慶醫(yī)科大學(xué)實驗動物中心)，4～8周齡，雌雄各半，體重2200～2800g。飼養(yǎng)環(huán)境：單籠喂養(yǎng)，室溫25±2℃，濕度71%±8%，自由進食及飲水。實驗器材：BL-420F生物機能實驗系統(tǒng)(成都泰盟科技有限公司)，自制大白兔固定臺，鈦金屬夾。

1.2 方法

1.2.1 分組 新西蘭大白兔隨機分為17組，每組6只。首先將兔分為實驗組和部位對照組。①實驗組：電刺激部位均在大白兔中上腹區(qū)。按BL-420F生物機能實驗系統(tǒng)輸出的刺激電壓不同再分為5、10、15、20、25、30V、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80V組。②部位對照組：電刺激部位均在大白兔心前區(qū)，共6只，刺激電壓35V，刺激正極位于胸部心前區(qū)，刺激負極位于背部心臟對應(yīng)部位皮膚表面。

1.2.2 BL-420F生物機能實驗系統(tǒng)參數(shù)選擇 電壓：系統(tǒng)輸出電刺激信號電壓因不同實驗組選擇有變化，其他參數(shù)各實驗組均相同。電刺激時間：實驗電刺激1h為1次實驗，每天1次實驗，連續(xù)5d整個實驗結(jié)束。頻率：系統(tǒng)輸出脈沖電刺激頻率為270 次/min。刺激波為方波。心電圖檢測：采用心電圖持續(xù)觀察，即從脈沖電刺激開始至刺激結(jié)束后1h。系統(tǒng)可自行保存心電圖。心電圖監(jiān)護儀電極紅線接在大白兔左上肢，黃線接在右上肢，黑線接右下肢(電極需避開肌肉組織)。

1.2.3 實驗操作 大白兔俯臥于自制的大白兔固定臺，用繃帶束縛四肢及頭部，使其處于舒服而固定的體位。電極附著處皮膚脫毛，清潔皮膚后將電極片與皮膚緊密接觸。實驗組大白兔中上腹區(qū)與系統(tǒng)輸出電刺激的正極相連，對應(yīng)的背部區(qū)皮膚與負極相連；部位對照組刺激正極位于胸部心前區(qū)，刺激負極位于背部心臟對應(yīng)部位皮膚表面。BL-420F生物機能系統(tǒng)接計算機，同時連接心電圖檢測電極，心電圖無干擾，開始電刺激，計算時間。電刺激1h，心電圖繼續(xù)監(jiān)護1h。解除束縛，實驗兔放入籠中，自由飲食，觀察生活行為改變。實驗每天重復(fù)1次，共5d。

1.3 觀察內(nèi)容

1.3.1 心電圖 ①刺激心律：即脈沖電刺激誘發(fā)的qRs波。無刺激心律：刺激心律的次數(shù)/總心率×100%≤1%；有刺激心律：刺激心律的次數(shù)/總心率×100%為1%～90%；全刺激心律：刺激心律的次數(shù)/總心率×100%>90%。②輕度心律失常：包含室上性早搏、竇性心律不齊、室性早搏、竇性心動過速。③惡性心律失常：包含室性心動過速、室顫、室性逸搏、竇停。④心率。電刺激前心率：每5min取監(jiān)護儀記錄的心率1次，連續(xù)12次，每組共記錄心率6×12次。電刺激時心率：每5min取監(jiān)護儀記錄的心率1次，連續(xù)12次，每組共記錄心率6×12次。不取室速和室顫時監(jiān)護儀記錄的心率。

1.3.2 生活行為改變 ①無行為異常：與未刺激兔比較，電刺激時及刺激后兔行為無差異；②輕度行為異常：刺激時局部出現(xiàn)陣發(fā)性抽動，以及刺激后活動減少，或者煩躁易激惹；③重度行為異常：刺激時出現(xiàn)痙攣(例如牙口緊閉、全身持續(xù)肌肉緊張，弓背，全身毛發(fā)直立等)，刺激時口唇及四肢末端明顯發(fā)紺，刺激后活動較刺激前明顯減少、進食量減少；④死亡。

