一种迷走神经刺激上行传导阻滞装置及其控制方法

1.本发明涉及生物医学工程领域，具体为一种迷走神经刺激上行传导阻滞装置及其控制方法。


背景技术：

2.迷走神经是自主神经系统中最长的神经，从大脑投射到胸部和腹部的许多器官，迷走神经包含传入纤维和传出纤维。其中传入纤维约占90％，将不同器官间相互传递的信息传入大脑和脊髓；其余为副交感传出，影响神经支配器官的活动。特别地，右侧迷走神经支配心脏的窦房结，而左侧迷走神经支配房室结。由于自主神经系统功能障碍是心力衰竭的关键机制，迷走神经刺激有助于改善心功能。有研究表明，2ma左右的适度迷走神经电刺激优先激活传入感觉纤维，其激活阈值低于传出纤维。并导致反射性交感神经兴奋和心率升高；而更高强度(≥2.5ma)的迷走神经电刺激才可能会募集负责迷走神经介导心率降低的传出纤维，但该强度的刺激会导致显著的副作用，包括发声困难、颈部疼痛和咳嗽，这些副作用极大地限制了迷走神经刺激的效果。
3.通常，在迷走神经刺激过程中，纤维按直径大小从最粗的a纤维到最细的c纤维顺序被激活。限制迷走神经刺激效果的大多数副作用如喉咙和扁桃体疼痛、嘶哑均与支配喉和咽粘膜和肌肉的a纤维被激活有关。咳嗽以及急性呼吸暂停或呼吸迟缓则是由肺a纤维传入被激活引起的hering breuer充气反射介导的。真正有用的刺激归因于对较细的有髓bf、bs纤维传出的激活。因此，选择性地激活传出bf、bs纤维的同时，尽量不激活传入a纤维，可能是提高迷走神经刺激效果的直接方法。
4.动物实验中常规使用的选择性迷走神经刺激方法包括去极化预脉冲、缓慢上升脉冲和阳极阻断等三种方式。去极化预脉冲法是在主刺激脉冲之前到达的一个小脉冲，振幅刚好低于最粗纤维的激发阈值；该预脉冲通过钠通道失活提高了这些纤维的激发阈值。缓慢上升脉冲法通过使钠通道失活并利用纤维类型之间膜电位空间分布的变化来逆转募集顺序。而阳极阻断法，如附图1所示，基于阳极附近神经纤维的超极化。如果膜被充分超极化，则动作电位不能通过超极化区。但值得注意的是，上述方式在迷走神经刺激中仅能部分阻滞a纤维上传动作电位，无法全部阻滞a纤维传入，阻滞效果并没有得到很好的验证。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种迷走神经刺激上行传导阻滞装置及其控制方法，结构简单，设计合理，使用方便，刺激效果好，能够降低刺激的不良影响。
6.本发明是通过以下技术方案来实现：
7.迷走神经刺激上行传导阻滞装置，包括脉冲发生器、刺激电极和阻滞电极；
8.所述脉冲发生器包括微控制器，以及第一程控脉冲产生电路和第二程控脉冲产生电路；微控制器用于控制第一程控脉冲产生电路产生第一刺激脉冲，并在延迟设定时间后，控制第二程控脉冲产生电路产生与第一刺激脉冲相同的第二刺激脉冲；所述第一程控脉冲
产生电路的输出端连接刺激电极的输入端；所述第二程控脉冲产生电路的输出端连接阻滞电极的输入端；
9.所述刺激电极用于将第一刺激脉冲作用至迷走神经刺激的刺激点；
10.所述阻滞电极用于将第二刺激脉冲作用至迷走神经刺激的阻滞点。
11.可选的，所述第一刺激脉冲和第二刺激脉冲的刺激频率、刺激幅度、脉冲宽度、占空比和持续时间均相同。
12.可选的，所述刺激电极和阻滞电极的电极宽度为0.30mm。
13.可选的，还包括参考电极，所述参考电极连接于脉冲发生器地线端，用于为迷走神经刺激参考电位提供电气连接。
14.一种上述任意一项所述迷走神经刺激上行传导阻滞装置的控制方法，包括下述步骤：
15.步骤1，设定迷走神经刺激的阻滞延时；所述阻滞延时的延迟时间如下所示，
16.t
delay
＝l/v；
17.其中，l为刺激点a1与阻滞点a2之间的距离，v为迷走神经a纤维的对应平均传导速度；
18.步骤2，微控制器控制第一程控脉冲产生电路产生第一刺激脉冲，经刺激电极在刺激点a1发放刺激；
19.步骤3，经延时t
delay
秒后，微控制器控制第二程控脉冲产生电路产生第二刺激脉冲，经阻滞电极在阻滞点a2发放刺激。
20.可选的，刺激点a1与阻滞点a2之间的距离为3.90mm。
21.可选的，所述刺激点a1为右侧迷走神经上的任意一点，刺激电极缠绕在刺激点a1处。
22.可选的，所述阻滞点a2为右侧迷走神经上位于刺激点a1上方的任意一点，阻滞电极缠绕在阻滞点a2处。
