Powerlab在竇內(nèi)壓力控制中的應用

劉 萍 張思韜 黃海霞 王 偉 趙海燕

(1.首都醫(yī)科大學基礎醫(yī)學院生理學與病理生理學系，北京 100069；2. 首都醫(yī)科大學燕京醫(yī)學院機能教研室，北京 101300)

動脈壓力感受性反射，又稱穩(wěn)壓反射，是機體維持動脈血壓穩(wěn)態(tài)的重要調(diào)節(jié)機制[1]。該反射的壓力感受器位于頸動脈竇和主動脈弓血管外膜下的神經(jīng)末梢，主要作用是通過感受血管內(nèi)壓力變化對血管壁的牽張刺激并將其轉(zhuǎn)變?yōu)榭上蛑袠袀鬟f的電信號，即機電換能作用。然而，由于其結(jié)構(gòu)細微、分散，研究比較困難。目前壓力感受器的機電換能過程的各個環(huán)節(jié)均不清楚。控制頸動脈竇竇內(nèi)壓并記錄竇神經(jīng)的壓力依賴性放電是研究壓力感受器機電換能機制的經(jīng)典實驗技術(shù)，精確控制竇內(nèi)壓力是其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[2]。本課題組早期利用電氣比例調(diào)節(jié)閥建立了控制頸動脈竇壓力的自動化裝置，該裝置需利用pclamp軟件編輯刺激命令作用于電氣比例調(diào)節(jié)閥以控制高壓氣源的壓力輸出，推動灌流液以實現(xiàn)竇內(nèi)壓力控制[2-3]。然而使用pclamp軟件編輯刺激命令存在方法復雜、易出錯等缺點。目前許多實驗操作系統(tǒng)都能完成多種形式的刺激輸出，例如Powerlab labchart 5軟件(澳大利亞，AD Instruments公司)可輸出正弦式、臺階式、斜坡式等多種刺激，均適合動脈壓力感受器功能研究。為此，本課題組利用Powerlab labchart 5開發(fā)了調(diào)節(jié)電氣比例調(diào)節(jié)閥的方法，構(gòu)建了一套簡便、可靠的竇內(nèi)壓力控制系統(tǒng)。

1 材料與方法

1.1 頸動脈竇-竇神經(jīng)標本的制備

實驗采用體質(zhì)量2 kg左右成年家兔。以20%(質(zhì)量分數(shù))氨基甲酸乙酯(烏拉坦)5 mg/kg將動物麻醉后，安置氣管插管，充分暴露頸動脈竇區(qū)，仔細游離頸內(nèi)外動脈及竇神經(jīng)，并取出包括頸總動脈、頸內(nèi)外動脈及竇神經(jīng)的頸動脈竇-竇神經(jīng)標本。注意應盡可能保留竇神經(jīng)的長度，長度最好不少于7 mm。

應用自制的離體標本灌流-放電記錄一體化裝置[2-3]，對頸動脈竇-竇神經(jīng)標本進行灌流。灌流液成分：NaCl 154 mmol/L，KCl 4.7 mmol/L，CaCl22.2 mmol/L，MgCl21.1 mmol/L，葡萄糖5.5 mmol/L，用HEPES-NaOH調(diào)節(jié)pH值到7.4，持續(xù)用純氧平衡(以抑制頸動脈體化學感受器放電)，溫度保持在36～37 ℃。

1.2 壓力刺激的編輯和輸出

從Powerlab labchart 5中的刺激輸出選項中選擇合適的壓力波形，根據(jù)實驗需要對該波形的時程、強度、頻率進行重新設置，形成實驗所需要的壓力波形文件。實驗過程中，應用Powerlab labchart 5軟件運行壓力波形文件，該壓力文件經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為與壓力波形相對應的電壓指令，該電壓指令可以用來控制電氣比例調(diào)節(jié)閥(PRE-U,德國Hoerbiger公司)。電氣比例調(diào)節(jié)閥本質(zhì)上是一個通過改變氣體流量以達到調(diào)節(jié)氣壓的自動化閥門(圖1a)。壓力調(diào)節(jié)閥根據(jù)指令調(diào)節(jié)氣源(100%高壓純氧，0.15 MPa)的輸出壓力，此輸出壓力驅(qū)動密閉容器內(nèi)的灌流液(圖1b)進入血管內(nèi)以達到控制竇內(nèi)壓力的目的。電器比例調(diào)節(jié)閥具有不同量程，本研究根據(jù)需要選擇量程為0～200 mmHg(1 mmHg=0.133 kPa)。在實驗過程中將一個壓力換能器(YH-4，北京航天醫(yī)學工程研究所，圖1e)連于竇內(nèi)灌流出口處，用以監(jiān)測竇內(nèi)壓。同時在液體出口處連接一個控制閥(圖1f)來控制竇內(nèi)灌流液的流量。詳見圖1。

2 結(jié)果

2.1 脈動式壓力控制模式的實現(xiàn)

