基于經皮低頻電刺激的電子孕婦止吐儀的設計與研發

路鶴晴，楊林，王文剛

1.同濟大學附屬第一婦嬰保健院 設備科，上海 201204；2.昆明法羅適科技有限公司，云南 昆明 650000

引言

經皮神經電刺激療法（Transcuataneous Electrical Nerve Stimulation，TENS）是一種通過皮膚表面將特定的頻率脈沖電流輸入人體緩解疼痛等癥狀的方法。目前，該技術已廣泛地應用于臨床，如緩解疼痛（分娩疼痛、慢性腰痛、慢性盆腔疼痛、偏頭痛等）、緩解惡心嘔吐、治療失眠、腦卒中偏癱患者的康復訓練、治療腦卒中后吞咽障礙等[1-6]。

自20世紀90年代，美國利用經皮神經電刺激方法研發的止吐儀在緩解嘔吐癥狀上取得很大進展。例如，WOODSIDE BIOMEDICAL公司的Relief Band是一款采用此方法佩戴于腕部的電子止吐儀[7-10]，于2000年獲得美國FDA認證（FDA510k文號：K994387），對緩解孕吐，術后、化療所致嘔吐有顯著的臨床效果。目前該產品已經廣泛應用于緩解孕吐、暈車／船、術后及化療后嘔吐等[11]。

電子孕婦止吐儀是一種新型的體外經皮神經電刺激性醫療器械。基于先進的程控脈沖發生器，電子孕婦止吐儀可通過周期性地發出低頻電子脈沖波引起的神經沖動傳遞到大腦，調節嘔吐中樞，達到止嘔鎮吐的效果。可輔助妊娠劇吐患者達到止嘔等治療作用。電子孕婦止吐儀設計的目的是為了通過這種簡單的、非侵入性、非藥物性的治療方法，控制、緩解孕婦在妊娠期間惡心、嘔吐和干嘔的癥狀，達到止嘔鎮吐的輔助治療作用，且對孕婦和胎兒無不良反應和毒副作用。

1 現狀

1.1 必要性

妊娠劇吐（Hyperemesis Gravidarum，HG）是一種嚴重的妊娠早孕反應。以頻繁劇烈嘔吐、嚴重惡心，不能進食，為主要臨床表現的癥候群，對妊娠結局影響巨大[12-13]。惡心和嘔吐作為孕期常見癥狀，超過半數妊娠婦女均出現，且近年來有上升趨勢。嚴重程度與持續時間因人而異，最常見于孕程6周左右出現，8～10周達高峰，正常者于12周左右逐漸減輕至消失[14]。但是孕婦作為一類特殊人群，因嘔吐頻繁，不能進食，長期饑餓會導致孕婦體重快速下降，電解質紊亂，脂質代謝中間產物酮體積聚，引起代謝性酸中毒，嚴重時會引起肝腎功能衰竭，并引發韋爾尼克腦病，甚至威脅孕婦生命。同時，由于孕婦長期營養不良，且生活質量和身心健康均受到巨大影響，還會影響胎兒的生長發育，甚至導致流產死胎[15]。因此，對妊娠劇吐患者實施及時有效的治療和護理顯得非常重要。目前采取的方法主要有：心理治療、藥物治療、靜脈補液、穴位治療等。

（1）心理療法。妊娠劇吐的病因至今不明，目前普遍認為是生理因素和心理社會因素共同作用的結果，持續的惡心、嘔吐作為不良刺激可影響孕婦，導致其心理健康水平下降，下降的心理健康水平又可反過來加劇妊娠劇吐。因此，在臨床護理工作中,維護患者的心理健康水平顯得尤為重要[13]。不過，由于看護者給予孕婦的心理支持的力度和專業水平存在較大差異，所以其治療效果相對有限[8]。

（2）藥物治療。目前，采用藥物療法在妊娠期間治療孕吐癥狀，仍是存在爭議的。例如滅吐靈、氯丙嗪及反應停等止吐類藥物，一方面費用較高；另一方面，此類藥物可導致胚胎畸形，均屬于孕期、特別是孕早期禁用藥,且孕婦及家屬也恐懼用藥過多會影響胚胎生長發育[16]。

（3）靜脈補液。目前治療孕婦妊娠劇吐的治療以靜脈補液為主，調節水電解質紊亂和酸堿平衡失調，補充能量，抑制脂肪動員，降低尿酮體，及時補充足夠的熱卡為胚胎發育提供必要的營養物質，安全性高[17]。然而，該方法短時間內止吐效果不理想，食欲恢復慢；需要持續時間較長，且患者后續可能會造成孕婦高血糖、肝功能不全或上癮等風險[8,18]。