1.3.3 組織學(xué)變化 觀察電刺激后局部皮膚是否出現(xiàn)紅腫或燒焦。

1.4 統(tǒng)計學(xué)處理 采用SPSS 17.0進行統(tǒng)計分析。計量資料以表示，組間比較采用單因素方差分析，進一步兩兩比較采用LSD-t檢驗。P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié) 果

2.1 刺激心律的發(fā)生情況 電壓≤35V實驗組大白兔未出現(xiàn)刺激心律(表1)。電刺激開始前，大白兔呈現(xiàn)正常的心電圖(圖1A)。電刺激部位在大白兔中上腹區(qū)時，5、10、15、20、25、30、35V組實驗結(jié)束后為無刺激心律，40、45、50、55、60、65、70、75、80V組實驗結(jié)束后為有刺激心律，但刺激心律產(chǎn)生的數(shù)量規(guī)律因每組樣本量小難以說明。部位對照組為全刺激心律，即刺激電極置于胸部心前區(qū)電壓為35V時，心電圖全部是刺激心律(圖1B)。

2.2 心律失常發(fā)生情況 電壓≤30V實驗組大白兔未出現(xiàn)心律失常。電刺激部位在大白兔中上腹區(qū)時，5、10、15、20、25、30V組均為竇性心律，未出現(xiàn)心律失常。35V組3只兔為竇性心律，3只兔出現(xiàn)輕度心律失常(圖2)。40V組1只兔為竇性心律，5只兔出現(xiàn)輕度心律失常。45V組2只兔為竇性心律，4只兔出現(xiàn)輕度心律失常。50V組3只兔為竇性心律，3只兔出現(xiàn)輕度心律失常。55、60、65V組6只兔均出現(xiàn)輕度心律失常。70V組5只兔出現(xiàn)輕度心律失常，1只兔出現(xiàn)重度心律失常(室顫，圖3)，停止刺激后死亡。75V組1只兔為輕度心律失常，5只兔出現(xiàn)重度心律失常(1只兔出現(xiàn)頻發(fā)室早，停止刺激后恢復(fù)竇性心律，2只兔出現(xiàn)室性早搏，停止刺激后出現(xiàn)竇性停搏死亡，3只兔出現(xiàn)室顫，停止刺激后死亡)。80V組6只兔均出現(xiàn)重度心律失常，其中2只兔出現(xiàn)全身抽搐未完成實驗死亡，4只兔出現(xiàn)室顫停止刺激后死亡。部位對照組為全刺激心律，即刺激電極置于胸部心前區(qū)電壓為35V時，心電圖全部是刺激心律，至實驗結(jié)束無死亡。

表1 實驗大白兔各組刺激心律發(fā)生情況(只，n=6)Tab.1 Incidence of stimulation rhythm in the rabbits of each group (n=6)

圖1 大白兔正常及刺激心律心電圖Fig.1 Normal ECG (A) and ECG of stimulation rhythm (B) in rabbits

2.3 刺激時心率變化 電壓≥45V實驗組大白兔刺激結(jié)束后心率減慢(表2)。各電壓組在實驗前平均心率差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。電刺激部位在大白兔中上腹區(qū)時，5、10、15、20、25、30、35、40V組電刺激時心率與電刺激前差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)，45、50、55、60、65、70、75、80V組電刺激時心率明顯低于電刺激前，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。部位對照組為全刺激心律，心率固定于270次/min。

圖2 大白兔室性早搏心電圖Fig.2 ECG of ventricular premature beat

圖3 大白兔室顫心電圖Fig.3 ECG of ventricular fibrillation

表2 實驗大白兔各組心率的變化(n=6)Tab. 2 Changes in heart rate of the experimental rabbits (n=6)

2.4 行為異常發(fā)生情況 電壓≤35V實驗組大白兔有輕度行為異?；驘o行為異常。5、10、15、20V組電刺激時及電刺激結(jié)束后均無行為異常。25V組電刺激時4只兔出現(xiàn)輕度行為異常，電刺激結(jié)束后均無行為異常。30、35V組電刺激時各有5只兔出現(xiàn)輕度行為異常，電刺激結(jié)束后均無行為異常。40V組電刺激時2只兔出現(xiàn)輕度行為異常，4只兔出現(xiàn)重度行為異常，電刺激結(jié)束后均無行為異常。45V組電刺激時1只兔出現(xiàn)輕度行為異常，5只兔出現(xiàn)重度行為異常，電刺激結(jié)束后均無行為異常。50、55、60、65V組電刺激時均出現(xiàn)重度行為異常，電刺激結(jié)束后仍有輕度行為異常。70V組電刺激時5只兔出現(xiàn)重度行為異常，電刺激結(jié)束后仍有輕度行為異常，1只兔電刺激結(jié)束后死亡。75V組電刺激時6只兔出現(xiàn)重度行為異常，1只兔電刺激結(jié)束后仍有輕度行為異常；5只兔未到電刺激結(jié)束時間死亡。80V 組6只兔未到電刺激結(jié)束時間均死亡。部位對照組電刺激時6只兔均出現(xiàn)輕度行為異常，電刺激結(jié)束后均無行為異常。