23.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
24.本发明所述装置以一个脉冲发生器产生一对波形参数完全相同，仅存在延时差异的刺激与阻滞脉冲，通过刺激电极和阻滞电极分别输入后，在阻滞点处碰撞，完全抵消，从而湮灭a纤维中上传动作电位，形成a纤维传入的动作电位的上传阻滞。而不影响a纤维动作电位下传，不影响bf、bs纤维中引起的动作电位的上传与下传。从而达到选择性地激活传出bf、bs纤维的同时，完全阻滞a纤维传入的目的，进而实现了一种简便易行的迷走神经上行传导阻滞装置及方法。
附图说明
25.图1现有技术中阳极阻断法实施时的两种代表方式示意图。
26.图2本发明实例中所述迷走神经刺激上行传导阻滞装置的使用实施示意图。
27.图3本发明实例中所述迷走神经刺激上行传导阻滞方法等效示意图。
28.图4为本发明实例中所述10～30hz范围内，刺激频率对刺激脉冲引起动作电位传播的影响。此时刺激脉冲占空比为0.05。
29.图5为本发明实例中所述0.05～0.25占空比范围内，占空比对刺激脉冲引起动作
电位传播的影响。此时刺激脉冲频率为10hz。
30.图6为本发明实例中所述阻滞脉冲对刺激脉冲形成动作电位下传的影响。此时刺激脉冲与阻滞脉冲频率均为10hz，占空比均为0.05。
31.图7为本发明实例中所述阻滞脉冲对刺激脉冲形成动作电位传播的影响二维示意图。此时刺激脉冲与阻滞脉冲频率均为10hz，占空比均为0.05。
32.图8为本发明实例中所述阻滞脉冲对刺激脉冲形成动作电位传播的影响三维示意图。此时刺激脉冲与阻滞脉冲频率均为10hz，占空比均为0.05。
33.图9为本发明实例中所述控制方法流程图。
34.图10为本发明实例中所述迷走神经刺激上行传导阻滞装置结构示意图。
具体实施方式
35.下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
36.本发明针对现有选择性迷走神经刺激方法仅能仅能部分阻滞a纤维上传动作电位，无法全部阻滞a纤维传入，从而导致进行用于心衰的迷走神经刺激时诱发发声困难、颈部疼痛和咳嗽等难以耐受的副作用，极大地限制了迷走神经刺激的刺激效果的问题，提出了一种迷走神经刺激上行传导阻滞装置及其控制方法。
37.在迷走神经刺激上行传导阻滞方法中，通过结合去极化预脉冲法与阳极阻断法的优点，突破去极化预脉冲在主刺激脉冲之前到达的一个小脉冲，振幅刚好低于最粗纤维的激发阈值的惯性思维，大胆采用幅值、脉宽等波形参数完全一致的去极化预脉冲抵消主刺激脉冲的方法，获得了意想不到的对上传刺激脉冲动作电位的完全阻滞效果；同时，突破阳极阻滞两个脉冲在刺激电极与阻滞电极之间(如附图1所示)的常规思维，大胆将上行阻滞脉冲延时时间设置为刺激脉冲从刺激点a1传播到阻滞点a2的时间，也就是阻滞脉冲下传时间为零的极端状况，从而获得意想不到的阻滞脉冲形成的动作电位无法上传的技术效果。形成a纤维传入的动作电位的上传阻滞。而不影响a纤维动作电位下传，不影响bf、bs纤维中引起的动作电位的上传与下传。从而达到选择性地激活传出bf、bs纤维的同时，完全阻滞a纤维传入的目的，进而实现了一种简便易行的迷走神经上行传导阻滞方法。在迷走神经刺激上行传导阻滞装置方面，仅通过对常规迷走神经刺激器脉冲发生器简单增加一套程控脉冲生成电路，增加一根阻滞电极的代价，获得生成延时精确可调的刺激脉冲与阻滞脉冲的能力、实现选择性地激活传出bf、bs纤维的同时，完全阻滞a纤维传入的目标。
38.与之相应地，迷走神经刺激上行传导阻滞装置，参见图10，包括：
39.脉冲发生器1，微控制器，以及第一程控脉冲产生电路和第二程控脉冲产生电路；微控制器用于控制第一程控脉冲产生电路产生第一刺激脉冲，并在延迟设定时间后，控制第二程控脉冲产生电路产生与第一刺激脉冲相同的第二刺激脉冲；所述第一程控脉冲产生电路的输出端连接刺激电极2的输入端，所述第二程控脉冲产生电路的输出端连接阻滞电极3的输入端；
40.具体的通过内置微控制器和两路程控脉冲产生电路，可产生刺激频率、刺激幅度、脉冲宽度、占空比、持续时间等完全相同，仅延迟时间为t
delay
秒的两个脉冲序列，各自传送至刺激电极2以及阻滞电极3。
