預防深靜脈血栓的小型經皮神經電刺激系統*

葉燕語，王金武,2△，萬克明

(1.上海交通大學生物醫學工程學院，上海 200030；2.上海骨科內植物重點實驗室，上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院，上海 200011)

1 引 言

深靜脈血栓(deep vein thrombosis，DVT)是圍手術期常見的并發癥，其導致的靜脈瓣膜功能不全會使患者肢體殘疾，并發的肺栓塞會危及患者生命。美國普外手術后的 DVT發病率為40%，危重患者的DVT發病率更是高達80%。一項針對亞洲7國的骨科圍手術期DVT發病率的研究指出，在關節置換手術后，亞洲人群的DVT發病率為43.2%，而且近年來還在不斷增加。目前我國73.3%的醫院已開始針對預防深靜脈血栓制訂護理規范[1]。

深靜脈血栓的形成有三個要素：血液高凝態，血管壁損傷以及血流滯緩。這一理論在19世紀50年代由Virchow首次提出，因此被稱為“Virchow三要素”(Virchow’s triad)。

目前臨床常用的物理預防DVT方法有間歇充氣加壓、梯度壓力彈力襪和足底靜脈泵這三種。但是機械壓力式的方法易引起發熱出汗和腓總神經麻痹等不適感，患者依從性較差，而且外部施加的壓力很難作用于深層靜脈，無法完全解決患者深靜脈血栓形成的風險[2]。

針對傳統機械加壓式物理預防方法的不足，國外研究人員發現，對下肢腓總神經進行特定的電刺激可以加快靜脈血液回流，對淺表靜脈和深層靜脈都有著良好的效果，起到預防DVT的作用[3]。

本研究研制的小型經皮神經電刺激器就是利用電刺激引起小腿腓總神經支配的肌肉收縮，擠壓肌肉周邊和內部的靜脈血管，進而促進靜脈血液回流，達到預防深靜脈血栓的目的。

2 系統硬件設計

2.1 整體方案設計

系統整體框圖見圖1，由PIC12F675微處理器、AD轉換、升壓電路、脈沖釋放電路、銀漿薄膜等構成。我們研制的小型電刺激系統使用CR2032紐扣電池作為電源，先通過升壓電路將電壓由3 V升至90 V，然后再通過主要由三極管搭建的脈沖釋放電路輸出至銀漿薄膜，再經由導電水凝膠作用于人體小腿的腓總神經處。

圖1 系統總體框圖Fig 1 System block diagram

2.2 單元電路設計

2.2.1主控芯片外圍電路 PIC12F675微處理器是一款高性能、低功耗8位CMOS 單片機。工作頻率在0～20 MHz，具有寬工作電壓范圍2.0～5.5 V。帶有1 K的Flash Rom，64 B的SRAM以及128 B的EEPROM。6個可編程的I/O中有A/D通道輸入，外部電平變化中斷輸入，比較器輸入等功能。當電壓為2.0 V時，待機電流典型值為1 nA。當頻率為32 kHz時，工作電流典型值為8.5 μA；當頻率為1 MHz 時，工作電流典型值為100 μA。其低功耗的特點適用于可穿戴設備，且價格便宜，使用方便，體積小，能夠快速完成項目的開發[4]。

本研究采用PIC12F675微處理器的3.0V工作模式，通過兩個GPIO引腳分別控制升壓電路和脈沖釋放電路。兩個GPIO引腳連接按鍵，控制刺激強度。當刺激強度降為0檔位時，單片機進入待機狀態。還有1個GPIO口作為A/D轉換的輸入，當電刺激器從人體脫落時，由于負載變大會引起電路中電壓的變化，通過A/D轉換可以判斷此時電刺激器是否為脫落狀態，當脫落狀態超過3 min時，系統會自動進入待機狀態。

圖2PIC12F675外圍電路

Fig2PIC12F675peripheralcircuit

2.2.2升壓電路 經過前期測試，作用于水凝膠的電壓需要達到60 V以上，才能有效刺激神經引起肌肉收縮。由于電源為3 V鋰電池，所以需要使用升壓電路將電壓升高。升壓電路見圖3。

通過控制GP0的電平來實現三極管Q1的導通與截止。在電感儲存能量的過程中，GP0為高電平，三極管導通，流經電感L的電流隨時間線性增大，電感儲存的能量增加。

在電感釋放能量的過程中，GP0為低電平，三極管Q1截止，由于電感L的電流保持特性，會產生感生電動勢，給電容C1充電，達到升壓的目的。

圖3 升壓電路Fig 3 Boost circuit

2.2.3脈沖釋放電路 通過控制施加在人體上的脈沖電流強度和脈沖寬度可以實現不同強度的刺激效果。根據前期預實驗初步篩選的結果，電流強度設置為四個水平(10、20、30、40 mA)，脈沖寬度設置為三個水平(100、300、500 μs)，刺激頻率為1 Hz。所以總的刺激參數有12組。見表1。

