液體和氣體尿動(dòng)力學(xué)測(cè)壓導(dǎo)管的比較

趙海濤，廖利民

1.首都醫(yī)科大學(xué)康復(fù)醫(yī)學(xué)院，北京市100068；2.中國(guó)康復(fù)研究中心北京博愛(ài)醫(yī)院，北京市100068

尿動(dòng)力學(xué)(urodynamics)是一門(mén)研究尿液從腎輸送到膀胱及其在膀胱內(nèi)儲(chǔ)存和排空的生理和病理過(guò)程的醫(yī)學(xué)科學(xué)[1]，被廣泛應(yīng)用于下尿路功能障礙的診斷。尿動(dòng)力學(xué)已在臨床應(yīng)用數(shù)十年，在這段時(shí)間內(nèi)，尿動(dòng)力學(xué)的研究和應(yīng)用得到極大發(fā)展。

尿動(dòng)力學(xué)是一項(xiàng)侵入性檢查[2]，需要將導(dǎo)管插入膀胱和直腸內(nèi)，分別測(cè)量膀胱腔內(nèi)壓(intravesical pressure,Pves)和腹腔壓(intra-abdominal pressure, Pabd)。由于腹壓難以測(cè)量，所以通常將放入直腸內(nèi)導(dǎo)管測(cè)得的壓力作為Pabd[3]。

1 尿動(dòng)力學(xué)導(dǎo)管

目前，一共有4 種尿動(dòng)力學(xué)導(dǎo)管曾經(jīng)或正在應(yīng)用于臨床：液體傳導(dǎo)導(dǎo)管(water filled catherters,WFC)、氣體傳導(dǎo)測(cè)壓導(dǎo)管(air charged catheters,ACC)、頂端傳感器導(dǎo)管(microtipped transducer catheters)和光纖維導(dǎo)管(fiberoptic catheters)。其中，頂端傳感器導(dǎo)管和光纖維導(dǎo)管較為精密[4-5]，利用頂端的感受器，分別將局部壓力相應(yīng)地轉(zhuǎn)換為光信號(hào)和電信號(hào)并傳導(dǎo)。

雖然頂端傳感器導(dǎo)管的頻率響應(yīng)較高，足以測(cè)量快速咳嗽樣反應(yīng)或測(cè)量咳嗽壓力傳動(dòng)比，但是與液體傳導(dǎo)測(cè)壓導(dǎo)管相比，其價(jià)格昂貴，傳感器工藝較為精密，操作要求高，還要嚴(yán)格消毒等，若長(zhǎng)期使用，有可能累積蛋白質(zhì)沉積物而影響測(cè)量結(jié)果，因此沒(méi)有普及。

1.1 WFC

WFC 最初用來(lái)測(cè)量食管壓力。1969 年Brown 等[6]首先把WFC 作為尿動(dòng)力學(xué)研究(urodynamic study, UDS)的測(cè)壓導(dǎo)管，并受到國(guó)際尿控協(xié)會(huì)(International Continence Society,ICS)的推薦。由于WFC 屬于一次性導(dǎo)管，經(jīng)濟(jì)衛(wèi)生，因此得到臨床UDS 的廣泛認(rèn)可，壟斷了尿動(dòng)力學(xué)導(dǎo)管市場(chǎng)。目前，WFC 是UDS中最常用的導(dǎo)管。

WFC 也存在不足之處[7]：首先，壓力感受器與膀胱相對(duì)高度的不同可能導(dǎo)致初始測(cè)壓值的不同，需要繁瑣的體外置零過(guò)程；其次，導(dǎo)管的長(zhǎng)度和粗細(xì)，導(dǎo)管內(nèi)的氣泡，導(dǎo)管彎折會(huì)給壓力傳導(dǎo)造成延遲，導(dǎo)管硬度會(huì)影響壓力值的大小，患者活動(dòng)導(dǎo)致的曲線峰值可能會(huì)造成結(jié)果難以解釋等[8]。

