Powerlab在竇內(nèi)壓力控制中的應(yīng)用

劉 萍 張思韜 黃海霞 王 偉 趙海燕

(1.首都醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院生理學(xué)與病理生理學(xué)系，北京 100069；2. 首都醫(yī)科大學(xué)燕京醫(yī)學(xué)院機(jī)能教研室，北京 101300)

動(dòng)脈壓力感受性反射，又稱穩(wěn)壓反射，是機(jī)體維持動(dòng)脈血壓穩(wěn)態(tài)的重要調(diào)節(jié)機(jī)制[1]。該反射的壓力感受器位于頸動(dòng)脈竇和主動(dòng)脈弓血管外膜下的神經(jīng)末梢，主要作用是通過感受血管內(nèi)壓力變化對(duì)血管壁的牽張刺激并將其轉(zhuǎn)變?yōu)榭上蛑袠袀鬟f的電信號(hào)，即機(jī)電換能作用。然而，由于其結(jié)構(gòu)細(xì)微、分散，研究比較困難。目前壓力感受器的機(jī)電換能過程的各個(gè)環(huán)節(jié)均不清楚?？刂祁i動(dòng)脈竇竇內(nèi)壓并記錄竇神經(jīng)的壓力依賴性放電是研究壓力感受器機(jī)電換能機(jī)制的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)技術(shù)，精確控制竇內(nèi)壓力是其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[2]。本課題組早期利用電氣比例調(diào)節(jié)閥建立了控制頸動(dòng)脈竇壓力的自動(dòng)化裝置，該裝置需利用pclamp軟件編輯刺激命令作用于電氣比例調(diào)節(jié)閥以控制高壓氣源的壓力輸出，推動(dòng)灌流液以實(shí)現(xiàn)竇內(nèi)壓力控制[2-3]。然而使用pclamp軟件編輯刺激命令存在方法復(fù)雜、易出錯(cuò)等缺點(diǎn)。目前許多實(shí)驗(yàn)操作系統(tǒng)都能完成多種形式的刺激輸出，例如Powerlab labchart 5軟件(澳大利亞，AD Instruments公司)可輸出正弦式、臺(tái)階式、斜坡式等多種刺激，均適合動(dòng)脈壓力感受器功能研究。為此，本課題組利用Powerlab labchart 5開發(fā)了調(diào)節(jié)電氣比例調(diào)節(jié)閥的方法，構(gòu)建了一套簡便、可靠的竇內(nèi)壓力控制系統(tǒng)。

1 材料與方法

1.1 頸動(dòng)脈竇-竇神經(jīng)標(biāo)本的制備

實(shí)驗(yàn)采用體質(zhì)量2 kg左右成年家兔。以20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))氨基甲酸乙酯(烏拉坦)5 mg/kg將動(dòng)物麻醉后，安置氣管插管，充分暴露頸動(dòng)脈竇區(qū)，仔細(xì)游離頸內(nèi)外動(dòng)脈及竇神經(jīng)，并取出包括頸總動(dòng)脈、頸內(nèi)外動(dòng)脈及竇神經(jīng)的頸動(dòng)脈竇-竇神經(jīng)標(biāo)本。注意應(yīng)盡可能保留竇神經(jīng)的長度，長度最好不少于7 mm。

應(yīng)用自制的離體標(biāo)本灌流-放電記錄一體化裝置[2-3]，對(duì)頸動(dòng)脈竇-竇神經(jīng)標(biāo)本進(jìn)行灌流。灌流液成分：NaCl 154 mmol/L，KCl 4.7 mmol/L，CaCl22.2 mmol/L，MgCl21.1 mmol/L，葡萄糖5.5 mmol/L，用HEPES-NaOH調(diào)節(jié)pH值到7.4，持續(xù)用純氧平衡(以抑制頸動(dòng)脈體化學(xué)感受器放電)，溫度保持在36～37 ℃。

1.2 壓力刺激的編輯和輸出

從Powerlab labchart 5中的刺激輸出選項(xiàng)中選擇合適的壓力波形，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要對(duì)該波形的時(shí)程、強(qiáng)度、頻率進(jìn)行重新設(shè)置，形成實(shí)驗(yàn)所需要的壓力波形文件。實(shí)驗(yàn)過程中，應(yīng)用Powerlab labchart 5軟件運(yùn)行壓力波形文件，該壓力文件經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為與壓力波形相對(duì)應(yīng)的電壓指令，該電壓指令可以用來控制電氣比例調(diào)節(jié)閥(PRE-U,德國Hoerbiger公司)。電氣比例調(diào)節(jié)閥本質(zhì)上是一個(gè)通過改變氣體流量以達(dá)到調(diào)節(jié)氣壓的自動(dòng)化閥門(圖1a)。壓力調(diào)節(jié)閥根據(jù)指令調(diào)節(jié)氣源(100%高壓純氧，0.15 MPa)的輸出壓力，此輸出壓力驅(qū)動(dòng)密閉容器內(nèi)的灌流液(圖1b)進(jìn)入血管內(nèi)以達(dá)到控制竇內(nèi)壓力的目的。電器比例調(diào)節(jié)閥具有不同量程，本研究根據(jù)需要選擇量程為0～200 mmHg(1 mmHg=0.133 kPa)。在實(shí)驗(yàn)過程中將一個(gè)壓力換能器(YH-4，北京航天醫(yī)學(xué)工程研究所，圖1e)連于竇內(nèi)灌流出口處，用以監(jiān)測竇內(nèi)壓。同時(shí)在液體出口處連接一個(gè)控制閥(圖1f)來控制竇內(nèi)灌流液的流量。詳見圖1。