（4）穴位療法。穴位療法是一種快捷有效且不影響胚胎發育的治療孕吐的方法，可減少因出現嚴重并發癥而終止妊娠，如針灸、耳穴貼冷敷等[17,19]。若聯合靜脈補液和心理治療能達到標本兼治的效果[17]。但由于孕吐的癥狀通常持續數周，所以針刺的替代品可能更適用于該癥狀的治療。

1.2 充分性

國外臨床報道，為避免妊娠劇吐對孕婦自身和胎兒生長發育造成的傷害，采用經皮電神經刺激器作用于患有嚴重惡心癥狀的孕婦手腕掌側的P-6穴位處，可有效緩解孕婦在妊娠期間惡心、嘔吐和干嘔的癥狀，達到止嘔鎮吐的輔助治療作用，且對孕婦和胎兒無不良反應和毒副作用[8]。

2009年修訂版的指令明確規定，對2012年后啟動的CDM項目的減排指標采取不同的處理方式，如果來自最不發達的發展中國家，則原則上照單收下，而如果不是來自這些國家，則需要簽署多邊或者雙邊的協定。也就是說，如果南非德班新一輪氣候談判甚至2012年年底卡塔爾談判無法達成全球關于2012年后京都第二承諾期減排協議，我國2012年年底之后注冊項目產生的減排量將無法在國際市場進行交易。

（1）從患者方面分析。經皮電神經刺激療法可以讓患有妊娠劇吐的患者緩解妊娠劇吐癥狀，從飲食中補充各種營養物質，促進胎兒健康地生長發育。同時，也可以改善患者的心理健康水平，讓患者擁有更好的生活質量。

（2）從醫院層面分析。經皮電神經刺激療法通過緩解孕吐，且對孕婦和胎兒無不良反應和毒副作用[8]，從而可進一步降低孕產婦的并發癥發生率及胎兒的發育不良或流產的概率。同時，也降低了產科門診產檢就診的壓力，緩解了醫生工作的強度。

（3）從國家層面分析。有助于國家關于優生優育的政策的實施，為全面提高我國新生兒人口素質的國家戰略做出重要貢獻。

2 設計開發

中醫針灸臨床防治急性“呃逆”與嘔吐主要針刺穴位是內關、足三里、合谷等，特別是內關穴位應用頻率最高。內關穴在中醫經典著作《靈樞?經脈》中定位于腕橫紋上2寸中線處，即在兩筋之間，屬于手厥陰心包經，既是本經穴又是八脈交匯穴之一，通于陰維脈。手厥陰之絡由此別出沿本經通過肘、肩關節上行于心包。主治情志失和、氣機阻滯而致肺氣上逆、胃氣上逆以及氣滯經絡、氣滯血瘀所致的呃逆、嘔吐等病癥。

由于內關穴通于陰維脈，陰維脈聯系足太陰、少陰、厥陰經并會于任脈還與陽明經相合，以上經脈都循行于胸脘脅腹，故內關善治癥候為胸痛、胃痛、孕吐、暈車、頭痛、惡心欲吐、心絞痛、月經痛、呃逆、精神異常等。

電子止吐儀是在TENS基礎上研制的新型體外經皮神經刺激性醫療器械。由儀器產生的持續性、低頻率脈沖電流輸出方式對局部皮膚進行刺激，不但具有比較好的鎮痛效果，而且對于多種惡心嘔吐性癥狀也具有很好的抑制效果。

電子止吐儀放置內關穴，經皮對其穴位進行適宜電刺激，由于對內關穴的刺激所激發的經氣可通過經絡（或感覺傳入神經或血脈）傳入直達病所，開胸行氣、降逆止嘔，而達到治療的目的。本方法體現了中醫穴“內病外治，下病治上”的基本治療原則。

3 總體功能

系統構成包括CPU主控單元、脈沖生成單元、供電單元、控制單元及面板顯示單元。其中CPU主控單元用于產生脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）信號（圖1），并根據所述PWM信號的相位信息，產生兩個控制脈沖PULSE+、PULSE-；脈沖生成單元用于根據所述兩個控制脈沖PULSE+、PULSE-生成相位相反、幅度相同的可調刺激電脈沖。

圖1 PWM信號的示意圖

圖2 脈沖生成單元框架圖

供電單元用于向所述CPU主控單元和脈沖生成單元供電。控制單元用于控制所述電子止吐儀處于工作或休眠兩種工作狀態，以及可調刺激電脈沖的強度檔位的轉換。面板顯示單元用于顯示當前電子止吐儀的工作狀態、當前可調刺激電脈沖的強度檔位及電池狀態。脈沖生成單元框架圖，見圖2。

4 電路模塊組成

4.1 CPU主控單元

CPU主控單元電路結構圖，見圖3。分別控制6個發光二極管的工作，按鍵檢測，電池檢測，PWM信號產生，以及工作脈沖相位檢測及對應檢測結果產生兩個控制脈沖PULSE+，PULSE-；控制系統進入工作狀態或進入休眠狀態。