WFC 系統(tǒng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和要求已經(jīng)成熟[9-12]。壓力傳感器的重要技術(shù)參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)均符合臨床UDS 要求，WFC 測(cè)得的壓力值的典型值范圍與典型信號(hào)模式已經(jīng)建立，并用來(lái)進(jìn)行臨床尿動(dòng)力學(xué)質(zhì)量控制。

1.2 ACC

1978 年，James[9]研發(fā)出ACC。1998 年Laborie 公司研發(fā)出T-DOC ACC。ACC 操作簡(jiǎn)單，通過(guò)低質(zhì)量、高順應(yīng)性的空氣傳導(dǎo)壓力，可減少贗像的產(chǎn)生或傳導(dǎo)[13-14]。

在過(guò)去15 年中，市場(chǎng)占有率逐年增加，并且逐漸得到臨床認(rèn)可。但是，ACC 的可信度僅做過(guò)少數(shù)評(píng)估，要應(yīng)用于臨床還需要更多的準(zhǔn)備。

ACC 系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室研究表明，電信號(hào)的輸出與壓力測(cè)定呈線性相關(guān)，僅有微小的滯后效應(yīng)，可接受的容量位移足以捕捉大部分臨床相關(guān)壓力的頻率響應(yīng)，ACC 技術(shù)參數(shù)足以測(cè)量并傳導(dǎo)壓力，適合用作尿動(dòng)力學(xué)研究測(cè)壓。

2 結(jié)構(gòu)與原理

2.1 測(cè)定系統(tǒng)的連接

液體傳導(dǎo)測(cè)壓系統(tǒng)中，膀胱腔內(nèi)壓作用在導(dǎo)管頂端的側(cè)孔上，尿道壓作用在距離導(dǎo)管頂端5 cm的兩個(gè)側(cè)孔上[15]，然后通過(guò)管內(nèi)的生理鹽水傳導(dǎo)壓力。這兩種壓力在管內(nèi)分別有自己的通道，所以傳導(dǎo)至各自傳感器的壓力并不互相干擾。膀胱的灌注則是通過(guò)管內(nèi)的灌注通道執(zhí)行，直腸內(nèi)的導(dǎo)管雖然也稱(chēng)作氣囊測(cè)壓導(dǎo)管，但是氣囊內(nèi)充盈的依然是生理鹽水，并且體積要大很多。

T-DOC導(dǎo)管是一種新興的測(cè)壓系統(tǒng)。壓力作用在導(dǎo)管頂端一個(gè)圍繞聚乙烯導(dǎo)管周向放置的微型充氣球囊上，通過(guò)管內(nèi)空氣傳遞到外部換能器[16]。傳壓介質(zhì)和感壓結(jié)構(gòu)是氣體傳導(dǎo)測(cè)壓導(dǎo)管區(qū)別于液體傳導(dǎo)測(cè)壓導(dǎo)管的最明顯之處。

2.2 液體與氣體的流體力學(xué)差異

流體是液體和氣體的統(tǒng)稱(chēng)[17]。流體的第一個(gè)特性是具有質(zhì)量，流體密度為單位體積所具有的流體徹底質(zhì)量?？諝獾拿芏缺人『芏啵? 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，ACC 中的空氣質(zhì)量可忽略不計(jì)，因此，相較WFC 很大程度上減少了贗像的產(chǎn)生與傳導(dǎo)，所形成的靜水壓也可忽略不計(jì)。

對(duì)WFC 而言，導(dǎo)管內(nèi)液體重度隨溫度的改變而改變。而對(duì)ACC 而言，導(dǎo)管內(nèi)的氣體重度不僅與溫度有關(guān)，并且隨著壓強(qiáng)的改變而改變[18]。這個(gè)特性可能是多次連續(xù)測(cè)量結(jié)果變異性較大、可重復(fù)性較小的原因之一。