41.刺激电极2，远端连接于右颈迷走神经束刺激点a1，近端连接于脉冲发生器1输出端。为迷走神经刺激的刺激脉冲提供电流传输通道。
42.阻滞电极3，远端连接于右颈迷走神经束阻滞点a2，近端连接于脉冲发生器1输出端。为迷走神经刺激的阻滞脉冲提供电流传输通道。
43.参考电极4，远端连接于右颈迷走神经束刺激点a1下方远处c点，近端连接于脉冲发生器1地线端。为迷走神经刺激的参考电位提供电气连接。
44.本优选实例中，刺激电极2、阻滞电极3的电极宽度为0.30mm。
45.在迷走神经刺激上行传导阻滞装置方面，阻滞装置由脉冲发生器、刺激电极以及阻滞电极构成。脉冲发生器内设置两套程控刺激脉冲生成电路，分别形成刺激频率、刺激幅度、脉冲宽度、占空比、持续时间等完全相同，仅延迟时间为t
delay
秒的两个脉冲序列，各自传送至刺激电极以及阻滞电极。从而在右颈侧迷走神经束部位形成对a纤维上传动作电位的阻滞。如附图3所示。
46.在进行阻滞装置的控制时，本发明迷走神经刺激上行传导阻滞方法，参见图9，包括下述步骤：
47.步骤1，设定迷走神经刺激术的阻滞延时。延迟时间等于距离l与迷走神经a纤维对应平均传导速度v的商。由公式(1)描述：
48.t
delay
＝l/v(1)
49.步骤2，刺激点a1发放刺激。脉冲发生器打开程控刺激脉冲生成电路产生刺激脉冲并发放至刺激电极a1处。
50.步骤3，阻滞点a2发放刺激。脉冲发生器经延时t
delay
秒后，打开程控阻滞脉冲生成电路，产生阻滞脉冲并发放至阻滞电极a2处。
51.其中，如图2所示，所述的刺激点a1和阻滞点a2的设置方法如下。
52.设定迷走神经刺激术的刺激点a1。遵照标准迷走神经刺激术手术规范，在胸大肌下制作囊袋，容纳脉冲发生器，经皮下隧道将刺激电极、阻滞电极导线引至颈部切口中，手术野暴露迷走神经约3cm。将刺激电极缠绕在右侧迷走神经显露部分的中部，设为刺激点a1，连接刺激电极导线与脉冲发生器。
53.设定迷走神经刺激术的阻滞点a2。将阻滞电极缠绕在右侧迷走神经显露部分的中部，距离a1点上方3.90mm处，设为阻滞点a2，连接阻滞电极导线与脉冲发生器。切口逐层缝合。
54.在迷走神经刺激上行传导阻滞方法中，在右颈迷走神经束上设置刺激点a1，沿其上行传导方向距离l为3.90mm处设置阻滞点a2。使用宽度为0.3mm的两个环状电极(如附图2所示)分别在刺激点a1与阻滞点a2处进行刺激脉冲和阻滞脉冲的发放。其中刺激脉冲与阻滞脉冲波形参数完全一致，即刺激频率、刺激幅度、脉冲宽度、占空比、持续时间等完全相同，且刺激幅度超过bf、bs纤维激活阈值，仅阻滞脉冲发放时间延迟于刺激脉冲发放时间t
delay
秒，延迟时间t
delay
等于距离l与迷走神经a纤维对应平均传导速度v的商。也就是说，刺激脉冲在a纤维中产生的动作电位恰好传播至阻滞点时，由阻滞点产生一个与刺激脉冲幅度大小、相位、波形完全一致的阻滞脉冲，刺激脉冲与阻滞脉冲分别产生的两个动作电位在阻滞点处产生碰撞，完全抵消，从而湮灭a纤维中上传的动作电位，形成a纤维中动作电位的上传阻滞。而a纤维中由刺激脉冲下传产生的动作电位不受影响继续下传，直至下一突触。
刺激脉冲在bf、bs纤维中引起的动作电位受各自郎飞结的结间距影响，到达阻滞点时仍在在髓鞘内传播，并不受到阻滞脉冲的影响。从而达到选择性地激活传出bf、bs纤维的同时，阻滞a纤维传入的目的，进而实现了一种简便易行的迷走神经上行传导阻滞方法。
55.本发明以一对波形参数完全相同，仅存在延时差异的刺激与阻滞脉冲，在阻滞点处碰撞，完全抵消，从而湮灭a纤维中上传动作电位，形成a纤维传入的动作电位的上传阻滞。而不影响a纤维动作电位下传，不影响bf、bs纤维中引起的动作电位的上传与下传。从而达到选择性地激活传出bf、bs纤维的同时，完全阻滞a纤维传入的目的，如附图4、5、6、7、8所示，进而实现了一种简便易行的迷走神经上行传导阻滞方法。为科研与临床迷走神经刺激研究提供了一种简单实用的技术工具。
56.采用本发明所述的迷走神经刺激上行传导阻滞方法可以实现一种高效的迷走神经刺激上行传导阻滞装置。可以方便地选择性产生bf、bs纤维内的迷走神经刺激脉冲动作电位，而忽略刺激脉冲对a纤维内上行传导动作电位的影响，可供与心衰相关的科研和临床迷走神经刺激研究使用。