頸動脈竇內壓力控制方法的改進

劉 萍 趙海燕 王 偉 魏 華 鈕偉真 黃海霞*

(1.首都醫科大學基礎醫學院生理學與病理生理學系，北京100069;2.首都醫科大學燕京醫學院生理教研室，北京100069;3.首都醫科大學醫學實驗與測試中心，北京100069)

動脈壓力感受性反射在維持機體動脈血壓穩態過程中發揮重要作用，精確控制竇內壓力是進行動脈壓力感受器功能研究的關鍵［1］。本研究室利用電氣比例調節閥建立了控制頸動脈竇壓力的自動化裝置，適用于頸動脈竇壓力感受器功能的研究［2］，然而該電氣比例調節閥輸出并作用于竇內的壓力存在明顯過沖和振蕩。為減少這一過沖和振蕩，我們在該壓力控制系統中添加一緩沖裝置，以保證應用該設備對頸動脈竇進行灌注時，對頸動脈竇區實現更理想的壓力控制。

1 材料與方法

1)頸動脈竇-竇神經(carotid sinus-carotid sinus nerve，CS-CSN)標本的制備:實驗采用成年家兔，體質量2 kg左右，雌雄不拘。動物以20%氨基甲酸乙酯(烏拉坦)5 mg/kg麻醉后，安置氣管插管。充分暴露頸動脈竇區。仔細游離任意一側頸動脈竇區和竇神經并取出包括頸總動脈7 mm、頸外動脈5 mm、頸內動脈5 mm、及竇神經7 mm的頸動脈竇-竇神經(CSCSN)標本。

2)灌流:應用本室自制的離體標本灌流-放電記錄一體化裝置［3-5］，對CS-CSN標本進行灌流。灌流液成分(mmol/L):NaCl 154，KCl 4.7，CaCl22.2，MgCl21.1，Glucose 5.5，用 HEPES-NaOH 調節灌流液 pH 值到7.4，持續用純氧平衡(以抑制頸動脈體化學感受器的放電)，溫度保持在36～37℃。

3)設置參數:根據實驗需求，事先用 pClamp7.0軟件編輯各種波形的壓力刺激文件［2］。編輯過程中設定壓力刺激的波形、時程、強度、頻率等多種參數。實驗過程中，應用pClamp7.0軟件運行壓力波形文件，由D/A轉換器(DigiData 1200A，Axon Instrument，USA)輸出對應于壓力的電壓指令，控制電氣比例調節閥(PRE-U，Hoerbiger，Deutschland)，執行壓力的鉗制。本實驗中采用的電氣比例調節閥(量程為0～200 mmHg。1 mmHg=0.133 kPa)本質上是一個通過改變氣體流量調節氣壓的自動化閥門(圖1)。壓力調節閥直接輸出的是氣壓，然而，生理條件下，需要灌流液為血管和神經提供必要的氧氣和營養，而頸動脈竇血管壁上的壓力感受器需要壓力刺激。因此，壓力調節閥輸出的氣壓無法直接用于控制頸動脈竇內的壓力，為此必須將壓力傳輸的介質改換為液體。將壓力調節閥輸出口與灌流液瓶的氣相相通，瓶口密閉，這樣灌流壓的介質由氣體被轉換為液體。壓力調節閥根據指令調節氣源(100%高壓純氧，0.15 MPa)的輸出壓力，進而驅動密閉容器內的灌流液和控制竇內壓力。本系統還將壓力換能器(YH-4，國產，圖1-e)置于竇內灌流出口處，以監測竇內壓。竇內灌流液流量由設于灌流液出口處的控制閥(圖1-f)控制。

2 結果

由于氣體的可壓縮性，灌流液瓶中氣相部分的容積對壓力的傳輸存在顯著影響。當瓶中氣體所占容積很小時，無論應用三角波指令(圖2Aa，頻率100次/min，壓力120～80 mmHg)，還是應用斜坡指令(圖2Ba，從0 ～200 mmHg，以20 mmHg/s的速度升高)，在頸動脈出口端記錄的波形明顯過沖和振蕩(圖2Ab，Bb)。

圖1 頸動脈竇內灌流壓力控制系統Fig.1 Setup for perfusing CS-CSN preparation and controlling intrasinus pressure