2 結(jié)果

2.1 脈動(dòng)式壓力控制模式的實(shí)現(xiàn)

為模擬頸動(dòng)脈竇的生理性壓力刺激，脈動(dòng)式壓力是實(shí)驗(yàn)中常采用的模式，而正弦波形規(guī)律性的周期性波動(dòng)與頸動(dòng)脈竇的生理性刺激類似。所以本實(shí)驗(yàn)中采用正弦波形。實(shí)驗(yàn)前，只需在Powerlab labchart5的刺激輸出波形中選擇正弦波形，然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要在參數(shù)設(shè)置窗口中設(shè)置該正弦波的基線、頻率、振幅。圖2展示的是壓力換能器檢測到的基線為100 mmHg、頻率為3Hz、振幅為40 mmHg的正弦波刺激命令輸出的壓力波形，以及該壓力刺激下的竇神經(jīng)的放電?？梢娫撓到y(tǒng)能夠準(zhǔn)確地輸出既定的壓力信號(hào)，并引起竇神經(jīng)的壓力依賴性放電活動(dòng)。

圖1 竇內(nèi)灌流及竇內(nèi)壓控制系統(tǒng)Fig.1 Sinus perfusion and internal pressure control system

圖2 正弦波壓力刺激下記錄到的竇神經(jīng)放電Fig.2 Sinus nerve discharge recorded by sinusoidal pressure stimulation

2.2 斜坡式壓力控制模式

為研究動(dòng)脈壓力感受器在整個(gè)壓力域內(nèi)的壓力-放電功能特點(diǎn)，常常使用竇內(nèi)斜坡式壓力刺激。在Powerlab labchart 5的刺激輸出波形中選擇斜坡刺激，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要限定該斜坡刺激的參數(shù)，如開始高度、結(jié)束高度及持續(xù)時(shí)間。圖3所示是0～200 mmHg、歷時(shí)20 s的斜坡式壓力刺激命令下的竇內(nèi)壓以及該刺激作用于頸動(dòng)脈竇時(shí)記錄到的竇神經(jīng)放電?？梢婋S著竇內(nèi)壓力的增加，竇神經(jīng)放電逐漸增強(qiáng)，刺激停止后竇內(nèi)壓即刻恢復(fù)，響應(yīng)速度為0.23 s。

圖3 斜坡式壓力刺激下記錄的竇神經(jīng)放電Fig.3 Sinus nerve discharge recorded by ramp pressure stimulation

3 討論

竇內(nèi)壓力的精確控制是研究動(dòng)脈壓力感受器功能的關(guān)鍵技術(shù)。最初研究人員利用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)蠕動(dòng)泵實(shí)現(xiàn)頸動(dòng)脈竇區(qū)自動(dòng)灌流及壓力控制[4-5]，需要實(shí)驗(yàn)者自己編程寫入單片機(jī)。這種控制方法對(duì)實(shí)驗(yàn)者的程序編寫能力要求較高，不利于被廣泛使用。本實(shí)驗(yàn)室曾經(jīng)利用電氣比例調(diào)節(jié)閥建立了控制頸動(dòng)脈竇壓力的自動(dòng)化裝置，該裝置利用pclamp軟件編輯刺激命令，調(diào)節(jié)電氣比例調(diào)節(jié)閥以控制高壓氣源的壓力輸出，推動(dòng)灌流液對(duì)頸動(dòng)脈竇進(jìn)行內(nèi)灌流，實(shí)現(xiàn)對(duì)竇內(nèi)壓力的控制。然而pclamp軟件編輯刺激命令時(shí)，首先需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求編輯刺激命令。由于pclamp軟件只能編輯兩點(diǎn)間的線性變化刺激命令，若實(shí)驗(yàn)需要一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的刺激波形時(shí)，編輯過程中需要設(shè)置眾多參數(shù)，方法相對(duì)復(fù)雜，容易出錯(cuò)。例如想要實(shí)現(xiàn)脈動(dòng)式的壓力刺激時(shí)，首先得通過設(shè)置起始時(shí)間、持續(xù)時(shí)間以及刺激的時(shí)間變化率等參數(shù)，編輯兩個(gè)連續(xù)變化的階段刺激命令，以形成一個(gè)三角波形刺激命令，然后重復(fù)該三角波形來實(shí)現(xiàn)波動(dòng)式的壓力刺激。而Powerlab實(shí)驗(yàn)操作系統(tǒng)刺激輸出模塊中已設(shè)定有多種刺激形式，如正弦波、斜坡等多種適合動(dòng)脈壓力感受器研究需要的刺激形式，實(shí)驗(yàn)中只需對(duì)該波形的特征性參數(shù)如正弦波的頻率、振幅、基線進(jìn)行設(shè)定，就能輸出所需要的刺激形式，操作簡單方便。且Powerlab操作系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)過程中可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要實(shí)時(shí)地對(duì)刺激的形式以及大小進(jìn)行修改，無須停止實(shí)驗(yàn)，操作簡便快捷。而pclamp軟件則需要先停止實(shí)驗(yàn)，修改壓力刺激文件，再重新開始實(shí)驗(yàn)并運(yùn)行文件才能實(shí)現(xiàn)壓力刺激參數(shù)的修改。所以筆者利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的Powerlab實(shí)驗(yàn)操作系統(tǒng)中的刺激輸出功能替代原先的pclamp軟件構(gòu)建了一套竇內(nèi)壓力控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)操作簡便且能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)脈壓力感受器功能研究所需要的多種壓力刺激模式。

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