為模擬頸動脈竇的生理性壓力刺激，脈動式壓力是實驗中常采用的模式，而正弦波形規(guī)律性的周期性波動與頸動脈竇的生理性刺激類似。所以本實驗中采用正弦波形。實驗前，只需在Powerlab labchart5的刺激輸出波形中選擇正弦波形，然后根據(jù)實驗需要在參數(shù)設置窗口中設置該正弦波的基線、頻率、振幅。圖2展示的是壓力換能器檢測到的基線為100 mmHg、頻率為3Hz、振幅為40 mmHg的正弦波刺激命令輸出的壓力波形，以及該壓力刺激下的竇神經(jīng)的放電?？梢娫撓到y(tǒng)能夠準確地輸出既定的壓力信號，并引起竇神經(jīng)的壓力依賴性放電活動。

圖1 竇內(nèi)灌流及竇內(nèi)壓控制系統(tǒng)Fig.1 Sinus perfusion and internal pressure control system

圖2 正弦波壓力刺激下記錄到的竇神經(jīng)放電Fig.2 Sinus nerve discharge recorded by sinusoidal pressure stimulation

2.2 斜坡式壓力控制模式

為研究動脈壓力感受器在整個壓力域內(nèi)的壓力-放電功能特點，常常使用竇內(nèi)斜坡式壓力刺激。在Powerlab labchart 5的刺激輸出波形中選擇斜坡刺激，根據(jù)實驗需要限定該斜坡刺激的參數(shù)，如開始高度、結(jié)束高度及持續(xù)時間。圖3所示是0～200 mmHg、歷時20 s的斜坡式壓力刺激命令下的竇內(nèi)壓以及該刺激作用于頸動脈竇時記錄到的竇神經(jīng)放電?？梢婋S著竇內(nèi)壓力的增加，竇神經(jīng)放電逐漸增強，刺激停止后竇內(nèi)壓即刻恢復，響應速度為0.23 s。

圖3 斜坡式壓力刺激下記錄的竇神經(jīng)放電Fig.3 Sinus nerve discharge recorded by ramp pressure stimulation

3 討論

竇內(nèi)壓力的精確控制是研究動脈壓力感受器功能的關(guān)鍵技術(shù)。最初研究人員利用單片機驅(qū)動蠕動泵實現(xiàn)頸動脈竇區(qū)自動灌流及壓力控制[4-5]，需要實驗者自己編程寫入單片機。這種控制方法對實驗者的程序編寫能力要求較高，不利于被廣泛使用。本實驗室曾經(jīng)利用電氣比例調(diào)節(jié)閥建立了控制頸動脈竇壓力的自動化裝置，該裝置利用pclamp軟件編輯刺激命令，調(diào)節(jié)電氣比例調(diào)節(jié)閥以控制高壓氣源的壓力輸出，推動灌流液對頸動脈竇進行內(nèi)灌流，實現(xiàn)對竇內(nèi)壓力的控制。然而pclamp軟件編輯刺激命令時，首先需要根據(jù)實驗需求編輯刺激命令。由于pclamp軟件只能編輯兩點間的線性變化刺激命令，若實驗需要一個相對復雜的刺激波形時，編輯過程中需要設置眾多參數(shù)，方法相對復雜，容易出錯。例如想要實現(xiàn)脈動式的壓力刺激時，首先得通過設置起始時間、持續(xù)時間以及刺激的時間變化率等參數(shù)，編輯兩個連續(xù)變化的階段刺激命令，以形成一個三角波形刺激命令，然后重復該三角波形來實現(xiàn)波動式的壓力刺激。而Powerlab實驗操作系統(tǒng)刺激輸出模塊中已設定有多種刺激形式，如正弦波、斜坡等多種適合動脈壓力感受器研究需要的刺激形式，實驗中只需對該波形的特征性參數(shù)如正弦波的頻率、振幅、基線進行設定，就能輸出所需要的刺激形式，操作簡單方便。且Powerlab操作系統(tǒng)在實驗過程中可以根據(jù)實驗需要實時地對刺激的形式以及大小進行修改，無須停止實驗，操作簡便快捷。而pclamp軟件則需要先停止實驗，修改壓力刺激文件，再重新開始實驗并運行文件才能實現(xiàn)壓力刺激參數(shù)的修改。所以筆者利用實驗室現(xiàn)有的Powerlab實驗操作系統(tǒng)中的刺激輸出功能替代原先的pclamp軟件構(gòu)建了一套竇內(nèi)壓力控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)操作簡便且能夠?qū)崿F(xiàn)動脈壓力感受器功能研究所需要的多種壓力刺激模式。

[1] 朱妙章，吳博威，裴建明，等. 心血管腎臟生理學實驗技術(shù)方法及其進展[M]. 西安：第四軍醫(yī)大學出版社，2010： 249-250.

[2] 魏華,趙海燕,劉萍,等. 離體頸動脈竇壓力感受器研究方法的改進——竇內(nèi)壓的自動控制[J].中國應用生理學雜志，2013, 29(1): 11-14.

[3] 劉萍,趙海燕,王偉,等.頸動脈竇內(nèi)壓力控制方法的改進[J].首都醫(yī)科大學學報，2013,34(6): 900-903

[4] 易小林,王敏彥,范振中,等.單片機控制的頸動脈竇區(qū)自動灌流系統(tǒng)的研究[J].中國應用生理學雜志，2001,17(3): 308-310.

[5] 范振中,易小林,孫光啟,等.單片機自動灌流控制器[J]. 中國醫(yī)學物理學雜志，1999,16(2):96-98.