不同脈寬骶神經根電刺激對兔膀胱排尿功能的影響研究

陳 雪，閆 鵬，夏 鵬，包天翼，楊小玉*，昝春芳*

(1.吉林大學第二醫院 骨科，吉林 長春130041;2.吉林省人民醫院 脊柱外科，吉林 長春130021)

不同脈寬骶神經根電刺激對兔膀胱排尿功能的影響研究

陳 雪1，閆 鵬2，夏 鵬1，包天翼1，楊小玉1*，昝春芳1*

(1.吉林大學第二醫院 骨科，吉林 長春130041;2.吉林省人民醫院 脊柱外科，吉林 長春130021)

目的 探討不同脈寬電刺激對膀胱排尿功能產生的影響，明確能夠產生完全陽極阻滯的脈寬。方法 本實驗共納入60只兔，用于解剖學研究10只，余50只隨機分為對照組(10只)和脊髓損傷組(40只)。采取尿流動力學檢查證實，造模之后分為模型組和電刺激組。采用不同脈寬對電刺激組實驗兔的骶神經根進行電刺激，檢測陰極電流到達陽極并能發生完全陽極阻滯的脈寬。結果 在電流升至0.03 mA時，尿道壓力隨之遞增，但膀胱內壓并無波動；刺激電流達0.15 mA時，膀胱內壓開始有所變化；直至刺激電流達1 mA時，在刺激結束時可見少量尿液流出。在此基礎上，逐步升高電刺激組的刺激參數，尿道內壓表現為先升高再下降；直至刺激的脈寬為300 μs，同時電流升至1.05 mA時，尿道內壓降到零，膀胱內壓緩慢升高，此時膀胱內壓約為43.99 cmH2O，有尿液流出。結論 刺激參數：脈寬為300 μs且電流為1.05 mA可作為后續實驗的陽極阻滯電刺激參數。

脊髓損傷；神經源性膀胱；電刺激；電極；骶神經根

(ChinJLabDiagn,2017,21:1453)

脊髓損傷致神經源性膀胱繼而引發的尿路感染、急慢性腎功能不全或衰竭等重度病癥是此類病人最常見的死因[1-3]，而神經電刺激技術現已可作為重新建立膀胱代償功能的治療方式[4-6]。陽極阻滯電刺激技術[7,8]有希望為脊髓損傷致神經源性膀胱患者創建一項能夠代替生理性排尿的新型模式。由于當前脊髓神經可塑性研究暫無出現實質性進展，所以此項技術很有可能成為幫助脊髓損傷后神經源性膀胱患者重建排尿功能的突破口。明確能夠產生完全陽極阻滯的脈寬是進行后續功能性實驗的基礎。因此，本實驗將探討不同參數脈寬電刺激對膀胱排尿所能夠產生的功能變化。

1 材料與方法

1.1 對象與分組

60只清潔級新西蘭白兔(由吉林大學白求恩醫學部動物實驗場提供)，雌雄不限，體重2.2-2.4 kg，在正規動物房歷經兩周的喂養之后開展預期實驗。

選取10只動物僅僅用于解剖結構探究，余50只白兔隨機分為對照組(n=10)和脊髓損傷組(n=40)。后組采用尿流動力學檢查證實，分為模型組和電刺激組。實驗相關處理均滿足倫理學要求。

1.2 實驗儀器

多通道電生理儀/BL420-E生物機能試驗系統(成都泰盟科技有限公司)，實驗用骶神經根電刺激器和刺激電極(吉林大學)。

1.3 實驗試劑

速眠新Ⅱ和蘇醒靈4號(吉林大學農學部)。

1.4 實驗方法和步驟

1.4.1 解剖學觀察 取10只實驗兔進行解剖學研究，熟悉白兔骶神經根的解剖結構，同時取實驗兔雙側S2-S3前根，福爾馬林固定、切片、HE染色，光鏡下測量。

1.4.2 尿流動力學檢測 對50只實驗兔行尿流動力學檢查，具體檢查過程詳見參考文獻[9]。本實驗中檢測的客觀指標大概包含：排尿容積、殘存尿量、膀胱靜息壓、膀胱順應性、逼尿肌最大壓及尿道括約肌肌電等。

