兔膀胱肌電體表檢測的實驗研究

袁天琪 李承晏 俞小梅

膀胱功能的評價多采用尿動力學檢查,包括經膀胱或尿道壓力測定、尿流率測定以及尿道外括約肌肌電圖等[1]。這些都是有創檢查,給病人帶來不適和痛苦,影響病人的接受以及檢查結果的客觀性。膀胱體表肌電檢測是將體表電極放置在膀胱體表皮膚上,記錄膀胱逼尿肌肌電活動,是一種無創的評估膀胱功能的檢測手段。自從20世紀50年代早期開始,國內外進行了一些檢測逼尿肌肌電活動的動物實驗研究[2-8]。這些研究多將記錄電極直接插入膀胱壁,記錄充盈狀態下通過藥物或電刺激誘導膀胱收縮時產生的膀胱平滑肌肌電信號,這些記錄到的肌電活動不能代表生理狀態下的平滑肌肌電信號。國內從麻醉家兔上的體表成功地記錄到正常生理性充盈及收縮排尿時的膀胱平滑肌肌電活動,但麻醉會引起肌肉松弛,也不能代表生理狀態下的肌電信號[9]。本實驗旨在探討家兔清醒狀態下體表記錄膀胱信號的檢測方法及肌電信號特征。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 健康成年雄性家兔3只(兔齡6～8個月,體重1.8～2.5 kg,由武漢生物制品研究所提供);RM-6240多通道生理信號采集處理系統(成都儀器廠);壓力一電能轉換器YPl00型(成都儀器廠);絕緣圓盤表面電極(美國VIASYS Healthcare公司,型號：019-409000);壓力管(成都儀器廠);8號單腔導尿管;剃毛刀;酒精;生理鹽水等。

1.2 方法

1.2.1 動物處理 在室溫20～25℃且具有一定屏蔽作用的實驗室,將家兔取仰臥背位固定于金屬固定臺(金屬固定臺用一粗導線與RM-6240多通道生理信號采集處理系統地線相連)。從一側耳緣靜脈以30滴/分鐘左右速度持續靜滴0.9%生理鹽水,增加家兔排尿次數。

1.2.2 體表膀胱肌電的記錄 本實驗將兩對一次性粘附表面電極分別置于膀胱體部以及膀胱體側來記錄膀胱體表肌電,即一對縱向電極記錄體部,一對橫向電極記錄膀胱側部。預先對膀胱體表部位進行備皮,降低表面電極-皮膚阻抗。先剃須刀剃毛,再用75%酒精脫脂待干,然后將表面電極牢固固定于相應部位(以減少電極移動產生運動偽差對膀胱肌電信號的影響)。具體部位如下：兩記錄電極(負極)分別置于恥骨上約2.0 cm的腹中線區域以及恥骨上3.0 cm腹中線旁開1.0 cm處,將參考電極(正極)置于距相應記錄電極2 cm處,接地電極置于兩側大腿根部(靠近記錄部位且運動時相對穩定)。所有電極均通過導線與RM 6240多道生理信號采集處理系統的生物電檢測通道相連(生物電通道,參數根據預實驗設置：采樣頻率：20 kH z,時間常數(DC)：0.002 s(80H z);濾波頻率：500 Hz;掃描速度：200 ms/div;靈敏度：500μV/div;50H z陷波開)。將記錄的肌電信號經RM 6240系統自帶的軟件濾波“高通濾波”進一步處理后,再測量并統計1通道和2通道肌電信號的平均峰值(μV)、最大振幅(μV)、頻率(hz)及壓力通道排尿期最大壓力值(cmH 2O)、壓力改變值(最大壓力值-閾壓力)(cmH 2O)。

1.2.3 膀胱內壓力信號的記錄 將家兔陰莖及會陰部消毒后插入經石蠟油潤滑的8號單腔導尿管,有尿液流出證實尿管已插入膀胱內,固定導尿管,并將尿管開口接于壓力管,壓力管通過壓力換能器連于RM 6240多道生理信號采集處理系統的壓力檢測通道。(壓力通道,參數根據預實驗設置：壓力cm H2 O;200m s/div;50 cm H 2O;直流;30 Hz)。

