Powerlab在窦内压力控制中的应用

刘 萍 张思韬 黄海霞 王 伟 赵海燕

(1.首都医科大学基础医学院生理学与病理生理学系，北京 100069；2. 首都医科大学燕京医学院机能教研室，北京 101300)

动脉压力感受性反射，又称稳压反射，是机体维持动脉血压稳态的重要调节机制[1]。该反射的压力感受器位于颈动脉窦和主动脉弓血管外膜下的神经末梢，主要作用是通过感受血管内压力变化对血管壁的牵张刺激并将其转变为可向中枢传递的电信号，即机电换能作用。然而，由于其结构细微、分散，研究比较困难。目前压力感受器的机电换能过程的各个环节均不清楚。控制颈动脉窦窦内压并记录窦神经的压力依赖性放电是研究压力感受器机电换能机制的经典实验技术，精确控制窦内压力是其中的关键环节[2]。本课题组早期利用电气比例调节阀建立了控制颈动脉窦压力的自动化装置，该装置需利用pclamp软件编辑刺激命令作用于电气比例调节阀以控制高压气源的压力输出，推动灌流液以实现窦内压力控制[2-3]。然而使用pclamp软件编辑刺激命令存在方法复杂、易出错等缺点。目前许多实验操作系统都能完成多种形式的刺激输出，例如Powerlab labchart 5软件(澳大利亚，AD Instruments公司)可输出正弦式、台阶式、斜坡式等多种刺激，均适合动脉压力感受器功能研究。为此，本课题组利用Powerlab labchart 5开发了调节电气比例调节阀的方法，构建了一套简便、可靠的窦内压力控制系统。

1 材料与方法

1.1 颈动脉窦-窦神经标本的制备

实验采用体质量2 kg左右成年家兔。以20%(质量分数)氨基甲酸乙酯(乌拉坦)5 mg/kg将动物麻醉后，安置气管插管，充分暴露颈动脉窦区，仔细游离颈内外动脉及窦神经，并取出包括颈总动脉、颈内外动脉及窦神经的颈动脉窦-窦神经标本。注意应尽可能保留窦神经的长度，长度最好不少于7 mm。

应用自制的离体标本灌流-放电记录一体化装置[2-3]，对颈动脉窦-窦神经标本进行灌流。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调节pH值到7.4，持续用纯氧平衡(以抑制颈动脉体化学感受器放电)，温度保持在36～37 ℃。

1.2 压力刺激的编辑和输出

从Powerlab labchart 5中的刺激输出选项中选择合适的压力波形，根据实验需要对该波形的时程、强度、频率进行重新设置，形成实验所需要的压力波形文件。实验过程中，应用Powerlab labchart 5软件运行压力波形文件，该压力文件经D/A转换器将其转换为与压力波形相对应的电压指令，该电压指令可以用来控制电气比例调节阀(PRE-U,德国Hoerbiger公司)。电气比例调节阀本质上是一个通过改变气体流量以达到调节气压的自动化阀门(图1a)。压力调节阀根据指令调节气源(100%高压纯氧，0.15 MPa)的输出压力，此输出压力驱动密闭容器内的灌流液(图1b)进入血管内以达到控制窦内压力的目的。电器比例调节阀具有不同量程，本研究根据需要选择量程为0～200 mmHg(1 mmHg=0.133 kPa)。在实验过程中将一个压力换能器(YH-4，北京航天医学工程研究所，图1e)连于窦内灌流出口处，用以监测窦内压。同时在液体出口处连接一个控制阀(图1f)来控制窦内灌流液的流量。详见图1。

2 结果

2.1 脉动式压力控制模式的实现

为模拟颈动脉窦的生理性压力刺激，脉动式压力是实验中常采用的模式，而正弦波形规律性的周期性波动与颈动脉窦的生理性刺激类似。所以本实验中采用正弦波形。实验前，只需在Powerlab labchart5的刺激输出波形中选择正弦波形，然后根据实验需要在参数设置窗口中设置该正弦波的基线、频率、振幅。图2展示的是压力换能器检测到的基线为100 mmHg、频率为3Hz、振幅为40 mmHg的正弦波刺激命令输出的压力波形，以及该压力刺激下的窦神经的放电。可见该系统能够准确地输出既定的压力信号，并引起窦神经的压力依赖性放电活动。