1.4.3 神經源性膀胱模型建立及篩選 于手術之前禁食水(6 h)，先利用速眠新II麻醉(0.15 mL/kg)，備皮及皮膚消毒后鋪無菌單，依次切開，暴露棘突及椎板，脊髓損傷組動物切除椎板，以止血鉗阻斷全部脊髓大概1 min，至觀察到其抖動消失為止，即建立完全性脊髓損傷模型[10]。

脊髓損傷組于術后10天復查尿流動力學檢查，篩選神經源性膀胱動物模型，具體檢查過程同前。再次隨機分組，分為模型組和電刺激組。

1.4.4 骶神經前根電刺激 ?尿道及膀胱壓力測定 將2根測壓管插入電刺激組兔膀胱內，并將測壓管另一端與壓力換能器相連，此時兩測壓管讀數相等為膀胱靜息壓，將測壓管向外漸漸移動，直到膀胱測壓管讀數不變但尿道測壓管讀數最大[11]。對測壓管縫合并加固之后，調零壓力傳感器并校準其基線。 ?刺激電極植入 移除電刺激組兔椎板之后，暴露骶神經前根和后根，分離并切斷兩側S1-S4骶神經后根完成去傳入。利用電極對骶神經前根行電刺激，按照電刺激期間膀胱內壓的升高水平來評估能夠支配膀胱逼尿肌的神經根，之后各自放入一枚刺激電極，縫合并加固電極。術后次日拍腰椎X線片，查看電極是否還處于良好的位置之中。?刺激及記錄 采用電極行電刺激期間，于尿道內壓為零時，匯總刺激參數；繼而向膀胱內緩慢輸注適溫鹽水，按該參數繼續電刺激，記錄排尿體積、膀胱內壓及殘余尿量。電刺激組動物在電極移植后第二天起，每天進行6次陽極阻滯電刺激排尿和排便，每次約15-30分鐘，并在刺激四周后，均復查尿流動力學，作組間比較。

1.5 統計學處理

2 結果

2.1 測量骶神經前根直徑

處死用于解剖學研究的兔10只，切其兩側S2和S3神經前根，固定、染色、切片后于鏡下測定其直徑。數據示：S2和S3神經前根的直徑均是0.05cm，基于此數據，我們設置實驗所用電極的直徑是0.05cm。

2.2 實驗動物存活及排除情況

白兔共50只，術后對照組死1只，脊髓損傷組死6只，神經源性膀胱組檢查之后未納入3只。再次隨機分組后，模型組死7只，電刺激組死1只(見表1)。于置入電極和行電刺激期間，因為神經根受損導致尿道及膀胱內壓的電刺激反應程度降低而未納入6只，終究納入對照組(9只)、模型組(9只)、電刺激組(8只)。

表1 實驗動物存活情況

2.3 陽極阻滯電刺激參數的選擇結果

電刺激開始階段，設置脈寬是50 μs，電流是0.01 mA，頻率是20 Hz開始刺激。當平均刺激電流達0.03 mA時，尿道壓力升高，此時雙下肢輕微抖動，膀胱內壓仍為零。增加刺激電流達0.15 mA，膀胱內壓逐步緩慢上升，直至刺激電流達1 mA，此過程仍未見尿液排出，僅在刺激結束時，見少量尿液流出，另在增加刺激電流過程中可見雙下肢抖動逐漸增強。

在此基礎上，逐步升高電刺激組刺激的參數，尿道內壓表現為先升高再下降；直至刺激的脈寬為300 μs，同時電流升至1.05 mA時，尿道內壓降低為零。此過程中膀胱內壓緩慢升高(見圖2)，當尿道內壓降到零時，膀胱內壓約43.99 cmH2O,有尿液流出。在刺激量遞增的過程之中，兔雙下肢的抖動漸漸變少，最終無抖動。

圖1 刺激電流增加過程中尿道內壓變化趨勢

圖2 刺激電流增加過程中膀胱內壓變化趨勢

3 討論

本實驗符合標準而納入的8只兔全部成功在電刺激下排尿，且每只兔至少有1對神經根在電刺激時引起了膀胱內壓及尿道內壓的升高，這顯示所建模型的傳出神經通路是完整的，符合實驗標準。另有6只兔因在電刺激時其膀胱內壓和尿道內壓變化不典型或未測及，不符合標準而未納入。究其原因，可能是骶神經前根分離或者刺激電極的置入造成神經損傷，亦可能是電刺激時測壓管脫管所導致，因此未進行后續電刺激實驗。8只電刺激組兔，開始階段采取短時脈寬，間斷刺激。其原理與Brindley的SARS技術[12-14]類似，主要是基于橫紋肌和平滑肌兩者不同的收縮特性。與正常人排尿機制所不同，電刺激下的膀胱功能基本是依靠間歇期逐步升高的膀胱內壓來完成。我們的實驗研究結果亦證實了這一點，往往要通過有限次數的間歇式電刺激才能夠排出尿液。

