电刺激小脑顶核对主要心血管生理参数的影响＊

王 锦,田学隆△,张 新,,王 敏

(1.重庆大学生物工程学院,重庆400030;2.重庆市医疗电子技术工程研究中心,重庆400030)

电刺激小脑顶核对主要心血管生理参数的影响＊

王 锦1,田学隆1△,张 新1,2,王 敏2

(1.重庆大学生物工程学院,重庆400030;2.重庆市医疗电子技术工程研究中心,重庆400030)

目的:本文通过研究电刺激小脑顶核对光电容积脉搏波的影响,探讨电刺激小脑顶核对于人体心血管系统产生的生理效应。方法:记录30位受试者在小脑顶核受刺激时的脉搏波数据,提取了上升支主波幅度H、上升沿斜率Slope、脉搏波波形特征量K值等5种波形特征值。对比分析在刺激中和刺激前后各特征值的变化并根据该变化描述电刺激小脑顶核所引起的生理变化。结果:电刺激小脑顶核使脉搏波呈现出灵敏的一过性变化。结论:特征值的变化反应出电刺激小脑顶核使外周血流量、外周阻力等生理参数发生了一过性的变化。

电刺激小脑顶核;光电容积脉搏波;脉搏波特征值

近年来人们对电刺激小脑顶核(fastigial nucleus stimulation,FNS)所产生的生理方面的影响日益关注。前人已在多种动物上证实了电刺激小脑顶核能够引起顶核加压反应并使局部的脑血流量增加[1]等现象,使心脑血管系统发生可逆性的生理变化。目前模拟实验性小脑顶核电刺激而研制的小脑顶核电刺激仪已广泛用于临床,取得了显著疗效[2]。光电容积脉搏波描记法(photoplethysmogram,PPG)是借助光电手段在活体组织中检测血液容积变化的一种无创检测方法[3]。容积脉搏波能够提供非常有价值的外周血管信息,本文通过研究电刺激小脑顶核下PPG特征值的改变,探讨电刺激小脑顶核对主要的心血管生理参数产生的影响。

1 材料与方法

1.1 对象

受试者为30位(17位男,13位女)健康的志愿者,年龄为22～30岁,平均年龄:(25±2)岁。

1.2 测试仪器

PPG检测系统由指端光电传感器、数据采集模块所组成。实验中使用的小脑顶核刺激仪是本实验室自主研发的。它的最大输出电流为10 mA,刺激电流具有恒流输出特性,安全有效,并能克服颅骨屏障。

1.3 信号采集及预处理

所有数据的采集均是由同一位受过训练的操作者完成。在相同的实验条件下,每位受试者重复采样3～5次。每次实验均包括多个刺激强度的测试(根据人体耐受性的差异,选取不同的刺激强度)。受试者静坐于25℃恒温、安静、舒适的实验室中,在测试过程中,保持平稳的情绪。指端光电传感器均是戴在每位受试者的左手食指上。小脑顶核刺激仪的电极贴在受试者双耳后乳突处。记录过程分为刺激前、刺激中和刺激后3部分,每一过程持续15 s。记录到的原始数据经过小波降噪、单波分离等预处理后,进行特征值提取。

1.4 特征值提取方法

图1所示为容积脉搏波的波形图。主要提取了上升支主波幅值(H)、上升支斜率(Slope)、脉搏波的波形特征量 K值、峰峰点时间间隔(PPI,peak-topeak interval)、降中峡相对高度(h/H)这5种特征量。

Fig.1 Various PPGcharacteristics

(1)上升支主波幅值H定义为:主波峰值点与谷值点之间的幅度差。上升支主波幅值反映流过指端微血管床的最大血流量[3]。H越大则血流量越大,反之亦然。(2)上升支斜率定义为:

射血时遇到的阻力越大,则脉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,则上升支越陡,幅度也越大。(3)脉搏波波形特征量K值定义为:脉搏波波形脉动分量部分下的面积0AQD与峰值和横轴围成的面积0BCD的比值[4],如图1所示。K值的变化趋势可以反映出血压的变化趋势[4]。(4)峰峰点时间间隔定义为:两个相邻峰值点的时间差,PPI反映心率变化[5]。(5)降中峡相对高度:降中峡高度与主波幅值之比,h/H与外周阻力呈正相关。

1.5 统计处理

用Wilcoxon符号秩和检验比较3个阶段(Stage1:刺激前;Stage2:刺激中;Stage3:刺激后)5种特征值的差异。实验数据用均数±标准差(±s)表示,统计分析使用SPSS 15.0软件。

2 结果

一名受试者在实验中的脉搏波波形变化如图2所示,刺激强度大于其刺激阈值。在小脑顶核电刺激开始3 s内,脉动分量幅值迅速变小,3～4 s后降至最小,然后增大,增大后又减小并逐渐恢复至刺激前水平,整个过程持续10～15 s。

Fig.2 Change of pulse wave in the experiment

从图2中的脉搏波信号提取5种波形特征值,特征值变化的趋势如图3所示。发现5种特征值均出现了明显的一过性的变化。在FNS下,PPG信号的脉动分量幅度减小,说明FNS引起了外周血管血流量的减小;K值的增大表明血压出现瞬间升高;Slope的减小显示外周阻力的增大,h/H的升高同样表明外周阻力的上升;PPI在FNS下略微减小,说明心率略微增加。

Fig.3 Changes of PPGcharacteristics in the experiment

30名受试者3个阶段的各特征值的平均值如表1所示。Wilcoxon符号秩和检验结果表明: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)在刺激时与刺激前、刺激后均具有显著性差异,PPI(P＞0.05)不具有显著性差异。部分受试者在FNS下出现了心率略微增加的现象,可能与个体差异以及电刺激强度的选择有关。

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

将3个阶段的典型波形进行均一化处理(图4),波形的变化揭示了心血管的生理变化。光电容积脉搏波分为上升支和下降支两部分。从图4中可以看出FNS对于脉搏波信号心室快速射血期(上升支)的影响不明显,几乎所有的改变都发生在信号的下降支,也就是心室射血后期和心室舒张期。下降支的形状可大致反映外周阻力的大小,外周阻力高时,下降支下降速度缓慢;外周阻力低时,下降支的下降速率较快[3]。在 FNS下,左心室射血时间变短,降中峡上升点和重搏波峰值点上升,下降支速率缓慢,说明外周阻力发生了改变。

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

3 讨论

实验数据表明,PPG的多个特征参数在FNS下发生了一过性的变化。这一系列特征参数的变化间接反应了心血管系统的生理变化。Doba认为顶核加压反应是由于提高了交感神经系统的活动所致[1]。本实验中,电刺激小脑顶核引起的心血管的生理参数变化,与交感神经兴奋所引起的外周血管收缩类似,推测可能是由于电刺激小脑顶核引起了胆碱能的交感神经活动所致。脉搏波的变化呈现一过性,这可能与人在清醒的状态下具有自我意识和自动调节能力有关。由于个体耐受性差异较大,PPG波形在FNS下发生变化的阈值也不尽相同。一般情况下,女性的刺激阈值要低于男性的刺激阈值。

[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]张润峰,陈运贞,罗再贵,等.电刺激小脑顶核的基础研究与临床应用现状[J].中国临床康复,2005,9(13):140-143.

[3]罗志昌,张 松,杨益民.脉搏波的工程分析与临床应用[M].北京:科学出版社,2006,165-170.

[4]杨 琳,张 松,杨益民,等.基于重搏波谷点的脉搏波波形特征量分析[J].北京生物医学工程,2008,27(3):229-233.

[5]张爱华,张 妍,王 琦.基于脉搏信号的心电特征研究[J].电子测量技术,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

重庆市重点科技攻关项目(2009AB5004)

2009-08-09

2010-06-13

△【通讯作者】Tel:023-65103812;E-mail:xltian@cqu.edu.cn