1.2.4 觀測指標及處理 同步顯示并實時記錄不同部位肌電信號以及膀胱壓力變化,硬盤存儲并測量、分析數據。實驗過程中觀測貯尿期及排尿期不同通道信號變化,以及心率、呼吸、肢體抖動等對肌電信號的影響。每只兔每次實驗重復觀察10個排尿周期,每3天重復一次實驗,共重復4次。

1.2.5 統計學處理 采用SPSSl6.0版統計軟件進行分析,數據均以均數±標準差(±s)表示;膀胱不同部位肌電信號的各項指標(包括平均振幅、最大振幅、頻率)采用獨立樣本t檢驗進行差異性分析,P＜0.05為差異有統計學意義。兩個通道肌電信號振幅之間采用Spearman作相關分析;膀胱不同部位記錄肌電信號與膀胱內壓的相關性分析：將膀胱體表肌電的平均峰值、最大振幅分別與排尿期最大壓力值、壓力改變值作相關分析,采用Spearman相關分析。

2 結 果

2.1 膀胱體表肌電的圖形特征

連續同步記錄膀胱體表肌電以及膀胱內壓,結果顯示：貯尿期,1通道和2通道均未記錄到明顯的肌電信號,膀胱內壓也無明顯變化,呈持續低壓狀態;排尿期,1通道和2通道記錄到包含一系列幅度不等動作電位的脈沖串樣肌電信號,為膀胱肌電活動的爆發,并伴隨膀胱內壓明顯升高,壓力曲線呈拋物線樣改變,如圖1所示。

圖1 排尿期不同部位肌電信號及膀胱內壓變化

2.2 不同部位膀胱體表肌電信號差異性及相關性分析

肌電信號圖形顯示：1通道和2通道記錄到的膀胱表面肌電信號形態非常相似,為伴隨膀胱排尿發生的爆發性肌電活動。1通道爆發波頻率為(141.89±15.03)HZ,平均振幅為(146.99±30.39)μV,最大振幅為(591.23±194.34)μV;2通道爆發波頻率為(143.55±21.74)HZ,平均振幅為(117.12±34.12)μV,最大振幅為(488.76±215.72)μV,見表1。差異性分析結果顯示：體部膀胱體表肌電信號較側部膀胱肌電信號明顯,平均振幅及最大振幅均大于側部,差異有統計學意義,平均振幅(t=7.160(P＜0.01)、最大振幅 t=3.866(P＜0.01);兩個通道肌電信號頻率無統計學差異,P=0.497。相關性分析結果顯示：二者平均振幅、最大振幅之間明顯相關,相關系數分別為r1=0.362(P＜0.01),r2=0.487(P＜0.01)。

表1 排尿期不同部位肌電信號振幅及頻率(±s)

表1 排尿期不同部位肌電信號振幅及頻率(±s)

注：與2通道比較,#P＜0.01,▲P＞0.05

記錄部位脈沖串數(個)平均振幅(μV)最大振幅(μV)頻率(Hz)1通道(體部) 120 146.99±30.39#591.23±194.34#141.89±15.03▲2通道(側部) 120 117.12±34.12 488.76±215.72 143.55±21.74

2.3 不同部位膀胱體表肌電信號與膀胱內壓的關系

從圖形上看,隨著膀胱內壓的變化,表面肌電信號振幅也相應地增強或減弱。將兩個通道表面肌電信號的平均振幅、最大振幅分別與膀胱內壓的最大壓力值、壓差值作相關性分析,結果顯示：表面肌電信號與膀胱內壓顯著相關,為正相關。平均振幅與最大收縮壓相關系數分別為R1=0.803(P＜0.01),R2=0.467(P＜0.01);平均振幅與壓差值作相關系數分別為R3=0.797(P＜0.01),R4=0.470(P＜0.01);最大振幅與最大收縮壓相關系數分別為R5=0.743(P＜0.01),R6=0.530(P＜0.01);最大振幅與壓差值作相關系數分別為R7=0.743(P＜0.01),R8=0.530(P＜0.01)。1通道肌電信號相對2通道,與膀胱內壓相關性更明顯。