壓力傳感器應(yīng)用壓阻效應(yīng)將力學(xué)量轉(zhuǎn)化為易于測(cè)量、傳輸和處理的電量。傳感器所收集的壓力來(lái)源有兩個(gè)。一為輸送流體動(dòng)力源的輸送壓力即為逼尿肌上升的壓力。根據(jù)流體壓力等值傳遞理論，在膀胱內(nèi)相對(duì)靜止的流體任意一邊界上壓強(qiáng)的變化將等值傳遞到其他各點(diǎn)。二為管壁上升的壓力。流體總是在永不停息地做無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)，當(dāng)其被約束于管道中時(shí)，這種分子間的不斷相互碰撞，也形成對(duì)管道的沖擊力，單個(gè)的分子聚集起來(lái)，不停地、密集地對(duì)管壁形成連續(xù)的撞擊，宏觀上產(chǎn)生持續(xù)的有一定大小的壓力，大小則取決于單位時(shí)間內(nèi)分子撞擊管壁的次數(shù)與每次撞擊力量大小的乘積。因此，導(dǎo)管硬度不同也是二者測(cè)壓值差異的來(lái)源之一[19]。

3 設(shè)置

3.1 零參考平面零壓力點(diǎn)設(shè)置

WFC 傳感器置于受試者體外，膀胱壓或直腸壓經(jīng)充滿(mǎn)液體的管道從體內(nèi)傳遞到傳感器。ICS 1999年頒布的尿動(dòng)力學(xué)質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定不同的壓力采用相同的零參考平面[20]，即均以大氣壓下恥骨聯(lián)合上緣水平為零參考平面。由于WFC 使用測(cè)量大氣相對(duì)壓力值傳感器[21]，傳感器彈性膜一側(cè)始終與大氣連通，是以大氣壓力為參考?jí)?，因此，所測(cè)得的壓力與傳感器的高度有關(guān)。

描述Pves與Pabd時(shí)，可將腹腔模擬為一個(gè)充滿(mǎn)流體的容器。

(Pc 為收縮壓；h0為傳感器所在位置；g 為重力常數(shù)；ρ 為液體密度)

從此公式可看出，將傳感器置于同一水平面調(diào)零可以不考慮傳感器的相對(duì)位置導(dǎo)致的壓力差[22]。但是患者體位的改變會(huì)導(dǎo)致零參考平面的變化，因此，需要改變傳感器的位置使其始終保持在恥骨聯(lián)合上緣水平。

由于T-DOC 導(dǎo)管內(nèi)空氣質(zhì)量可忽略，因此導(dǎo)管端和傳感器的靜水壓可忽略[23]，其外部傳感器參考點(diǎn)為任一水平面。測(cè)絕對(duì)壓力時(shí)，ACC 傳感器內(nèi)自身帶有真空參考?jí)?，可做自身?duì)照而與大氣壓力無(wú)關(guān)。因此，無(wú)需繁瑣的調(diào)零過(guò)程，患者變換體位后也無(wú)需重新調(diào)零。調(diào)零時(shí)任一水平面都可以作為膀胱壓和直腸壓測(cè)壓管道系統(tǒng)的調(diào)零平面。但是，這種調(diào)零方法不能有效地調(diào)節(jié)膀胱壓和腹壓的初始?jí)毫χ?，從而?huì)出現(xiàn)Pdet過(guò)高或過(guò)低的情況。雖然T-DOC 法可以通過(guò)體內(nèi)調(diào)零，即通過(guò)人為使Pabd等同于Pves，從而強(qiáng)行使Pdet初始值為0來(lái)避免這一情況，但是這樣做所得到的Pabd并不是在大氣壓下調(diào)零的值，與人體生理情況不符。

3.2 頻率響應(yīng)

由于液體不可壓縮，WFC 表現(xiàn)為第二低阻尼系統(tǒng)，有放大低頻信號(hào)，衰減高頻信號(hào)的作用[24]。WFC 在頻率為10.13 Hz時(shí)發(fā)生共振，壓力信號(hào)增加50%，頻率高于19 Hz 時(shí)衰減，壓力信號(hào)減少50%。當(dāng)壓力下降時(shí)，WFC 記錄到的壓力立刻降到0，然后在0附近波動(dòng)，直至穩(wěn)定。