2.5 局部組織損傷情況 電壓≤40V實驗組大白兔電刺激局部組織肉眼觀察無損傷。5、10、15、20、25、30、35、40V組電刺激結(jié)束后，肉眼觀察局部未見明顯損傷。45、50、55V組電刺激結(jié)束后各組均為5只兔局部組織肉眼觀察無明顯損傷，1只兔局部皮膚發(fā)紅。60V組電刺激結(jié)束后2只兔局部組織肉眼觀察無明顯損傷，4只兔局部皮膚發(fā)紅。65V組電刺激結(jié)束后1只兔局部組織肉眼觀察無損傷，5只兔局部皮膚發(fā)紅。70V組電刺激結(jié)束后2只兔局部組織肉眼觀察無損傷，4只兔局部皮膚發(fā)紅。75V組電刺激實驗結(jié)束后6只兔局部皮膚發(fā)紅。80V組電刺激實驗結(jié)束后5只兔局部皮膚發(fā)紅，1只兔局部組織水腫。各組均無皮膚燒焦。部位對照組電刺激結(jié)束后局部組織肉眼觀察均無損傷。

3 討 論

本研究結(jié)果顯示，電壓≤35V脈沖電刺激中上腹區(qū)不影響大白兔的心電活動。國內(nèi)有研究證實，≤35V脈沖電刺激中上腹區(qū)未影響小鼠的心電活動，在≥40V時部分小鼠出現(xiàn)竇性過緩、停搏等心律失常的現(xiàn)象[4]。考慮到小鼠體積較小，因而充當(dāng)電阻作用的局部組織較薄弱[4-7]，也與本實驗一致，因此可以認為35V是一個相對安全的電壓，可以運用到人體進行治療。目前利用電刺激治療腫瘤[8-13]、誘導(dǎo)細胞凋亡的報道較多[14-19]，但是電刺激療法存在的問題是會導(dǎo)致肌肉震顫、呼吸抑制以及一定程度的行為異常[10]，這些反應(yīng)與局部組織的電阻、電荷通路等有關(guān)。各種組織的電阻不均一，電流總是流經(jīng)電阻較小的組織，而內(nèi)環(huán)境在高壓電流條件下能夠起電容作用，組織的電容作用將會使組織原有的電生理系統(tǒng)被打亂并重建，每個細胞內(nèi)的離子均可獲得電荷，離子的原有性質(zhì)改變，特別是一些信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)的關(guān)鍵離子獲得了電荷，這必將改變組織細胞原有的信號傳導(dǎo)，改變細胞最后的轉(zhuǎn)歸[20-25]。由于組織存在電阻，較低電壓經(jīng)組織傳到心臟的電流較弱，對心率和心律無明顯影響，但高壓通過中樞神經(jīng)和心臟時，所產(chǎn)生的電流就較大，可引起呼吸抑制、心室顫動或心跳驟停，造成昏迷或死亡，這可能與電流傳遞到大腦后引起心臟自主神經(jīng)功能失調(diào)，或者與電壓增強后電流傳導(dǎo)至心臟，引起心肌組織損傷有關(guān)，此外，也可能與電流改變了大腦原本的生理電節(jié)律也就是腦電活動有關(guān)。臨床上在癲癇患者中可觀察到明顯的腦電圖改變，而無抽搐電痙攣治療(MECT)中大腦的除極化可明顯改善患者的精神癥狀，提示腦電活動與軀體及精神活動聯(lián)系緊密。高壓電流還可引起呼吸肌等肌肉痙攣，肌肉的強制收縮導(dǎo)致肌肉疲勞，呼吸功能相對減弱，血氧飽和度下降，導(dǎo)致組織缺氧，加重心肌損傷。此外，電刺激的損傷與機體的健康和疾病狀況相關(guān)。脈沖電流刺激機體時心肌電活動及病理變化需引起關(guān)注。在未來的研究中應(yīng)當(dāng)盡量避免刺激神經(jīng)豐富或者肌肉組織等電阻較小組織，以減少不良反應(yīng)，并增加標的物的電刺激分壓。

