王 錦,田學隆△,張 新,,王 敏

(1.重慶大學生物工程學院,重慶400030;2.重慶市醫(yī)療電子技術工程研究中心,重慶400030)

電刺激小腦頂核對主要心血管生理參數的影響＊

王 錦1,田學隆1△,張 新1,2,王 敏2

(1.重慶大學生物工程學院,重慶400030;2.重慶市醫(yī)療電子技術工程研究中心,重慶400030)

目的:本文通過研究電刺激小腦頂核對光電容積脈搏波的影響,探討電刺激小腦頂核對于人體心血管系統(tǒng)產生的生理效應。方法:記錄30位受試者在小腦頂核受刺激時的脈搏波數據,提取了上升支主波幅度H、上升沿斜率Slope、脈搏波波形特征量K值等5種波形特征值。對比分析在刺激中和刺激前后各特征值的變化并根據該變化描述電刺激小腦頂核所引起的生理變化。結果:電刺激小腦頂核使脈搏波呈現(xiàn)出靈敏的一過性變化。結論:特征值的變化反應出電刺激小腦頂核使外周血流量、外周阻力等生理參數發(fā)生了一過性的變化。

電刺激小腦頂核;光電容積脈搏波;脈搏波特征值

近年來人們對電刺激小腦頂核(fastigial nucleus stimulation,FNS)所產生的生理方面的影響日益關注。前人已在多種動物上證實了電刺激小腦頂核能夠引起頂核加壓反應并使局部的腦血流量增加[1]等現(xiàn)象,使心腦血管系統(tǒng)發(fā)生可逆性的生理變化。目前模擬實驗性小腦頂核電刺激而研制的小腦頂核電刺激儀已廣泛用于臨床,取得了顯著療效[2]。光電容積脈搏波描記法(photoplethysmogram,PPG)是借助光電手段在活體組織中檢測血液容積變化的一種無創(chuàng)檢測方法[3]。容積脈搏波能夠提供非常有價值的外周血管信息,本文通過研究電刺激小腦頂核下PPG特征值的改變,探討電刺激小腦頂核對主要的心血管生理參數產生的影響。

1 材料與方法

1.1 對象

受試者為30位(17位男,13位女)健康的志愿者,年齡為22～30歲,平均年齡:(25±2)歲。

1.2 測試儀器

PPG檢測系統(tǒng)由指端光電傳感器、數據采集模塊所組成。實驗中使用的小腦頂核刺激儀是本實驗室自主研發(fā)的。它的最大輸出電流為10 mA,刺激電流具有恒流輸出特性,安全有效,并能克服顱骨屏障。

1.3 信號采集及預處理

所有數據的采集均是由同一位受過訓練的操作者完成。在相同的實驗條件下,每位受試者重復采樣3～5次。每次實驗均包括多個刺激強度的測試(根據人體耐受性的差異,選取不同的刺激強度)。受試者靜坐于25℃恒溫、安靜、舒適的實驗室中,在測試過程中,保持平穩(wěn)的情緒。指端光電傳感器均是戴在每位受試者的左手食指上。小腦頂核刺激儀的電極貼在受試者雙耳后乳突處。記錄過程分為刺激前、刺激中和刺激后3部分,每一過程持續(xù)15 s。記錄到的原始數據經過小波降噪、單波分離等預處理后,進行特征值提取。

1.4 特征值提取方法

圖1所示為容積脈搏波的波形圖。主要提取了上升支主波幅值(H)、上升支斜率(Slope)、脈搏波的波形特征量 K值、峰峰點時間間隔(PPI,peak-topeak interval)、降中峽相對高度(h/H)這5種特征量。

Fig.1 Various PPGcharacteristics

(1)上升支主波幅值H定義為:主波峰值點與谷值點之間的幅度差。上升支主波幅值反映流過指端微血管床的最大血流量[3]。H越大則血流量越大,反之亦然。(2)上升支斜率定義為:

射血時遇到的阻力越大,則脈搏波中上升支斜率越小,幅度也越低[3]。反之,射血所遇到的阻力越小,射血速度越快,則上升支越陡,幅度也越大。(3)脈搏波波形特征量K值定義為:脈搏波波形脈動分量部分下的面積0AQD與峰值和橫軸圍成的面積0BCD的比值[4],如圖1所示。K值的變化趨勢可以反映出血壓的變化趨勢[4]。(4)峰峰點時間間隔定義為:兩個相鄰峰值點的時間差,PPI反映心率變化[5]。(5)降中峽相對高度:降中峽高度與主波幅值之比,h/H與外周阻力呈正相關。

1.5 統(tǒng)計處理

用Wilcoxon符號秩和檢驗比較3個階段(Stage1:刺激前;Stage2:刺激中;Stage3:刺激后)5種特征值的差異。實驗數據用均數±標準差(±s)表示,統(tǒng)計分析使用SPSS 15.0軟件。

2 結果

一名受試者在實驗中的脈搏波波形變化如圖2所示,刺激強度大于其刺激閾值。在小腦頂核電刺激開始3 s內,脈動分量幅值迅速變小,3～4 s后降至最小,然后增大,增大后又減小并逐漸恢復至刺激前水平,整個過程持續(xù)10～15 s。