ACC 則表現(xiàn)為過(guò)阻尼系統(tǒng)，有衰減更低頻率信號(hào)的作用[25]。在1～30 Hz 頻掃中沒(méi)有表現(xiàn)出任何放大效應(yīng)，當(dāng)頻率大于3.02 Hz時(shí)衰減壓力信號(hào)，相當(dāng)于低通濾波器。壓力下降時(shí)，ACC 記錄到的壓力呈指數(shù)形式下降到0，但不會(huì)降到0 以下。ACC記錄到的曲線更平滑[26]，這是由于流體的黏滯性，管中流體運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)是非常重要的參數(shù)，壓力對(duì)動(dòng)力黏滯系數(shù)的影響不大，等溫條件下可忽略其對(duì)流體的影響。

然而溫度對(duì)二者的影響卻截然相反。液體的黏滯系數(shù)與溫度呈負(fù)相關(guān)，氣體的黏滯系數(shù)與溫度呈正相關(guān)，這是二者微觀結(jié)構(gòu)差異所致。由于水分子和氣體分子之間的內(nèi)聚力、各自與管壁的附著力及分子不規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)引起動(dòng)量交換，內(nèi)摩擦力由此產(chǎn)生，部分機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱能。液體分子內(nèi)聚力由于間距增大而顯著下降，動(dòng)量交換產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力又不足以補(bǔ)償，故而溫度升高，黏滯系數(shù)下降。而氣體的分子熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的內(nèi)摩擦對(duì)黏滯系數(shù)起主要作用，溫度升高，分子熱運(yùn)動(dòng)頻繁，黏滯系數(shù)故而增加[17]。由于水的密度比空氣大幾百倍，因此空氣的運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)是水的10倍以上[18]。隨著檢查的進(jìn)行，溫度的影響將二者之間的差距進(jìn)一步擴(kuò)大，這種液體的欠阻尼特性與氣體的過(guò)阻尼特性隨著檢查時(shí)間的延續(xù)或多次檢查而直接體現(xiàn)在所測(cè)的壓力差上。

Cooper 等[24]表明，ACC 截止頻率是3 Hz，Couri 等[14]測(cè)得的值高一些(5 Hz)。Gammie 等[23]證實(shí)，頻率響應(yīng)至少為3 Hz，Thind 等[27]評(píng)估6 個(gè)健康志愿者的咳嗽測(cè)試頻譜后，發(fā)現(xiàn)88%的咳嗽成分在3 Hz 以下，5 Hz 則足夠捕捉大多數(shù)臨床相關(guān)壓力事件，所以盡管3 Hz會(huì)過(guò)濾掉高頻信號(hào)，但是可以保證信號(hào)的完整形狀。若尿動(dòng)力事件均發(fā)生在3 Hz 以下，使用ACC 測(cè)壓獲益更大[28]，但是測(cè)定過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)由于患者咳嗽、說(shuō)話(huà)和運(yùn)動(dòng)等所致的膀胱內(nèi)壓力快速變化。因此，頻率反應(yīng)提高到15 Hz 才不至于丟失有用的快速壓力信號(hào)變化[29]。氣囊會(huì)在壓力作用下發(fā)生形變，靜息時(shí)測(cè)到的壓力依賴(lài)于氣囊一定程度的膨脹，即充氣容積。由于氣體體積會(huì)因溫度上升至體溫而增加，因此，應(yīng)充氣至氣囊部分膨脹以容納增加的體積，從而避免過(guò)度充氣對(duì)結(jié)果的影響。多次使用后，氣囊順應(yīng)性增加、空氣的可縮性，使壓力傳感器的頻率響應(yīng)降低，導(dǎo)致靈敏度下降。

