预防深静脉血栓的小型经皮神经电刺激系统*

叶燕语，王金武,2△，万克明

(1.上海交通大学生物医学工程学院，上海 200030；2.上海骨科内植物重点实验室，上海交通大学医学院附属第九人民医院，上海 200011)

1 引 言

深静脉血栓(deep vein thrombosis，DVT)是围手术期常见的并发症，其导致的静脉瓣膜功能不全会使患者肢体残疾，并发的肺栓塞会危及患者生命。美国普外手术后的 DVT发病率为40%，危重患者的DVT发病率更是高达80%。一项针对亚洲7国的骨科围手术期DVT发病率的研究指出，在关节置换手术后，亚洲人群的DVT发病率为43.2%，而且近年来还在不断增加。目前我国73.3%的医院已开始针对预防深静脉血栓制订护理规范[1]。

深静脉血栓的形成有三个要素：血液高凝态，血管壁损伤以及血流滞缓。这一理论在19世纪50年代由Virchow首次提出，因此被称为“Virchow三要素”(Virchow’s triad)。

目前临床常用的物理预防DVT方法有间歇充气加压、梯度压力弹力袜和足底静脉泵这三种。但是机械压力式的方法易引起发热出汗和腓总神经麻痹等不适感，患者依从性较差，而且外部施加的压力很难作用于深层静脉，无法完全解决患者深静脉血栓形成的风险[2]。

针对传统机械加压式物理预防方法的不足，国外研究人员发现，对下肢腓总神经进行特定的电刺激可以加快静脉血液回流，对浅表静脉和深层静脉都有着良好的效果，起到预防DVT的作用[3]。

本研究研制的小型经皮神经电刺激器就是利用电刺激引起小腿腓总神经支配的肌肉收缩，挤压肌肉周边和内部的静脉血管，进而促进静脉血液回流，达到预防深静脉血栓的目的。

2 系统硬件设计

2.1 整体方案设计

系统整体框图见图1，由PIC12F675微处理器、AD转换、升压电路、脉冲释放电路、银浆薄膜等构成。我们研制的小型电刺激系统使用CR2032纽扣电池作为电源，先通过升压电路将电压由3 V升至90 V，然后再通过主要由三极管搭建的脉冲释放电路输出至银浆薄膜，再经由导电水凝胶作用于人体小腿的腓总神经处。

图1 系统总体框图Fig 1 System block diagram

2.2 单元电路设计

2.2.1主控芯片外围电路 PIC12F675微处理器是一款高性能、低功耗8位CMOS 单片机。工作频率在0～20 MHz，具有宽工作电压范围2.0～5.5 V。带有1 K的Flash Rom，64 B的SRAM以及128 B的EEPROM。6个可编程的I/O中有A/D通道输入，外部电平变化中断输入，比较器输入等功能。当电压为2.0 V时，待机电流典型值为1 nA。当频率为32 kHz时，工作电流典型值为8.5 μA；当频率为1 MHz 时，工作电流典型值为100 μA。其低功耗的特点适用于可穿戴设备，且价格便宜，使用方便，体积小，能够快速完成项目的开发[4]。

本研究采用PIC12F675微处理器的3.0V工作模式，通过两个GPIO引脚分别控制升压电路和脉冲释放电路。两个GPIO引脚连接按键，控制刺激强度。当刺激强度降为0档位时，单片机进入待机状态。还有1个GPIO口作为A/D转换的输入，当电刺激器从人体脱落时，由于负载变大会引起电路中电压的变化，通过A/D转换可以判断此时电刺激器是否为脱落状态，当脱落状态超过3 min时，系统会自动进入待机状态。

图2PIC12F675外围电路

Fig2PIC12F675peripheralcircuit

2.2.2升压电路 经过前期测试，作用于水凝胶的电压需要达到60 V以上，才能有效刺激神经引起肌肉收缩。由于电源为3 V锂电池，所以需要使用升压电路将电压升高。升压电路见图3。

