預(yù)防深靜脈血栓的小型經(jīng)皮神經(jīng)電刺激系統(tǒng)*

葉燕語(yǔ)，王金武,2△，萬(wàn)克明

(1.上海交通大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，上海 200030；2.上海骨科內(nèi)植物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院，上海 200011)

1 引 言

深靜脈血栓(deep vein thrombosis，DVT)是圍手術(shù)期常見(jiàn)的并發(fā)癥，其導(dǎo)致的靜脈瓣膜功能不全會(huì)使患者肢體殘疾，并發(fā)的肺栓塞會(huì)危及患者生命。美國(guó)普外手術(shù)后的 DVT發(fā)病率為40%，危重患者的DVT發(fā)病率更是高達(dá)80%。一項(xiàng)針對(duì)亞洲7國(guó)的骨科圍手術(shù)期DVT發(fā)病率的研究指出，在關(guān)節(jié)置換手術(shù)后，亞洲人群的DVT發(fā)病率為43.2%，而且近年來(lái)還在不斷增加。目前我國(guó)73.3%的醫(yī)院已開(kāi)始針對(duì)預(yù)防深靜脈血栓制訂護(hù)理規(guī)范[1]。

深靜脈血栓的形成有三個(gè)要素：血液高凝態(tài)，血管壁損傷以及血流滯緩。這一理論在19世紀(jì)50年代由Virchow首次提出，因此被稱(chēng)為“Virchow三要素”(Virchow’s triad)。

目前臨床常用的物理預(yù)防DVT方法有間歇充氣加壓、梯度壓力彈力襪和足底靜脈泵這三種。但是機(jī)械壓力式的方法易引起發(fā)熱出汗和腓總神經(jīng)麻痹等不適感，患者依從性較差，而且外部施加的壓力很難作用于深層靜脈，無(wú)法完全解決患者深靜脈血栓形成的風(fēng)險(xiǎn)[2]。

針對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械加壓式物理預(yù)防方法的不足，國(guó)外研究人員發(fā)現(xiàn)，對(duì)下肢腓總神經(jīng)進(jìn)行特定的電刺激可以加快靜脈血液回流，對(duì)淺表靜脈和深層靜脈都有著良好的效果，起到預(yù)防DVT的作用[3]。

本研究研制的小型經(jīng)皮神經(jīng)電刺激器就是利用電刺激引起小腿腓總神經(jīng)支配的肌肉收縮，擠壓肌肉周邊和內(nèi)部的靜脈血管，進(jìn)而促進(jìn)靜脈血液回流，達(dá)到預(yù)防深靜脈血栓的目的。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 整體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體框圖見(jiàn)圖1，由PIC12F675微處理器、AD轉(zhuǎn)換、升壓電路、脈沖釋放電路、銀漿薄膜等構(gòu)成。我們研制的小型電刺激系統(tǒng)使用CR2032紐扣電池作為電源，先通過(guò)升壓電路將電壓由3 V升至90 V，然后再通過(guò)主要由三極管搭建的脈沖釋放電路輸出至銀漿薄膜，再經(jīng)由導(dǎo)電水凝膠作用于人體小腿的腓總神經(jīng)處。

圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig 1 System block diagram

2.2 單元電路設(shè)計(jì)

2.2.1主控芯片外圍電路 PIC12F675微處理器是一款高性能、低功耗8位CMOS 單片機(jī)。工作頻率在0～20 MHz，具有寬工作電壓范圍2.0～5.5 V。帶有1 K的Flash Rom，64 B的SRAM以及128 B的EEPROM。6個(gè)可編程的I/O中有A/D通道輸入，外部電平變化中斷輸入，比較器輸入等功能。當(dāng)電壓為2.0 V時(shí)，待機(jī)電流典型值為1 nA。當(dāng)頻率為32 kHz時(shí)，工作電流典型值為8.5 μA；當(dāng)頻率為1 MHz 時(shí)，工作電流典型值為100 μA。其低功耗的特點(diǎn)適用于可穿戴設(shè)備，且價(jià)格便宜，使用方便，體積小，能夠快速完成項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)[4]。

本研究采用PIC12F675微處理器的3.0V工作模式，通過(guò)兩個(gè)GPIO引腳分別控制升壓電路和脈沖釋放電路。兩個(gè)GPIO引腳連接按鍵，控制刺激強(qiáng)度。當(dāng)刺激強(qiáng)度降為0檔位時(shí)，單片機(jī)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。還有1個(gè)GPIO口作為A/D轉(zhuǎn)換的輸入，當(dāng)電刺激器從人體脫落時(shí)，由于負(fù)載變大會(huì)引起電路中電壓的變化，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換可以判斷此時(shí)電刺激器是否為脫落狀態(tài)，當(dāng)脫落狀態(tài)超過(guò)3 min時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。

圖2PIC12F675外圍電路

Fig2PIC12F675peripheralcircuit

2.2.2升壓電路 經(jīng)過(guò)前期測(cè)試，作用于水凝膠的電壓需要達(dá)到60 V以上，才能有效刺激神經(jīng)引起肌肉收縮。由于電源為3 V鋰電池，所以需要使用升壓電路將電壓升高。升壓電路見(jiàn)圖3。

通過(guò)控制GP0的電平來(lái)實(shí)現(xiàn)三極管Q1的導(dǎo)通與截止。在電感儲(chǔ)存能量的過(guò)程中，GP0為高電平，三極管導(dǎo)通，流經(jīng)電感L的電流隨時(shí)間線性增大，電感儲(chǔ)存的能量增加。

在電感釋放能量的過(guò)程中，GP0為低電平，三極管Q1截止，由于電感L的電流保持特性，會(huì)產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)，給電容C1充電，達(dá)到升壓的目的。