在此實驗中，我們還發現以50 μs的脈沖，低電流(0.01-0.1 mA)刺激兩側骶神經根時，外尿道和肛門括約肌、盆底和下肢肌肉可產生一定的變化。但是電流并未達膀胱逼尿肌的變化閾值，所以并未測到膀胱內壓是否增加。僅僅在刺激電流高到一定程度時(>0.15 mA)，才能測到膀胱內壓升高(圖2)。然而，高電流刺激并未導致尿液的排出，這可能是因為尿道外括約肌亦發生作用，在尿道關閉后壓力超過逼尿肌的壓力。我們還發現在刺激電流遞增的過程中，由于支配下肢的軀體運動神經逐漸興奮，下肢抖動也會逐漸劇烈，這就啟發我們可以采用長時脈寬，遞增刺激電流的辦法克服上述缺點。

Rijkhoff[15-17]在犬類陽極阻滯電刺激實驗中發現，起始的阻滯在脈寬為150 μs時發生，當脈寬超過400 μs時，能獲得最大阻滯。基于這些數據，本實驗設定初始的刺激脈寬為50 μs。數據顯示尿道內壓表現為先升高后下降(圖 1)，緣由也許為在刺激初始階段，當刺激電流強度高于軀體運動神經的閾值時，尿道外括約肌最先變化，當刺激電流達某個強度時，軀體運動神經均已被激活，遞增刺激電流強度，尿道內壓雖不會變動，但在遠端的陽極電流高于軀體運動神經的停滯閾值，呈現陽極阻滯，尿道內壓降落，直到刺激電流達全部軀體運動神經都被滯礙的強度。

另外，盡管本實驗并未探究尿道相關肌肉的具體活性，但電刺激肛周確實可以引起脊髓反射，所以進一步亦可引起尿道外括約肌興奮[18-20]。因此，功能性電刺激手段確實可作為重新建立膀胱代償功能的重要方式。綜上，本實驗明確了能夠產生完全陽極阻滯的脈寬，以期為更多研究提供理論基礎。

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Effects of different pulse width sacral nerve root electrical stimulation on bladder micturition function

CHENXue,YANPeng,XIAPeng,etal.

(Orthopedics,theSecondHospitalofJilinUniversity,Changchun,130041,China;Orthopedics,JilinProvincePeople’sHospital,Changchun130021,China)

Objective To investigate the effect of different pulse width electrical stimulation on bladder micturition function and clear the pulse width of producing full anodal blocking.Methods This experiment included 60 rabbits,10 in the study of anatomy and 50 were randomly divided into the control group (10) and the spinal cord injury group (40).The latter group was randomly divided into the neurogenic bladder group and the sacral nerve root stimulation group after urodynamic screening.The sacral nerve roots of the rabbits in the electric stimulation group were stimulated in different pulse width,and the pulse width of producing full anode retardation was detected.Results When the average stimulation current was up to 0.03 mA,urethral pressure could be measured to increase and bladder pressure remained zero.The stimulation current was up to 0.15 mA,bladder pressure could be detected,until the stimulation current was up to 1 mA,a small amount of urine flew.Subsequently,the pulse width and stimulation current of the electric stimulation group gradually increased,and it were observed that the urethral pressure increased and then decreased.When the pulse width of average stimulation was up to 300 s and the average stimulation current was at 1.05 mA,urethral pressure dropped to zero,the intravesical pressure increased slowly,and then the urine flew.Conclusion The stimulation pulse width of 300US and stimulation current of 1.05mA could be used as the stimulus parameters of anodal blocking in the follow-up experiment.

spinal cord injury;neurogenic bladder;electrical stimulation;electrode;sacral nerve root

吉林省科技廳產業技術創新戰略聯盟項目(20150309002GX) 和吉林省科技型中小企業技術創新基金(SC201502001)

1007-4287(2017)08-1453-04

R681.5+4

A

2017-05-15)

*通訊作者