4 測(cè)定

4.1 充盈期膀胱壓力-容積測(cè)定

Digesu 等[30]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)測(cè)量充盈開(kāi)始、結(jié)束、排尿前站立或坐位及出現(xiàn)最大逼尿肌收縮這五種狀態(tài)下的壓力時(shí)，ACC 所測(cè)得的Pves和Pabd值始終高于WFC，而ACC 所測(cè)得的Pdet一直較WFC低。

Sheng 等[31]進(jìn)行WFC 與ACC 同時(shí)測(cè)量，比較特定容量下患者做Ⅴalsalva 動(dòng)作和咳嗽時(shí)的壓力，發(fā)現(xiàn)兩種測(cè)壓系統(tǒng)測(cè)得的壓力值高度線性相關(guān)。做Ⅴalsalva 動(dòng)作時(shí)的相關(guān)性更高。對(duì)于一個(gè)給定患者，在充盈前，膀胱容量為(50±10)ml 時(shí)，這兩種狀態(tài)下，Ⅴalsalva 動(dòng)作的Pves可有6 cmH2O 的差異，這在臨床接受的誤差范圍內(nèi)，而Pabd可達(dá)10 cmH2O；患者咳嗽的Pabd差異達(dá)14 cmH2O，Pves達(dá)19 cmH2O。因此，兩種系統(tǒng)的測(cè)量值不可互換使用。

Gammie 等[32]研究患者從仰臥到坐位再到立位壓力幅度的改變。結(jié)果表明，當(dāng)采用WFC 測(cè)壓時(shí)，從仰臥到站立壓力持續(xù)增加，而ACC 所測(cè)得的壓力值無(wú)明顯變化，但總體較WFC高。誤差來(lái)源可能是由于同時(shí)納入并比較多種下尿路癥狀，如：壓力性尿失禁、逼尿肌過(guò)度活動(dòng)、逼尿肌活動(dòng)低下患者和健全人，導(dǎo)致影響不同姿勢(shì)下壓力讀數(shù)的變量不僅只有導(dǎo)管類(lèi)型，而且還有疾病種類(lèi)。

4.2 尿道壓力測(cè)定

尿道壓力和尿道閉合壓都是人們針對(duì)尿道阻止尿液漏出的能力所提出的理想化概念。通過(guò)沿尿道腔連續(xù)測(cè)量多個(gè)點(diǎn)的壓力并形成一條連續(xù)的尿道壓力描記圖進(jìn)行尿道壓力測(cè)定[1]。

導(dǎo)管側(cè)孔灌注法是使用液體傳導(dǎo)測(cè)壓導(dǎo)管測(cè)量尿道壓的方法，尿道壓作用在導(dǎo)管兩側(cè)的開(kāi)口上，通過(guò)側(cè)孔以恒定的大小、適度的速度灌注膀胱腔或尿道，然后勻速拖動(dòng)拉桿，導(dǎo)管隨拉桿緩慢勻速地退出尿道，同時(shí)，外部壓力傳感器記錄出尿道壁對(duì)液體的連續(xù)壓力，但諸多精細(xì)的配合如灌注速度與退管速度，以及定性但缺乏定量的描述，多憑操作者的經(jīng)驗(yàn)或者千篇一律地使用同一速度，使得測(cè)壓結(jié)果變異性大，可重復(fù)性差。

使用T-DOC 測(cè)量尿道壓時(shí)，空氣為傳壓介質(zhì)，氣囊與尿道壁相互之間的作用力傳至傳感器并描記出尿道不同點(diǎn)的壓力分布圖，操作簡(jiǎn)便，易行，只需勻速拖動(dòng)拉桿而無(wú)需拉桿速度和灌注速度之間的配合。Zehnder 等[16]研究比較ACC 和頂端傳感器導(dǎo)管，發(fā)現(xiàn)ACC 通常給出更高的讀數(shù)，這可能與ACC 采用小氣囊感應(yīng)尿道壓力變化，其氣囊部位管徑較管身粗有關(guān)。