為解決液壓控制過程中出現的壓力過沖和振蕩，實驗中嘗試增加灌流液瓶氣體所占的容積，發現逐漸增加氣液瓶中的氣體容積，可緩沖壓力調節閥輸出壓力的過沖和振蕩。如圖2Ab～d及圖2 Bb～d分別表示采用三角坡(圖2Aa)和斜波壓力指令(圖2Ba)時，頸動脈竇內壓力的變化曲線，證明容器內氣體容積越大，對壓力調節閥輸出壓力的過沖和振蕩緩沖作用越強。然而，當該氣體容積過大時，壓力波形中頻率較高的有效成分可能被去除，比如動脈壓力感受器研究中常用的臺階式壓力刺激形式［3］，在氣體容積達到1 000 mL時，不能形成有效的臺階式壓力(如圖3c)，從而影響實驗效果。經多次試驗，筆者發現當容器內氣體量達到800 mL時，既能緩沖壓力輸出的過沖和振蕩，又能保留壓力波形中的有用成分(如圖3B)，從而實現效果最佳的壓力控制。圖2Ad和圖2Bd顯示應用相同的壓力指令，在頸動脈竇出口部位記錄的壓力波形，過沖和壓力波動現象均得到明顯改善。

3 討論

電氣比例調節閥是本壓力控制系統中的核心控制元件。理想的壓力調節系統應能實現壓力的精確程序化控制［6-7］。市場上可購得的調節閥在響應速度、精度、敏感性等多方面很難達到預想的要求［7］。突出的問題是調節閥元件自身局限性所造成的過沖現象和壓力振蕩，尤其當輸出壓力變化速度較快、幅度較高時，會出現較大的過沖和振蕩現象。如在本研究中電氣比例調節閥輸出的脈動式壓力，在壓力下降至波谷時，出現較大的過沖，由于動脈壓力感受器對壓力變化率相當敏感，這種過沖勢必會影響實驗條件的控制。解決辦法就是在閥門輸出端加一個緩沖裝置。本研究中利用氣液瓶中的氣體來緩沖快速的壓力變化。該緩沖裝置等效于一個低通濾波器，把壓力波中的高頻成分濾掉。容器內部氣體所占空間的大小對于壓力變化中的高頻成分影響較大，容積越大，濾波作用越強。在具體實驗中，需要根據實驗所要求壓力波形，調節氣液瓶的氣體容積，獲得滿意的壓力控制。容積過小，不能有效緩沖過沖和振蕩現象，容積過大，則可能濾掉壓力波形中頻率較高的有效成分(如圖3C)。經過多次實驗，筆者發現，當氣液瓶中的氣體容積為800 mL時，既能保留壓力波形中的有用部分，又能較好地濾除因調節閥輸出產生的過沖和振蕩。

另外，受到電氣比例調節閥本身的最小輸出壓力、靈敏度、頻率響應等內在特性的影響，本研究中電氣比例調節閥輸出的斜坡式壓力在20 mmHg以下沒有輸出，且在壓力輸出的瞬間出現過沖現象及過沖后的震蕩。由于動脈壓力感受器的壓力閾值高于20 mmHg，所以電氣比例調節閥20 mmHg以下沒有輸出對實驗效果沒有影響，但壓力輸出的瞬間出現過沖現象及過沖后的震蕩會影響實驗的效果。當氣液瓶中的氣體容積為800 mL時能有效濾除該過沖現象及過沖后的震蕩。

圖2 不同容積的緩沖系對調節閥施加于頸動脈竇內的灌流壓的影響Fig.2 Effects of different buffer volumes on intrasinus perfusion pressure supplied by the regulating valve

圖3 不同容積的緩沖系對調節閥施加于頸動脈竇內的臺階式灌流壓的影響Fig.3 Effects of different buffer volumes on intrasinus step pressure supplied by the regulating valve

［1］鈕偉真，劉東霞.離體頸動脈竇壓力感受器活動研究方法.心血管生理學與臨床［M］.北京:高教出版社，2004:568-571.

［2］魏華，趙海燕，劉萍，等.離體頸動脈竇壓力感受器研究方法的改進——竇內壓的自動控制［J］.中國應用生理學雜志，2013，29(1):88-91.

［3］趙海燕，鈕偉真.心血管腎臟生理學實驗技術方法及其進展［M］.西安:第四軍醫大學出版社，2010:249-250.

［4］趙海燕，鈕偉真.竇神經壓力感受器聚類分析［J］.首都醫科大學學報，2009，30(5):658-663.

［5］劉廷會，鈕偉真.芐阿米洛利和釕紅對頸動脈竇壓力感受器放電的阻斷作用［J］.首都醫科大學學報，2011，32(2):218-223.

［6］易小林，王敏彥，范振中，等.單片機控制的頸動脈竇區自動灌流系統的研究［J］.中國應用生理學雜志，2001，17(3):318-310.

［7］范振中，易小林，孫光啟，等.單片機自動灌流控制器［J］.中國醫學物理學雜志，1999，16(2):96-98.