颈动脉窦内压力控制方法的改进

2013-10-25赵海燕钮伟真黄海霞

首都医科大学学报 2013年6期

刘萍赵海燕王伟魏华钮伟真黄海霞*

(1.首都医科大学基础医学院生理学与病理生理学系，北京100069;2.首都医科大学燕京医学院生理教研室，北京100069;3.首都医科大学医学实验与测试中心，北京100069)

动脉压力感受性反射在维持机体动脉血压稳态过程中发挥重要作用，精确控制窦内压力是进行动脉压力感受器功能研究的关键［1］。本研究室利用电气比例调节阀建立了控制颈动脉窦压力的自动化装置，适用于颈动脉窦压力感受器功能的研究［2］，然而该电气比例调节阀输出并作用于窦内的压力存在明显过冲和振荡。为减少这一过冲和振荡，我们在该压力控制系统中添加一缓冲装置，以保证应用该设备对颈动脉窦进行灌注时，对颈动脉窦区实现更理想的压力控制。

1 材料与方法

1)颈动脉窦-窦神经(carotid sinus-carotid sinus nerve，CS-CSN)标本的制备:实验采用成年家兔，体质量2 kg左右，雌雄不拘。动物以20%氨基甲酸乙酯(乌拉坦)5 mg/kg麻醉后，安置气管插管。充分暴露颈动脉窦区。仔细游离任意一侧颈动脉窦区和窦神经并取出包括颈总动脉7 mm、颈外动脉5 mm、颈内动脉5 mm、及窦神经7 mm的颈动脉窦-窦神经(CSCSN)标本。

2)灌流:应用本室自制的离体标本灌流-放电记录一体化装置［3-5］，对CS-CSN标本进行灌流。灌流液成分(mmol/L):NaCl 154，KCl 4.7，CaCl22.2，MgCl21.1，Glucose 5.5，用 HEPES-NaOH 调节灌流液 pH 值到7.4，持续用纯氧平衡(以抑制颈动脉体化学感受器的放电)，温度保持在36～37℃。

3)设置参数:根据实验需求，事先用 pClamp7.0软件编辑各种波形的压力刺激文件［2］。编辑过程中设定压力刺激的波形、时程、强度、频率等多种参数。实验过程中，应用pClamp7.0软件运行压力波形文件，由D/A转换器(DigiData 1200A，Axon Instrument，USA)输出对应于压力的电压指令，控制电气比例调节阀(PRE-U，Hoerbiger，Deutschland)，执行压力的钳制。本实验中采用的电气比例调节阀(量程为0～200 mmHg。1 mmHg=0.133 kPa)本质上是一个通过改变气体流量调节气压的自动化阀门(图1)。压力调节阀直接输出的是气压，然而，生理条件下，需要灌流液为血管和神经提供必要的氧气和营养，而颈动脉窦血管壁上的压力感受器需要压力刺激。因此，压力调节阀输出的气压无法直接用于控制颈动脉窦内的压力，为此必须将压力传输的介质改换为液体。将压力调节阀输出口与灌流液瓶的气相相通，瓶口密闭，这样灌流压的介质由气体被转换为液体。压力调节阀根据指令调节气源(100%高压纯氧，0.15 MPa)的输出压力，进而驱动密闭容器内的灌流液和控制窦内压力。本系统还将压力换能器(YH-4，国产，图1-e)置于窦内灌流出口处，以监测窦内压。窦内灌流液流量由设于灌流液出口处的控制阀(图1-f)控制。

2 结果

由于气体的可压缩性，灌流液瓶中气相部分的容积对压力的传输存在显著影响。当瓶中气体所占容积很小时，无论应用三角波指令(图2Aa，频率100次/min，压力120～80 mmHg)，还是应用斜坡指令(图2Ba，从0 ～200 mmHg，以20 mmHg/s的速度升高)，在颈动脉出口端记录的波形明显过冲和振荡(图2Ab，Bb)。

图1 颈动脉窦内灌流压力控制系统Fig.1 Setup for perfusing CS-CSN preparation and controlling intrasinus pressure

为解决液压控制过程中出现的压力过冲和振荡，实验中尝试增加灌流液瓶气体所占的容积，发现逐渐增加气液瓶中的气体容积，可缓冲压力调节阀输出压力的过冲和振荡。如图2Ab～d及图2 Bb～d分别表示采用三角坡(图2Aa)和斜波压力指令(图2Ba)时，颈动脉窦内压力的变化曲线，证明容器内气体容积越大，对压力调节阀输出压力的过冲和振荡缓冲作用越强。然而，当该气体容积过大时，压力波形中频率较高的有效成分可能被去除，比如动脉压力感受器研究中常用的台阶式压力刺激形式［3］，在气体容积达到1 000 mL时，不能形成有效的台阶式压力(如图3c)，从而影响实验效果。经多次试验，笔者发现当容器内气体量达到800 mL时，既能缓冲压力输出的过冲和振荡，又能保留压力波形中的有用成分(如图3B)，从而实现效果最佳的压力控制。图2Ad和图2Bd显示应用相同的压力指令，在颈动脉窦出口部位记录的压力波形，过冲和压力波动现象均得到明显改善。

3 讨论

电气比例调节阀是本压力控制系统中的核心控制元件。理想的压力调节系统应能实现压力的精确程序化控制［6-7］。市场上可购得的调节阀在响应速度、精度、敏感性等多方面很难达到预想的要求［7］。突出的问题是调节阀元件自身局限性所造成的过冲现象和压力振荡，尤其当输出压力变化速度较快、幅度较高时，会出现较大的过冲和振荡现象。如在本研究中电气比例调节阀输出的脉动式压力，在压力下降至波谷时，出现较大的过冲，由于动脉压力感受器对压力变化率相当敏感，这种过冲势必会影响实验条件的控制。解决办法就是在阀门输出端加一个缓冲装置。本研究中利用气液瓶中的气体来缓冲快速的压力变化。该缓冲装置等效于一个低通滤波器，把压力波中的高频成分滤掉。容器内部气体所占空间的大小对于压力变化中的高频成分影响较大，容积越大，滤波作用越强。在具体实验中，需要根据实验所要求压力波形，调节气液瓶的气体容积，获得满意的压力控制。容积过小，不能有效缓冲过冲和振荡现象，容积过大，则可能滤掉压力波形中频率较高的有效成分(如图3C)。经过多次实验，笔者发现，当气液瓶中的气体容积为800 mL时，既能保留压力波形中的有用部分，又能较好地滤除因调节阀输出产生的过冲和振荡。

另外，受到电气比例调节阀本身的最小输出压力、灵敏度、频率响应等内在特性的影响，本研究中电气比例调节阀输出的斜坡式压力在20 mmHg以下没有输出，且在压力输出的瞬间出现过冲现象及过冲后的震荡。由于动脉压力感受器的压力阈值高于20 mmHg，所以电气比例调节阀20 mmHg以下没有输出对实验效果没有影响，但压力输出的瞬间出现过冲现象及过冲后的震荡会影响实验的效果。当气液瓶中的气体容积为800 mL时能有效滤除该过冲现象及过冲后的震荡。