WFC 側(cè)孔不能充分與尿道黏膜接觸以及壓力測(cè)定的方向性使得導(dǎo)管旋轉(zhuǎn)也影響測(cè)定結(jié)果[33]。而ACC更靈活，具有圓周測(cè)量能力(壓力的周向測(cè)量)，與導(dǎo)管定位相關(guān)性較小，導(dǎo)管方向不會(huì)影響測(cè)量結(jié)果，因此可能具有更少的偽影。

4.3 校準(zhǔn)方法

在每次尿動(dòng)力學(xué)測(cè)試結(jié)束后檢查導(dǎo)管準(zhǔn)確性，可通過(guò)使用30 cmH2O、20 cmH2O 和0 cmH2O 的蒸餾水柱校準(zhǔn)直腸和膀胱ACC系統(tǒng)。測(cè)量從每個(gè)氣囊的中心到水面(0 cmH2O)的壓力值。

使用標(biāo)尺進(jìn)行WFC 的校準(zhǔn)，將每根導(dǎo)管的末端放置在傳感器的水平面上、傳感器上方20～30 cm 處，分別代表0 cmH2O、20 cmH2O和30 cmH2O下的壓力。

4.4 壓力值的轉(zhuǎn)換

Hassan 等[34]在一個(gè)壓力室中重復(fù)ACC 與WFC 同時(shí)測(cè)壓的實(shí)驗(yàn)，收獲了高度可重復(fù)的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)ACC 顯著低估了快速變化的壓力峰值，并開(kāi)發(fā)一個(gè)算法轉(zhuǎn)換峰值壓力，算法可糾正ACC 90%的峰值壓力，使其在WFC 值的5%之內(nèi)，造成ACC讀數(shù)和預(yù)期的WFC 讀數(shù)一致。但是算法僅轉(zhuǎn)換咳嗽和Ⅴalsalva動(dòng)作的最大壓力值，沒(méi)有擴(kuò)展到全部壓力軌跡。

5 尿路感染

在膀胱壓力容積測(cè)定中，使用WFC 會(huì)增加尿路感染的機(jī)會(huì)。由于測(cè)壓管與壓力感受器之間的液體是細(xì)菌良好的培養(yǎng)基，細(xì)菌通過(guò)測(cè)壓管間接與膀胱腔相通，從而導(dǎo)致較高的尿路感染副作用。

而使用T-DOC導(dǎo)管后尿路感染的機(jī)會(huì)顯著減少[35]，導(dǎo)管尖端氣囊相對(duì)封閉，不會(huì)與膀胱腔直接相通，完成每例檢查后僅需更換測(cè)壓管，而不需更換其他連接管等部件，檢查后尿路感染發(fā)生率仍相對(duì)較低。

6 小結(jié)

WFC 和ACC 在導(dǎo)管構(gòu)造、信號(hào)傳導(dǎo)方式、零參考平面的選擇、頻率響應(yīng)、壓力測(cè)量值、校準(zhǔn)方法和尿路感染等諸多方面存在差別。

WFC 在UDS 中一直沿用至今，典型值范圍及典型信號(hào)模式也已建立[36]，但是不可避免地存在氣泡和患者活動(dòng)影響測(cè)壓結(jié)果及尿路感染發(fā)生率較高等缺點(diǎn)。ACC 可避免由于氣泡及患者活動(dòng)導(dǎo)致的誤差來(lái)源，可周向測(cè)量尿道壓力，尿路感染發(fā)生率較低，但是體內(nèi)調(diào)零法、空氣和氣囊的流體力學(xué)特性又成為測(cè)壓過(guò)程中的不可控因素。二者的諸多差異導(dǎo)致患者不同狀態(tài)下的尿動(dòng)力學(xué)測(cè)壓值不同，誤差來(lái)源有待進(jìn)一步探索。

進(jìn)一步比較特定患者的WFC 和ACC 尿動(dòng)力學(xué)測(cè)壓值，選擇更合適的尿動(dòng)力學(xué)測(cè)壓導(dǎo)管，可為下尿路功能障礙的診斷提供臨床指導(dǎo)。