图1 窦内灌流及窦内压控制系统Fig.1 Sinus perfusion and internal pressure control system

图2 正弦波压力刺激下记录到的窦神经放电Fig.2 Sinus nerve discharge recorded by sinusoidal pressure stimulation

2.2 斜坡式压力控制模式

为研究动脉压力感受器在整个压力域内的压力-放电功能特点，常常使用窦内斜坡式压力刺激。在Powerlab labchart 5的刺激输出波形中选择斜坡刺激，根据实验需要限定该斜坡刺激的参数，如开始高度、结束高度及持续时间。图3所示是0～200 mmHg、历时20 s的斜坡式压力刺激命令下的窦内压以及该刺激作用于颈动脉窦时记录到的窦神经放电。可见随着窦内压力的增加，窦神经放电逐渐增强，刺激停止后窦内压即刻恢复，响应速度为0.23 s。

图3 斜坡式压力刺激下记录的窦神经放电Fig.3 Sinus nerve discharge recorded by ramp pressure stimulation

3 讨论

窦内压力的精确控制是研究动脉压力感受器功能的关键技术。最初研究人员利用单片机驱动蠕动泵实现颈动脉窦区自动灌流及压力控制[4-5]，需要实验者自己编程写入单片机。这种控制方法对实验者的程序编写能力要求较高，不利于被广泛使用。本实验室曾经利用电气比例调节阀建立了控制颈动脉窦压力的自动化装置，该装置利用pclamp软件编辑刺激命令，调节电气比例调节阀以控制高压气源的压力输出，推动灌流液对颈动脉窦进行内灌流，实现对窦内压力的控制。然而pclamp软件编辑刺激命令时，首先需要根据实验需求编辑刺激命令。由于pclamp软件只能编辑两点间的线性变化刺激命令，若实验需要一个相对复杂的刺激波形时，编辑过程中需要设置众多参数，方法相对复杂，容易出错。例如想要实现脉动式的压力刺激时，首先得通过设置起始时间、持续时间以及刺激的时间变化率等参数，编辑两个连续变化的阶段刺激命令，以形成一个三角波形刺激命令，然后重复该三角波形来实现波动式的压力刺激。而Powerlab实验操作系统刺激输出模块中已设定有多种刺激形式，如正弦波、斜坡等多种适合动脉压力感受器研究需要的刺激形式，实验中只需对该波形的特征性参数如正弦波的频率、振幅、基线进行设定，就能输出所需要的刺激形式，操作简单方便。且Powerlab操作系统在实验过程中可以根据实验需要实时地对刺激的形式以及大小进行修改，无须停止实验，操作简便快捷。而pclamp软件则需要先停止实验，修改压力刺激文件，再重新开始实验并运行文件才能实现压力刺激参数的修改。所以笔者利用实验室现有的Powerlab实验操作系统中的刺激输出功能替代原先的pclamp软件构建了一套窦内压力控制系统，该系统操作简便且能够实现动脉压力感受器功能研究所需要的多种压力刺激模式。

[1] 朱妙章，吴博威，裴建明，等. 心血管肾脏生理学实验技术方法及其进展[M]. 西安：第四军医大学出版社，2010： 249-250.

[2] 魏华,赵海燕,刘萍,等. 离体颈动脉窦压力感受器研究方法的改进——窦内压的自动控制[J].中国应用生理学杂志，2013, 29(1): 11-14.

[3] 刘萍,赵海燕,王伟,等.颈动脉窦内压力控制方法的改进[J].首都医科大学学报，2013,34(6): 900-903

[4] 易小林,王敏彦,范振中,等.单片机控制的颈动脉窦区自动灌流系统的研究[J].中国应用生理学杂志，2001,17(3): 308-310.

[5] 范振中,易小林,孙光启,等.单片机自动灌流控制器[J]. 中国医学物理学杂志，1999,16(2):96-98.