通过控制GP0的电平来实现三极管Q1的导通与截止。在电感储存能量的过程中，GP0为高电平，三极管导通，流经电感L的电流随时间线性增大，电感储存的能量增加。

在电感释放能量的过程中，GP0为低电平，三极管Q1截止，由于电感L的电流保持特性，会产生感生电动势，给电容C1充电，达到升压的目的。

图3 升压电路Fig 3 Boost circuit

2.2.3脉冲释放电路 通过控制施加在人体上的脉冲电流强度和脉冲宽度可以实现不同强度的刺激效果。根据前期预实验初步筛选的结果，电流强度设置为四个水平(10、20、30、40 mA)，脉冲宽度设置为三个水平(100、300、500 μs)，刺激频率为1 Hz。所以总的刺激参数有12组。见表1。

表1 经皮神经电刺激序列Table 1 Transcutaneous nerve electrical stimulation sequences

脉冲释放电路见图4，通过控制Vh的电压和Q2导通的时间来实现不同刺激强度的输出。Port_E为银浆薄膜。

图4脉冲释放电路

Fig4Pulsereleasecircuit

2.3 系统实物图

整个系统实物图见图5。采用CR2032纽扣电池为系统提供3 V电压，可以连续工作不低于32 h，使用时将设备贴附于小腿腓总神经处即可。

图5 系统实物图Fig 5 System physical map

3 软件设计

软件底层驱动主要有以下几部分：升压控制模块、AD采样模块、脉冲宽度控制模块等。代码编写使用C语言和汇编语言混合编写，调试与仿真都采用MPLAB IDE集成开发环境，软件编写使用PICKIT2。软件系统总流程见图6。

4 系统测试结果与分析

4.1 实验设备与志愿者准备

本研究涉及医学伦理，按照《涉及人的生物医学研究伦理审查办法》规定进行。采用GE医疗公司的Voluson E8 彩色多普勒超声诊断系统测量人体下肢腘静脉血流状况，见图7。实验选取了12名健康受试者(6男6女)，其平均年龄为24岁，平均身高为166 cm，平均体重为56 kg，平均身体质量指数为20.3 kg/m2。

图6 软件流程图Fig 6 Software flow chart

图7 电刺激状态下受试者下肢腘静脉内的血流波形

Fig7Dopplerwaveformsrecordedinresponsetoelectricalstimulations

实验结果见图8。下虚线是受试者在静息状态下的平均峰值血流速度(8.86 cm/s)，上虚线是受试者在足背屈状态下的平均峰值血流速度(45.32 cm/s)。图9为舒适度评分结果。

4.2 统计分析

使用SPSS 19.0统计分析软件对实验获取的数据进行处理，在使用双因素方差分析确定电流强度和脉冲宽度之间无交叉影响后，对实验数据进行单因素方差分析。使用Tukey HSD方法完成事后检验。实验统计结果以均值和方差的形式给出，当P<0.05时，认为统计结果有显著性差异。

图8 电刺激峰值血流速度结果Fig 8 Mean peak venous velocity

图9 电刺激舒适度评分Fig 9 VAS scores

4.3 实验结果分析

不同强度等级的电刺激对峰值血流速度的影响见图8。未施加电刺激时腘静脉基线峰值血流速度为8.86 cm/s。将施加电刺激之后的各组数据与基线峰值血流速度比较，仅第1组(10 mA，100 μs)和第4组(20 mA，100 μs)无显著性差异(P值分别为1和0.102)，其余各组数据均有显著性差异(P<0.05)。将施加电刺激之后的各组数据与足背屈状态相比，有四组数据存在显著性差异：第8、9、11和12组(P值分别为0.048、0.023、<0.001与0.001)。

实验结果显示，电刺激可以显著地增加腘静脉内的峰值血流速度，在一定范围内，峰值血流速度随电流幅值与脉宽的增加而不断升高。但是当超过一定限度，在本研究中为第12组(40 mA、500 μs)电刺激参数时，峰值血流速度不再升高反而出现下降趋势。受试者的VAS舒适度评分结果显示，随刺激强度的升高，受试者的舒适度逐渐降低，其中前4组电刺激受试者的舒适度处于轻度不适的范围，第5至11组处于中度不适的范围，仅第12组属于重度不适的范围。

5 结束语

我们研制的小型电刺激器相比于传统的梯度压力弹力袜和间歇充气加压泵，使用方便，不引起发热出汗，不压迫神经[5]，将经皮神经电刺激应用于深静脉血栓的预防，弥补了传统的物理预防方法的诸多不足，电极与主机一体化的设计符合可穿戴式设备的设计要求[6]。但舒适度不足，电池寿命短，后续研究工作主要为优化刺激参数和降低功耗。