圖3 升壓電路Fig 3 Boost circuit

2.2.3脈沖釋放電路 通過(guò)控制施加在人體上的脈沖電流強(qiáng)度和脈沖寬度可以實(shí)現(xiàn)不同強(qiáng)度的刺激效果。根據(jù)前期預(yù)實(shí)驗(yàn)初步篩選的結(jié)果，電流強(qiáng)度設(shè)置為四個(gè)水平(10、20、30、40 mA)，脈沖寬度設(shè)置為三個(gè)水平(100、300、500 μs)，刺激頻率為1 Hz。所以總的刺激參數(shù)有12組。見(jiàn)表1。

表1 經(jīng)皮神經(jīng)電刺激序列Table 1 Transcutaneous nerve electrical stimulation sequences

脈沖釋放電路見(jiàn)圖4，通過(guò)控制Vh的電壓和Q2導(dǎo)通的時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)不同刺激強(qiáng)度的輸出。Port_E為銀漿薄膜。

圖4脈沖釋放電路

Fig4Pulsereleasecircuit

2.3 系統(tǒng)實(shí)物圖

整個(gè)系統(tǒng)實(shí)物圖見(jiàn)圖5。采用CR2032紐扣電池為系統(tǒng)提供3 V電壓，可以連續(xù)工作不低于32 h，使用時(shí)將設(shè)備貼附于小腿腓總神經(jīng)處即可。

圖5 系統(tǒng)實(shí)物圖Fig 5 System physical map

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件底層驅(qū)動(dòng)主要有以下幾部分：升壓控制模塊、AD采樣模塊、脈沖寬度控制模塊等。代碼編寫(xiě)使用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編寫(xiě)，調(diào)試與仿真都采用MPLAB IDE集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，軟件編寫(xiě)使用PICKIT2。軟件系統(tǒng)總流程見(jiàn)圖6。

4 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果與分析

4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與志愿者準(zhǔn)備

本研究涉及醫(yī)學(xué)倫理，按照《涉及人的生物醫(yī)學(xué)研究倫理審查辦法》規(guī)定進(jìn)行。采用GE醫(yī)療公司的Voluson E8 彩色多普勒超聲診斷系統(tǒng)測(cè)量人體下肢腘靜脈血流狀況，見(jiàn)圖7。實(shí)驗(yàn)選取了12名健康受試者(6男6女)，其平均年齡為24歲，平均身高為166 cm，平均體重為56 kg，平均身體質(zhì)量指數(shù)為20.3 kg/m2。

圖6 軟件流程圖Fig 6 Software flow chart

圖7 電刺激狀態(tài)下受試者下肢腘靜脈內(nèi)的血流波形

Fig7Dopplerwaveformsrecordedinresponsetoelectricalstimulations

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖8。下虛線是受試者在靜息狀態(tài)下的平均峰值血流速度(8.86 cm/s)，上虛線是受試者在足背屈狀態(tài)下的平均峰值血流速度(45.32 cm/s)。圖9為舒適度評(píng)分結(jié)果。

4.2 統(tǒng)計(jì)分析

使用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在使用雙因素方差分析確定電流強(qiáng)度和脈沖寬度之間無(wú)交叉影響后，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析。使用Tukey HSD方法完成事后檢驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果以均值和方差的形式給出，當(dāng)P<0.05時(shí)，認(rèn)為統(tǒng)計(jì)結(jié)果有顯著性差異。

圖8 電刺激峰值血流速度結(jié)果Fig 8 Mean peak venous velocity

圖9 電刺激舒適度評(píng)分Fig 9 VAS scores

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

不同強(qiáng)度等級(jí)的電刺激對(duì)峰值血流速度的影響見(jiàn)圖8。未施加電刺激時(shí)腘靜脈基線峰值血流速度為8.86 cm/s。將施加電刺激之后的各組數(shù)據(jù)與基線峰值血流速度比較，僅第1組(10 mA，100 μs)和第4組(20 mA，100 μs)無(wú)顯著性差異(P值分別為1和0.102)，其余各組數(shù)據(jù)均有顯著性差異(P<0.05)。將施加電刺激之后的各組數(shù)據(jù)與足背屈狀態(tài)相比，有四組數(shù)據(jù)存在顯著性差異：第8、9、11和12組(P值分別為0.048、0.023、<0.001與0.001)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，電刺激可以顯著地增加腘靜脈內(nèi)的峰值血流速度，在一定范圍內(nèi)，峰值血流速度隨電流幅值與脈寬的增加而不斷升高。但是當(dāng)超過(guò)一定限度，在本研究中為第12組(40 mA、500 μs)電刺激參數(shù)時(shí)，峰值血流速度不再升高反而出現(xiàn)下降趨勢(shì)。受試者的VAS舒適度評(píng)分結(jié)果顯示，隨刺激強(qiáng)度的升高，受試者的舒適度逐漸降低，其中前4組電刺激受試者的舒適度處于輕度不適的范圍，第5至11組處于中度不適的范圍，僅第12組屬于重度不適的范圍。

5 結(jié)束語(yǔ)

我們研制的小型電刺激器相比于傳統(tǒng)的梯度壓力彈力襪和間歇充氣加壓泵，使用方便，不引起發(fā)熱出汗，不壓迫神經(jīng)[5]，將經(jīng)皮神經(jīng)電刺激應(yīng)用于深靜脈血栓的預(yù)防，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的物理預(yù)防方法的諸多不足，電極與主機(jī)一體化的設(shè)計(jì)符合可穿戴式設(shè)備的設(shè)計(jì)要求[6]。但舒適度不足，電池壽命短，后續(xù)研究工作主要為優(yōu)化刺激參數(shù)和降低功耗。