治療胃食管反流病的LES電刺激系統(tǒng)設(shè)計

三江學院電子信息工程學院 李兆基 陶萬軍 張 宇 徐小倩 盛紫荊

本文設(shè)計了一種植入式食管下括約?。↙ow Esophageal Sphincter, LES）電刺激系統(tǒng)。系統(tǒng)主要有三個部分組成：體外主控模塊、體外發(fā)射模塊和體內(nèi)接收模塊。其原理是由體外主控模塊產(chǎn)生合適的刺激信號，通過調(diào)制方式加載到高頻信號上，經(jīng)功率放大后，通過發(fā)射線圈發(fā)出，體內(nèi)接收模塊接收到體外發(fā)射模塊的信號后將其進行無源解調(diào)，獲得所需要的信號后對LES進行刺激，引起LES收縮，從而達到治療GERD的效果。通過系統(tǒng)有效性驗證實驗，驗證了該系統(tǒng)的可行性和有效性。

引言：胃食管反流（GERD，Gastro-esophageal Reflux Disease）是指十二指腸液、胃液或內(nèi)容物反流入食管引起的一系列臨床不適癥狀以及食管的組織損害。GERD是全世界最常見的消化道疾病之一。西方國家GERD每年的平均發(fā)病率為101.3/萬。國內(nèi)的數(shù)據(jù)顯示該病發(fā)病率呈現(xiàn)逐年上升的趨勢。GERD傳統(tǒng)治療方法存在停藥后復(fù)發(fā)、治標不治本，而手術(shù)治療存在較大創(chuàng)傷的弊端。因此尋找新的方法治療GERD成為了全球關(guān)注和研究的熱點。

植入式電子系統(tǒng)是微電子技術(shù)與醫(yī)學交叉的產(chǎn)物，也是當今醫(yī)學發(fā)展的新熱點，具有廣闊的應(yīng)用前景。

目前國內(nèi)尚無自主研發(fā)的用于治療GERD的抗反流植入式電子系統(tǒng)，而國外只有荷蘭EndoStim公司研制出LES刺激器。據(jù)其報道GERD患者經(jīng)個性化調(diào)節(jié)刺激LES參數(shù)可以達到癥狀有效地改善，食管酸暴露程度和抑酸藥物攝入量明顯減少，并且在整個治療過程中未發(fā)生不良反應(yīng)及并發(fā)癥。因此，LES電刺激對治療GERD是最具有前景的方法。

為了打破國外產(chǎn)品的壟斷填補國內(nèi)技術(shù)領(lǐng)域的空白，本文自主研發(fā)了一種用于GERD的植入式LES刺激系統(tǒng)。這個系統(tǒng)采用的是信號無線傳輸技術(shù)，主要是解決傳統(tǒng)植入設(shè)備需要體內(nèi)電池供電的問題。為了驗證系統(tǒng)是否能達到設(shè)計和治療的目的，本文還進行了LES電刺激系統(tǒng)有效性驗證。

1.系統(tǒng)硬件設(shè)計

本文設(shè)計了一套治療GERD植入式LES電刺激系統(tǒng)，主要由體外主控模塊、體外發(fā)射模塊和體內(nèi)接收模塊三個部分組成，系統(tǒng)框圖如圖1-1所示。

1.1 體外主控模塊硬件設(shè)計

體外主控電路用于顯示系統(tǒng)狀態(tài)，接收用戶的控制信息，設(shè)置產(chǎn)生適合個體需求的刺激信號，并且還為體外發(fā)射電路提供可調(diào)的工作電壓。整個系統(tǒng)以STM32f103zet6最小系統(tǒng)為核心，其他模塊主要包括液晶觸摸屏模塊、刺激參數(shù)存儲模塊、數(shù)控升壓電源模塊、USB虛擬串口模塊、電源管理模塊和電池等組成。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1-2虛線框部分所示。

1.2 體外發(fā)射模塊硬件設(shè)計

體外發(fā)射模塊功能是將體外主控電路生成的低頻刺激脈沖序列調(diào)制到高頻載波上，然后進行功率放大后通過發(fā)射線圈發(fā)送到體內(nèi)。體外發(fā)射模塊框圖如圖1-3左側(cè)部分所示。

1.3 體內(nèi)接收模塊硬件設(shè)計

圖1-1 用于治療GERD的LES電刺激系統(tǒng)框圖

體內(nèi)接收模塊的框圖如圖1-4右側(cè)部分所示，主要由接收線圈、檢波電路、低通濾波電路組成。為了考慮尺寸的盡可能的小和高集成度，采用PCB線圈作為體內(nèi)接收線圈。檢波電路利用二極管的單向?qū)ㄌ匦?，將接收線圈并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)耦合得到的調(diào)幅信號負向信號削去，保留的正向信號再通過低通濾波電路將高頻分量濾除，從而獲得所需的刺激信號。由于體內(nèi)接收模塊需要植入體內(nèi)，為了避免植入后對人體組織造成傷害需要具有良好的生物相容性，本文采用PDMS作為封裝材料。

圖1-2 系統(tǒng)主控模塊框圖

圖1-3 體外發(fā)射模塊框圖

圖1-4 體內(nèi)接收模塊框圖

2.LES電刺激系統(tǒng)有效性驗證

為了評定系統(tǒng)的有效性，首先需要建立一個合適的GERD動物模型。本實驗中采用家兔為實驗對象，為了盡可能保持正常的生理解剖結(jié)構(gòu)，使用Forley導(dǎo)尿管球囊擴張的方法建立GERD動物模型。其原理是通過球囊機械擴張，使部分括約肌肌纖維拉長甚至斷裂，從而造成LES松弛。

實驗使用的測壓系統(tǒng)是八通道水灌注式食管測壓系統(tǒng)，此系統(tǒng)可以準確的采集LES靜息壓。通過分析LES的變化情況，可以得知系統(tǒng)是否有效。實驗開始時將鉑銥電極植入LES肌層中，使用設(shè)計的LES電刺激系統(tǒng)對造模后兔子進行電刺激，實驗場景如圖2-1所示。系統(tǒng)的刺激參數(shù)設(shè)置為：發(fā)射模塊供電電壓32V，脈寬208μs，頻率20Hz，連續(xù)刺激模式。使用水灌注測壓系統(tǒng)，分別測量60s 的刺激前、刺激時和刺激后的LES靜息壓，如圖2-2所示。

圖2-1 LES電刺激系統(tǒng)實驗場景

圖2-2 電刺激LES的壓力測量結(jié)果

由圖可見，對比刺激前、后兔子的靜息壓可知：電刺激LES后能夠增強LES壓力。同時肉眼可以觀察到兔子LES產(chǎn)生明顯的收縮。因此，初步驗證了所設(shè)計的系統(tǒng)對治療GERD是可行和有效的。

3.總結(jié)

本文主要介紹了用于治療胃食管反流病的植入式電刺激系統(tǒng)設(shè)計。制作過程中查閱了大量相關(guān)書籍和資料，首先完成了硬件設(shè)計前期相關(guān)技術(shù)報告的調(diào)查；然后完成了系統(tǒng)硬件的制作和實現(xiàn)；后期經(jīng)過不斷的測試和相關(guān)參數(shù)的調(diào)節(jié)最終達到了設(shè)計的要求，最后通過了系統(tǒng)有效性的驗證，取得了一個較好的結(jié)果。

總體來說本文設(shè)計的電刺激系統(tǒng)具有一定的創(chuàng)新性和有效性，但是整個系統(tǒng)仍有些地方需要改進，如：如何使硬件更加輕便；如何讓用戶界面更加易用等。