內部振蕩器與晶體提供CPU工作時鐘。CPU主控單元的單片機芯片，其中，引腳1為PULSE+輸出，引腳2為PULSE-輸出，引腳44為PWM信號輸出，引腳19～24分別與6個LED連接；開關控制單元為PNP型三極管，其中，發射極與芯片的引腳VCC連接，基極與芯片的引腳44連接，集電極通過電感負載、整流二極管、積分電容與升壓變壓器連接；兩個電極控制單元為NPN型三極管，其中，兩個集電極分別與升壓變壓器連接，兩個基極均接地，兩個發射極分別與芯片的引腳1和引腳2連接；脈沖相位反饋單元為運算放大器，輸入端連接于積分電容與升壓變壓器之間，輸出端與芯片的引腳38、引腳42和引腳43連接；控制單元為一按鍵開關，按鍵開關一端接地，另一端與芯片的引腳VCC及引腳34連接。

4.2 脈沖生成單元

脈沖生成單元電路圖，見圖4。此單元完成PWM信號的生成、調制、輸出功能。核心芯片具有低延時，低功耗的特點；設計簡單、易于編程。可根據用戶設置要求調整波形種類、頻率等參數。

圖3 CPU主控單元電路結構圖

圖4 脈沖生成單元電路圖

開關控制單元、限流單元、整流單元、積分單元、脈沖相位反饋單元、兩個電極控制單元、升壓變壓器及電極；所述開關控制單元、限流單元、整流單元、積分單元、升壓變壓器及電極依次連接；兩個電極控制單元分別與升壓變壓器連接。脈沖相位反饋單元用于感知所述PWM信號的脈沖信號的相位，并將該相位信息送入CPU主控單元。

PWM信號為22 kHz可調脈沖個數的內部脈沖，振幅為5 V峰值（Peak to Peak，P-P），所述PNP型三極管33 Hz頻率導通；所述可調刺激電脈沖頻率為33 Hz，振幅分為第一檔空載從10 V P-P以每隔30 ms（33 Hz）遞增直到60 V P-P；最高檔空載從10 V P-P以每隔30 ms遞增直到350 V P-P。

（1）由CPU產生的PWM信號，22 kHz可調脈沖個數的內部脈沖，以33 Hz頻率控制開關三極管Q2的導通，通過電感負載L2限流及整流二極管D9的作用，及電容C4的積分作用，產生幅度可調的33 Hz功率脈沖，供給升壓變壓器T1～T3工作。

（2）U1的作用是感知33 Hz的脈沖的相位，將相位信息傳給CPU，CPU跟據所收到的相位信息，分別產生兩個控制脈沖PULSE+，PULSE-，以控制兩個開關管Q1、Q3分別導通,在升壓變壓器次級即有效作用電極產生相位相反，幅度相同，幅度可調的刺激電脈沖。

（3）BATTERY_CHECK_IN信號供給CPU，以檢測電池狀況。

4.3 控制單元

儀器的工作與休眠按鍵有關，休眠狀態下，按一下按鍵，儀器開始工作于第一檔，快速按一下，儀器會轉到第二檔，依此類推，到達第五檔后再按一下，回到第一檔，如此循環。在任一檔工作時間，長按按鍵超過兩秒，儀器會關掉，進入休眠狀態。實際產品，見圖5。控制單元電路圖，見圖6。

4.4 供電單元

電池部分經過兩個二極管分別給CPU主控及脈沖產生器供電，第一個二極管D7還可以防止電池正負極接反，以保護儀器內部不會損壞。

圖5 實際產品正面（上）和背面（下）

圖6 控制單元電路圖

5 系統軟件

系統軟件包括引導加載程序、μCLinux內核、用戶應用程序。引導加載程序BootLoader是系統加電后運行的第一段代碼，它的任務是硬件設備初始化，設置堆棧，將內核映象從Flash讀到SDRAM中，然后跳轉到內核的入口點運行，即開始啟動操作系統。為了最大地利用系統硬件資源，并且還要保證實時控制，所以使用了μClinux這個多任務實時操作系統，通過它實現多任務實時控制。程序的編程語言為C語言以及ARM匯編語言。μClinux的所有源代碼都作為本程序的一部分，并與其它代碼一起進行編譯和鏈接。

6 結論

本方案提供的電子止吐儀起效迅速，開通幾分鐘后即可起效，可以在癥狀產生前或出現后使用；不含藥物，不會產生藥物的副作用；佩戴方便，不影響駕駛交通工具和駕駛設備。具有多級強度檔位，可根據不同的應用人群進行自我調節和控制，以達到最舒適的狀態；可更換電池，反復使用，一次更換可連續使用200 h左右。經臨床試驗，該產品針對緩解孕婦惡心，嘔吐和干嘔癥狀的臨床總有效率為78.6%。

本文編輯 袁雋玲