本研究結(jié)果顯示，35V脈沖電刺激兔心臟前后極可導(dǎo)致心臟全起搏心律，同時還發(fā)現(xiàn)隨著電刺激電壓增加，起搏心律越來越明顯，但大白兔的抽搐和生活行為的改變也越來越明顯。在開始獲得起搏心律的同時，大白兔10d后的生活行為變化不明顯，但在電刺激時也有明顯的局部抽搐，所以具體治療中也可能會引起患者不適，在以后的實驗中可以考慮大幅縮短刺激波寬，并相應(yīng)適度提高電壓，減少電刺激對周圍組織的影響。根據(jù)目前的實驗數(shù)據(jù)以及參考文獻[4-7]，刺激新西蘭大白兔心臟前后極對應(yīng)皮膚表面，在35V電壓時，既可以引起新西蘭大白兔心臟全起搏，同時又不會影響新西蘭大白兔自身的心電活動，且不會造成局部組織損傷，是一個可以用于臨床體外起搏器的參考閾值。

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Effect of transcutaneous electric stimulation on the cardiac electrical activity in New Zealand white rabbits

ZHANG Wang, ZHANG Hui, WU Sha, WANG Xiao-xu, ZHANG Xiao-gang*
Department of Cardiology, First Affiliated Hospital of Chongqing Medical University, Chongqing 400016, China
*< class="emphasis_italic">Corresponding author, E-mail: zxg0233@sina.com

, E-mail: zxg0233@sina.com
This work was supported by the Medicine Science and Technology Research Project of Chongqing Health Bureau (2013-1-010)

ObjectiveTo study the effect of transcutaneous electric stimulation on the cardiac electrical activity in New Zealand white rabbits, in order to search a safety threshold for clinical electrical stimulation therapy, as to provide the theoretical basis for the design of in vitro pacemaker.MethodsNew Zealand white rabbits were randomly assigned into 17 groups (6 each). Rabbits in 16 experimental groups were given 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75 and 80V electrical stimulation, respectively, with the stimulating site designated at epigastric region. BL-420F biological function experimental system was employed to supply the power and acquire the ECG, with the output pulse electrical stimulation frequency set at 270 times/minute, and the stimulating wave as square wave. A control group was set, in which the stimulating voltage was set to 35V, the stimulant anode was located in the anterior chest area, and the cathode was on the skin surface of back corresponding to the site of the heart, and the rest was the same as in experimental groups.ResultsNo stimulation rhythm was observed in rabbits of those experimental groups with voltage ≤35V, but all stimulation rhythm was observed in rabbits of control group. No arrhythmia occurred in rabbits of those experimental groups with voltage ≤30V, while the heart rate was slowed down after stimulation in rabbits of the experimental groups with voltage ≥45V stimulation. In rabbits receiving stimulation with voltage ≤35V there was no dystropy or light dystropy, but with no visible injury to the local tissues. No visible injury was observed in the rabbits undergoing stimulation with voltage ≤40V.ConclusionPulse electric stimulation with voltage ≤35V in the epigastric region would not affect the cardiac electrical activity in rabbits, while stimulation with 35V will lead to all pacing rhythm of the heart without affecting the cardiac electrical activity in rabbits, and it does not produce local tissue injury.

transcutaneous electric nerve stimulation; electrocardiography; arrhythmias, cardiac

R521

A

0577-7402(2015)08-0627-05

10.11855/j.issn.0577-7402.2015.08.05

2015-04-15；

2015-06-02)

(責(zé)任編輯：張小利)

重慶市衛(wèi)生局醫(yī)學(xué)科學(xué)技術(shù)研究項目(2013-0-010)

張望，碩士研究生。主要從事電刺激對心電活動影響方面的研究

400016 重慶 重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院心內(nèi)科(張望、張輝、吳莎、王小旭、張曉剛)

張曉剛，E-mail：zxg0233@sina.com