頸動脈竇內(nèi)壓力控制方法的改進(jìn)

劉 萍 趙海燕 王 偉 魏 華 鈕偉真 黃海霞*

(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)院生理教研室，北京100069;3.首都醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)與測試中心，北京100069)

動脈壓力感受性反射在維持機(jī)體動脈血壓穩(wěn)態(tài)過程中發(fā)揮重要作用，精確控制竇內(nèi)壓力是進(jìn)行動脈壓力感受器功能研究的關(guān)鍵［1］。本研究室利用電氣比例調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)閥輸出并作用于竇內(nèi)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(tǒng)中添加一緩沖裝置，以保證應(yīng)用該設(shè)備對頸動脈竇進(jìn)行灌注時(shí)，對頸動脈竇區(qū)實(shí)現(xiàn)更理想的壓力控制。

1 材料與方法

1)頸動脈竇-竇神經(jīng)(carotid sinus-carotid sinus nerve，CS-CSN)標(biāo)本的制備:實(shí)驗(yàn)采用成年家兔，體質(zhì)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(qū)。仔細(xì)游離任意一側(cè)頸動脈竇區(qū)和竇神經(jīng)并取出包括頸總動脈7 mm、頸外動脈5 mm、頸內(nèi)動脈5 mm、及竇神經(jīng)7 mm的頸動脈竇-竇神經(jīng)(CSCSN)標(biāo)本。

2)灌流:應(yīng)用本室自制的離體標(biāo)本灌流-放電記錄一體化裝置［3-5］，對CS-CSN標(biāo)本進(jìn)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(diào)節(jié)灌流液 pH 值到7.4，持續(xù)用純氧平衡(以抑制頸動脈體化學(xué)感受器的放電)，溫度保持在36～37℃。

3)設(shè)置參數(shù):根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(shè)定壓力刺激的波形、時(shí)程、強(qiáng)度、頻率等多種參數(shù)。實(shí)驗(yàn)過程中，應(yīng)用pClamp7.0軟件運(yùn)行壓力波形文件，由D/A轉(zhuǎn)換器(DigiData 1200A，Axon Instrument，USA)輸出對應(yīng)于壓力的電壓指令，控制電氣比例調(diào)節(jié)閥(PRE-U，Hoerbiger，Deutschland)，執(zhí)行壓力的鉗制。本實(shí)驗(yàn)中采用的電氣比例調(diào)節(jié)閥(量程為0～200 mmHg。1 mmHg=0.133 kPa)本質(zhì)上是一個(gè)通過改變氣體流量調(diào)節(jié)氣壓的自動化閥門(圖1)。壓力調(diào)節(jié)閥直接輸出的是氣壓，然而，生理?xiàng)l件下，需要灌流液為血管和神經(jīng)提供必要的氧氣和營養(yǎng)，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(diào)節(jié)閥輸出的氣壓無法直接用于控制頸動脈竇內(nèi)的壓力，為此必須將壓力傳輸?shù)慕橘|(zhì)改換為液體。將壓力調(diào)節(jié)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(zhì)由氣體被轉(zhuǎn)換為液體。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，進(jìn)而驅(qū)動密閉容器內(nèi)的灌流液和控制竇內(nèi)壓力。本系統(tǒng)還將壓力換能器(YH-4，國產(chǎn)，圖1-e)置于竇內(nèi)灌流出口處，以監(jiān)測竇內(nèi)壓。竇內(nèi)灌流液流量由設(shè)于灌流液出口處的控制閥(圖1-f)控制。

2 結(jié)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(dāng)瓶中氣體所占容積很小時(shí)，無論應(yīng)用三角波指令(圖2Aa，頻率100次/min，壓力120～80 mmHg)，還是應(yīng)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(nèi)灌流壓力控制系統(tǒng)Fig.1 Setup for perfusing CS-CSN preparation and controlling intrasinus pressure

為解決液壓控制過程中出現(xiàn)的壓力過沖和振蕩，實(shí)驗(yàn)中嘗試增加灌流液瓶氣體所占的容積，發(fā)現(xiàn)逐漸增加氣液瓶中的氣體容積，可緩沖壓力調(diào)節(jié)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(shí)，頸動脈竇內(nèi)壓力的變化曲線，證明容器內(nèi)氣體容積越大，對壓力調(diào)節(jié)閥輸出壓力的過沖和振蕩緩沖作用越強(qiáng)。然而，當(dāng)該氣體容積過大時(shí)，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(dá)到1 000 mL時(shí)，不能形成有效的臺階式壓力(如圖3c)，從而影響實(shí)驗(yàn)效果。經(jīng)多次試驗(yàn)，筆者發(fā)現(xiàn)當(dāng)容器內(nèi)氣體量達(dá)到800 mL時(shí)，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(shí)現(xiàn)效果最佳的壓力控制。圖2Ad和圖2Bd顯示應(yīng)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(xiàn)象均得到明顯改善。

3 討論

電氣比例調(diào)節(jié)閥是本壓力控制系統(tǒng)中的核心控制元件。理想的壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)壓力的精確程序化控制［6-7］。市場上可購得的調(diào)節(jié)閥在響應(yīng)速度、精度、敏感性等多方面很難達(dá)到預(yù)想的要求［7］。突出的問題是調(diào)節(jié)閥元件自身局限性所造成的過沖現(xiàn)象和壓力振蕩，尤其當(dāng)輸出壓力變化速度較快、幅度較高時(shí)，會出現(xiàn)較大的過沖和振蕩現(xiàn)象。如在本研究中電氣比例調(diào)節(jié)閥輸出的脈動式壓力，在壓力下降至波谷時(shí)，出現(xiàn)較大的過沖，由于動脈壓力感受器對壓力變化率相當(dāng)敏感，這種過沖勢必會影響實(shí)驗(yàn)條件的控制。解決辦法就是在閥門輸出端加一個(gè)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(gè)低通濾波器，把壓力波中的高頻成分濾掉。容器內(nèi)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(qiáng)。在具體實(shí)驗(yàn)中，需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)所要求壓力波形，調(diào)節(jié)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(xiàn)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(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，筆者發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氣液瓶中的氣體容積為800 mL時(shí)，既能保留壓力波形中的有用部分，又能較好地濾除因調(diào)節(jié)閥輸出產(chǎn)生的過沖和振蕩。

另外，受到電氣比例調(diào)節(jié)閥本身的最小輸出壓力、靈敏度、頻率響應(yīng)等內(nèi)在特性的影響，本研究中電氣比例調(diào)節(jié)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(xiàn)過沖現(xiàn)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(diào)節(jié)閥20 mmHg以下沒有輸出對實(shí)驗(yàn)效果沒有影響，但壓力輸出的瞬間出現(xiàn)過沖現(xiàn)象及過沖后的震蕩會影響實(shí)驗(yàn)的效果。當(dāng)氣液瓶中的氣體容積為800 mL時(shí)能有效濾除該過沖現(xiàn)象及過沖后的震蕩。

圖2 不同容積的緩沖系對調(diào)節(jié)閥施加于頸動脈竇內(nèi)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(diào)節(jié)閥施加于頸動脈竇內(nèi)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(xué)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(jìn)——竇內(nèi)壓的自動控制［J］.中國應(yīng)用生理學(xué)雜志，2013，29(1):88-91.

［3］趙海燕，鈕偉真.心血管腎臟生理學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)方法及其進(jìn)展［M］.西安:第四軍醫(yī)大學(xué)出版社，2010:249-250.

［4］趙海燕，鈕偉真.竇神經(jīng)壓力感受器聚類分析［J］.首都醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，30(5):658-663.

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