2.4 其他干擾信號

在記錄膀胱體表肌電過程中,家兔始終處于清醒狀態,這樣便于了解實驗過程中家兔的心電、呼吸、肢體運動等是否對膀胱體表肌電信號有影響。結果表明：貯尿期除家兔肢體運動時產生運動偽跡外,無明顯肌電信號及膀胱內壓改變,心電、呼吸偽差以及胃腸道平滑肌肌電對膀胱體表肌電無明顯影響。但是,清醒狀態家兔肌電檢測易受到家兔肢體運動影響,產生大量的運動偽跡。家兔肢體運動時產生的偽跡信號與膀胱體表肌電明顯不同,不伴隨家兔自主排尿及膀胱內壓明顯上升,而且運動偽跡均一性和重復性差,頻率不固定、波幅不規則且明顯小于膀胱體表肌電,易將膀胱肌電信號與偽跡信號區分開來,如圖2。

圖2 運動偽跡及膀胱肌電信號 左圖為家兔肢體抖動時運動偽跡及膀胱壓力變化;右圖為家兔自主排尿時肌電信號及膀胱壓力變化

3 討 論

表面肌電信號(surface EMG,sEMG)是將檢測電極放置在皮膚表面測得的EMG信號,用來檢測相應位置內部肌肉的動作電位,是一種無創的EMG檢測方法,目前已廣泛運用于臨床。區別于傳統的插入式直接肌電檢測,表面肌電圖肌肉中運動單位的動作電位不是在肌纖維上直接采集,而是大量肌纖維運動單位同時興奮電位募集,電流通過各種組織如肌肉組織、皮下組織、皮膚甚至骨骼這樣一個復雜的容積導體,在皮膚表面間接的被體表電極檢測到[10]。它與肌肉的活動狀態和功能狀態存在著不同程度的關聯,能在一定程度上反映神經肌肉的電活動。但是由于平滑肌電信號本身比較微弱,且從體內傳導到皮膚受到肌肉和組織等組織容積的衰減作用,到達皮膚時已經非常微弱,同時易受心電、皮膚電等生物電和呼吸偽差、運動偽跡的影響,尚遠遠不及不上心電、骨骼肌電的發展[11～13]。近年來子宮以及胃腸等體表平滑肌電檢測迅猛發展已逐漸推廣并應用于臨床,但是膀胱體表肌電目前國內外研究很少。

本研究記錄的肌電信號波形顯示：在整個記錄過程中,圖形基線穩定,受心電及呼吸偽差影響較小。貯尿期未記錄到明顯的肌電信號改變,僅家兔躁動時可見形態、振幅不一的脈沖串,且重復性、均一性差,不伴隨膀胱內壓的明顯升高,較易與家兔自主排尿時膀胱肌電信號區別開來。以往研究多采用直接膀胱壁肌電檢測,實驗中記錄電極直接與膀胱接觸,膀胱收縮排尿時難免會因電極與膀胱組織間移動產生偽跡信號,從而嚴重干擾真實的比較微弱膀胱肌電信號[14]。而表面肌電檢測表面電極不與膀胱壁直接接觸,可以避免膀胱排尿時膀胱收縮與電極產生的電機械偽跡信號。本研究還表明：雖然膀胱肌電信號比較微弱,但是通過嚴密的實驗設計,包括皮膚的處理、表面電極的選擇、肌電檢測裝置的獨立接地以及生物信號采集系統對肌電信號的處理,能夠記錄到比較明顯的膀胱體表肌電。