Fig.2 Change of pulse wave in the experiment

從圖2中的脈搏波信號提取5種波形特征值,特征值變化的趨勢如圖3所示。發(fā)現(xiàn)5種特征值均出現(xiàn)了明顯的一過性的變化。在FNS下,PPG信號的脈動分量幅度減小,說明FNS引起了外周血管血流量的減小;K值的增大表明血壓出現(xiàn)瞬間升高;Slope的減小顯示外周阻力的增大,h/H的升高同樣表明外周阻力的上升;PPI在FNS下略微減小,說明心率略微增加。

Fig.3 Changes of PPGcharacteristics in the experiment

30名受試者3個階段的各特征值的平均值如表1所示。Wilcoxon符號秩和檢驗結果表明:K(P＜0.01)、Slope(P＜0.01)、H(P＜0.01)、h/H(P＜0.01)和H(1+ts/td,P＜0.01)在刺激時與刺激前、刺激后均具有顯著性差異,PPI(P＞0.05)不具有顯著性差異。部分受試者在FNS下出現(xiàn)了心率略微增加的現(xiàn)象,可能與個體差異以及電刺激強度的選擇有關。

Tab.1 Average of three stages’PPGcharacteristics(±s,n=30)

PPI:Peak-to-peak Interval

Stage1 Stage2 Stage3 0.4625±0.0468 0.4950±0.0509 0.4615±0.0499 Slope(mV/s) 415.9145±40.7429 307.1263±44.9641 409.5364±40.7053 H(mV) 69.0724±7.4267 50.9702±6.4902 67.4832±7.8174 PPI(s) 0.8315±0.0558 0.8278±0.0569 0.8298±0.0578 h/H 0.7366±0.0948 0.7862±0.0867 0.74398±0.0888 K

將3個階段的典型波形進行均一化處理(圖4),波形的變化揭示了心血管的生理變化。光電容積脈搏波分為上升支和下降支兩部分。從圖4中可以看出FNS對于脈搏波信號心室快速射血期(上升支)的影響不明顯,幾乎所有的改變都發(fā)生在信號的下降支,也就是心室射血后期和心室舒張期。下降支的形狀可大致反映外周阻力的大小,外周阻力高時,下降支下降速度緩慢;外周阻力低時,下降支的下降速率較快[3]。在 FNS下,左心室射血時間變短,降中峽上升點和重搏波峰值點上升,下降支速率緩慢,說明外周阻力發(fā)生了改變。

Fig.4 One PPGpulse from three different stages of subject E011

3 討論

實驗數據表明,PPG的多個特征參數在FNS下發(fā)生了一過性的變化。這一系列特征參數的變化間接反應了心血管系統(tǒng)的生理變化。Doba認為頂核加壓反應是由于提高了交感神經系統(tǒng)的活動所致[1]。本實驗中,電刺激小腦頂核引起的心血管的生理參數變化,與交感神經興奮所引起的外周血管收縮類似,推測可能是由于電刺激小腦頂核引起了膽堿能的交感神經活動所致。脈搏波的變化呈現(xiàn)一過性,這可能與人在清醒的狀態(tài)下具有自我意識和自動調節(jié)能力有關。由于個體耐受性差異較大,PPG波形在FNS下發(fā)生變化的閾值也不盡相同。一般情況下,女性的刺激閾值要低于男性的刺激閾值。

[1]Doba N,Reis D J.Changes in regional blood flow and cardiodynamics evoked by electrical stimulation of the fastigial nucleus in the cat and their similarity to orthostatic reflexes[J].J Physiol,1972,227(3):729-747.

[2]張潤峰,陳運貞,羅再貴,等.電刺激小腦頂核的基礎研究與臨床應用現(xiàn)狀[J].中國臨床康復,2005,9(13):140-143.

[3]羅志昌,張 松,楊益民.脈搏波的工程分析與臨床應用[M].北京:科學出版社,2006,165-170.

[4]楊 琳,張 松,楊益民,等.基于重搏波谷點的脈搏波波形特征量分析[J].北京生物醫(yī)學工程,2008,27(3):229-233.

[5]張愛華,張 妍,王 琦.基于脈搏信號的心電特征研究[J].電子測量技術,2009,32(8):8-11.

Effects of fastigial nucleus stimulation on crucial cardiovascular physiological parameters

WANGJin1,TIAN Xue-long1△,ZHANG Xin1,2,WANGMin2
(1.Bioengineering College of Chongqing University,Chongqing 400030,China;2.Chongqing Engineering Research Center for Medical Electronics Technology,Chongqing 400030,China)

Objective:In order to study the effect of fastigial nucleus stimulation(FNS)on human cardiovascular system,the photoplethysmogram(PPG)affected by FNS were recorded and analyzed.Methods:Thirty volunteers’pulse signals were recorded before,during and after the FNS,and 5 PPGcharacteristics,such as H,Slope,and Kwere extracted.Changes of each characteristic in three stages were analyzed contrastively and based on which physiological changes caused by FNSwere described.Results:The pulse wave showed sensitive ongoing short-term changes during the FNS.Conclusion:Changes of characteristics indicates that FNS results in ongoing short-term changes of some physiological parameters such as peripheral blood flow and peripheral resistance.

fastigial nucleus stimulation; photoplethysmogram; PPGcharacteristics

R318.11

A

1000-6834(2010)04-507-03

重慶市重點科技攻關項目(2009AB5004)

2009-08-09

2010-06-13

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