表1 經皮神經電刺激序列Table 1 Transcutaneous nerve electrical stimulation sequences

脈沖釋放電路見圖4，通過控制Vh的電壓和Q2導通的時間來實現不同刺激強度的輸出。Port_E為銀漿薄膜。

圖4脈沖釋放電路

Fig4Pulsereleasecircuit

2.3 系統實物圖

整個系統實物圖見圖5。采用CR2032紐扣電池為系統提供3 V電壓，可以連續工作不低于32 h，使用時將設備貼附于小腿腓總神經處即可。

圖5 系統實物圖Fig 5 System physical map

3 軟件設計

軟件底層驅動主要有以下幾部分：升壓控制模塊、AD采樣模塊、脈沖寬度控制模塊等。代碼編寫使用C語言和匯編語言混合編寫，調試與仿真都采用MPLAB IDE集成開發環境，軟件編寫使用PICKIT2。軟件系統總流程見圖6。

4 系統測試結果與分析

4.1 實驗設備與志愿者準備

本研究涉及醫學倫理，按照《涉及人的生物醫學研究倫理審查辦法》規定進行。采用GE醫療公司的Voluson E8 彩色多普勒超聲診斷系統測量人體下肢腘靜脈血流狀況，見圖7。實驗選取了12名健康受試者(6男6女)，其平均年齡為24歲，平均身高為166 cm，平均體重為56 kg，平均身體質量指數為20.3 kg/m2。

圖6 軟件流程圖Fig 6 Software flow chart

圖7 電刺激狀態下受試者下肢腘靜脈內的血流波形

Fig7Dopplerwaveformsrecordedinresponsetoelectricalstimulations

實驗結果見圖8。下虛線是受試者在靜息狀態下的平均峰值血流速度(8.86 cm/s)，上虛線是受試者在足背屈狀態下的平均峰值血流速度(45.32 cm/s)。圖9為舒適度評分結果。

4.2 統計分析

使用SPSS 19.0統計分析軟件對實驗獲取的數據進行處理，在使用雙因素方差分析確定電流強度和脈沖寬度之間無交叉影響后，對實驗數據進行單因素方差分析。使用Tukey HSD方法完成事后檢驗。實驗統計結果以均值和方差的形式給出，當P<0.05時，認為統計結果有顯著性差異。

圖8 電刺激峰值血流速度結果Fig 8 Mean peak venous velocity

圖9 電刺激舒適度評分Fig 9 VAS scores

4.3 實驗結果分析

不同強度等級的電刺激對峰值血流速度的影響見圖8。未施加電刺激時腘靜脈基線峰值血流速度為8.86 cm/s。將施加電刺激之后的各組數據與基線峰值血流速度比較，僅第1組(10 mA，100 μs)和第4組(20 mA，100 μs)無顯著性差異(P值分別為1和0.102)，其余各組數據均有顯著性差異(P<0.05)。將施加電刺激之后的各組數據與足背屈狀態相比，有四組數據存在顯著性差異：第8、9、11和12組(P值分別為0.048、0.023、<0.001與0.001)。

實驗結果顯示，電刺激可以顯著地增加腘靜脈內的峰值血流速度，在一定范圍內，峰值血流速度隨電流幅值與脈寬的增加而不斷升高。但是當超過一定限度，在本研究中為第12組(40 mA、500 μs)電刺激參數時，峰值血流速度不再升高反而出現下降趨勢。受試者的VAS舒適度評分結果顯示，隨刺激強度的升高，受試者的舒適度逐漸降低，其中前4組電刺激受試者的舒適度處于輕度不適的范圍，第5至11組處于中度不適的范圍，僅第12組屬于重度不適的范圍。

5 結束語

我們研制的小型電刺激器相比于傳統的梯度壓力彈力襪和間歇充氣加壓泵，使用方便，不引起發熱出汗，不壓迫神經[5]，將經皮神經電刺激應用于深靜脈血栓的預防，彌補了傳統的物理預防方法的諸多不足，電極與主機一體化的設計符合可穿戴式設備的設計要求[6]。但舒適度不足，電池壽命短，后續研究工作主要為優化刺激參數和降低功耗。