治療胃食管反流病的LES電刺激系統(tǒng)設計

三江學院電子信息工程學院 李兆基 陶萬軍 張 宇 徐小倩 盛紫荊

本文設計了一種植入式食管下括約肌（Low Esophageal Sphincter, LES）電刺激系統(tǒng)。系統(tǒng)主要有三個部分組成：體外主控模塊、體外發(fā)射模塊和體內接收模塊。其原理是由體外主控模塊產生合適的刺激信號，通過調制方式加載到高頻信號上，經功率放大后，通過發(fā)射線圈發(fā)出，體內接收模塊接收到體外發(fā)射模塊的信號后將其進行無源解調，獲得所需要的信號后對LES進行刺激，引起LES收縮，從而達到治療GERD的效果。通過系統(tǒng)有效性驗證實驗，驗證了該系統(tǒng)的可行性和有效性。

引言：胃食管反流（GERD，Gastro-esophageal Reflux Disease）是指十二指腸液、胃液或內容物反流入食管引起的一系列臨床不適癥狀以及食管的組織損害。GERD是全世界最常見的消化道疾病之一。西方國家GERD每年的平均發(fā)病率為101.3/萬。國內的數(shù)據(jù)顯示該病發(fā)病率呈現(xiàn)逐年上升的趨勢。GERD傳統(tǒng)治療方法存在停藥后復發(fā)、治標不治本，而手術治療存在較大創(chuàng)傷的弊端。因此尋找新的方法治療GERD成為了全球關注和研究的熱點。

植入式電子系統(tǒng)是微電子技術與醫(yī)學交叉的產物，也是當今醫(yī)學發(fā)展的新熱點，具有廣闊的應用前景。

目前國內尚無自主研發(fā)的用于治療GERD的抗反流植入式電子系統(tǒng)，而國外只有荷蘭EndoStim公司研制出LES刺激器。據(jù)其報道GERD患者經個性化調節(jié)刺激LES參數(shù)可以達到癥狀有效地改善，食管酸暴露程度和抑酸藥物攝入量明顯減少，并且在整個治療過程中未發(fā)生不良反應及并發(fā)癥。因此，LES電刺激對治療GERD是最具有前景的方法。

為了打破國外產品的壟斷填補國內技術領域的空白，本文自主研發(fā)了一種用于GERD的植入式LES刺激系統(tǒng)。這個系統(tǒng)采用的是信號無線傳輸技術，主要是解決傳統(tǒng)植入設備需要體內電池供電的問題。為了驗證系統(tǒng)是否能達到設計和治療的目的，本文還進行了LES電刺激系統(tǒng)有效性驗證。

1.系統(tǒng)硬件設計

本文設計了一套治療GERD植入式LES電刺激系統(tǒng)，主要由體外主控模塊、體外發(fā)射模塊和體內接收模塊三個部分組成，系統(tǒng)框圖如圖1-1所示。

1.1 體外主控模塊硬件設計

體外主控電路用于顯示系統(tǒng)狀態(tài)，接收用戶的控制信息，設置產生適合個體需求的刺激信號，并且還為體外發(fā)射電路提供可調的工作電壓。整個系統(tǒng)以STM32f103zet6最小系統(tǒng)為核心，其他模塊主要包括液晶觸摸屏模塊、刺激參數(shù)存儲模塊、數(shù)控升壓電源模塊、USB虛擬串口模塊、電源管理模塊和電池等組成。其結構框圖如圖1-2虛線框部分所示。

1.2 體外發(fā)射模塊硬件設計

體外發(fā)射模塊功能是將體外主控電路生成的低頻刺激脈沖序列調制到高頻載波上，然后進行功率放大后通過發(fā)射線圈發(fā)送到體內。體外發(fā)射模塊框圖如圖1-3左側部分所示。

1.3 體內接收模塊硬件設計

圖1-1 用于治療GERD的LES電刺激系統(tǒng)框圖

體內接收模塊的框圖如圖1-4右側部分所示，主要由接收線圈、檢波電路、低通濾波電路組成。為了考慮尺寸的盡可能的小和高集成度，采用PCB線圈作為體內接收線圈。檢波電路利用二極管的單向導通特性，將接收線圈并聯(lián)諧振網絡耦合得到的調幅信號負向信號削去，保留的正向信號再通過低通濾波電路將高頻分量濾除，從而獲得所需的刺激信號。由于體內接收模塊需要植入體內，為了避免植入后對人體組織造成傷害需要具有良好的生物相容性，本文采用PDMS作為封裝材料。

圖1-2 系統(tǒng)主控模塊框圖

圖1-3 體外發(fā)射模塊框圖

圖1-4 體內接收模塊框圖

2.LES電刺激系統(tǒng)有效性驗證

為了評定系統(tǒng)的有效性，首先需要建立一個合適的GERD動物模型。本實驗中采用家兔為實驗對象，為了盡可能保持正常的生理解剖結構，使用Forley導尿管球囊擴張的方法建立GERD動物模型。其原理是通過球囊機械擴張，使部分括約肌肌纖維拉長甚至斷裂，從而造成LES松弛。

實驗使用的測壓系統(tǒng)是八通道水灌注式食管測壓系統(tǒng)，此系統(tǒng)可以準確的采集LES靜息壓。通過分析LES的變化情況，可以得知系統(tǒng)是否有效。實驗開始時將鉑銥電極植入LES肌層中，使用設計的LES電刺激系統(tǒng)對造模后兔子進行電刺激，實驗場景如圖2-1所示。系統(tǒng)的刺激參數(shù)設置為：發(fā)射模塊供電電壓32V，脈寬208μs，頻率20Hz，連續(xù)刺激模式。使用水灌注測壓系統(tǒng)，分別測量60s 的刺激前、刺激時和刺激后的LES靜息壓，如圖2-2所示。

圖2-1 LES電刺激系統(tǒng)實驗場景

圖2-2 電刺激LES的壓力測量結果

由圖可見，對比刺激前、后兔子的靜息壓可知：電刺激LES后能夠增強LES壓力。同時肉眼可以觀察到兔子LES產生明顯的收縮。因此，初步驗證了所設計的系統(tǒng)對治療GERD是可行和有效的。

3.總結

本文主要介紹了用于治療胃食管反流病的植入式電刺激系統(tǒng)設計。制作過程中查閱了大量相關書籍和資料，首先完成了硬件設計前期相關技術報告的調查；然后完成了系統(tǒng)硬件的制作和實現(xiàn)；后期經過不斷的測試和相關參數(shù)的調節(jié)最終達到了設計的要求，最后通過了系統(tǒng)有效性的驗證，取得了一個較好的結果。

總體來說本文設計的電刺激系統(tǒng)具有一定的創(chuàng)新性和有效性，但是整個系統(tǒng)仍有些地方需要改進，如：如何使硬件更加輕便；如何讓用戶界面更加易用等。