本研究對象為未經麻醉的清醒家兔,記錄的圖形可以客觀地反映生理狀態下正常生理性充盈及收縮排尿時的膀胱平滑肌肌電活動。實驗結果顯示：貯尿期,膀胱體表兩個部位均未記錄到明顯的電信號,膀胱內壓也無明顯升高;膀胱自發性非等容性收縮排尿時,膀胱體表兩個部位均記錄到重復性和均一性好的肌電信號,為包含一系列幅度不等動作電位的脈沖串,實為膀胱肌電活動的爆發。與國外電刺激骶神經根[5]及Kinder等快速充盈和直接電刺激膀胱壁[6]時記錄直接膀胱壁肌電信號圖形相似。張等研究發現家兔麻醉狀態的直接膀胱壁肌電信號和膀胱體表肌電信號[9]形態相似,與本研究一樣,均為脈沖串樣的肌電信號。大量的研究已證明,逼尿肌肌電圖記錄的是細胞外信號,是由于鈣通道開放Ca2+內流引起肌膜去極化產生的,只有大量平滑肌細胞協調、同步收縮產能記錄到明顯肌電信號。大多數平滑肌組織都是依靠縫隙連接來實現眾多平滑肌纖維的同步電活動,為單一單位的平滑肌。雖然到目前為止尚未在逼尿肌發現“典型的縫隙連接”,但逼尿肌組織中發現的突觸連接和超近橋粒可能作為一種特殊的縫隙連接,來實現膀胱平滑肌同步收縮的[15]。膀胱逼尿肌本身沒有自律性,不能自發地引起整個膀胱的收縮。但也有研究表明膀胱實際是存在著自發性電活動及收縮活動,但是這種自發性電活動比較微弱,只能引起膀胱局部的收縮[16],因而在貯尿期并不能記錄到明顯的肌電信號。排尿期膀胱逼尿肌在神經協調下作為一個功能整體起反應,通過特殊的縫隙連接結構實現神經沖動從神經支配的肌細胞向無神經支配的肌細胞傳遞,從而使大量肌纖維運動單位同時興奮電位募集,電流經過體內諸多組織后達到體表皮膚被體表電極記錄下來,表現為肌電活動的爆發。膀胱體表肌電信號記錄是膀胱平滑肌總的電活動,包含許多幅度不等的動作電位。

本實驗中用的兩對電極分別在膀胱體部及側部引導膀胱肌電,均在排尿期記錄到明顯的肌電信號。肌電信號波形相似,為脈沖串樣電信號;且二者與膀胱內壓也呈明顯正相關,這表明膀胱體表部位均能記錄到反映膀胱功能的膀胱肌電信號。本實驗兩個部位膀胱體表肌電指標差異性結果顯示：二者頻率無統計學差異;膀胱體部體表記錄肌電信號振幅明顯高于體側體表,差異有統計學意義。兩個通道肌電信號與膀胱內壓相關性分析顯示：1通道較2通道與膀胱內壓相關性更為明顯。振幅是肌電圖的重要指標,反映肌電信號的強度。振幅與參與活動的運動單位數目有關,以往的研究發現在膀胱體主要分布的是膽堿能受體,a-腎上腺素能受體稀少,從而經體部體表引導可以采集到更多的募集電位。此外,膀胱體表肌電信號是體內逼尿肌運動單位興奮電位募集的電流通過一系列組織容積傳導到體表,信號的強弱還與距體表的距離有關系。膀胱收縮時,膀胱體部更加接近體表,衰減相對較弱,從而肌電信號更為明顯。所以我們認為從膀胱體部記錄到的肌電信號可能更能真實地代表膀胱的肌電活動。

本實驗成功地從體表記錄到生理狀態下的膀胱肌電信號,并對其特征進行了分析。到目前為止,膀胱平滑肌電信號的檢測仍多限于動物實驗,人類膀胱肌電檢測較少,從動物實驗過渡到臨床仍有較長的一段路。

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