PDC-1 膀胱功能電刺激器的原理
資訊來源： 雷波 刁穎敏 張夢傑等 2004-12-27

摘要：
　　脊髓損傷 (Spinal Cord Injury, SCI) 導致截癱的病人多數伴有膀胱功能障礙，患者表現為膀胱內壓很高，殘餘尿量多，常常引起尿路感染和腎積水，而腎功能衰竭是此類患者晚期死亡的主要原因。為解決此類病人的排尿功能障礙，根據不同類型肌肉在電刺激下反應不同的機理自行研製開發了一種新型膀胱功能電刺激器，本文對該電刺激器的設計原理進行了詳細的分析。該電刺激器設計分為信號產生、發射和接收三部分，帶有單片機控制，通過液晶顯示片醫生可以根據病人的情況方便地設置信號幅值、脈寬、頻率、占空比等參數，以便達到最佳的排尿效果。通過四條犬五次動物試驗，取得了良好的效果。

引言：
　　閉合性脊柱傷其發病率在每十萬人口中每年約有 25-35 人次，其中 1/6 -1/7 伴有脊髓損傷，這對我國（中華人民共和國）來說，每年將遞增五萬名以上的新病例，其累積量相當可觀。脊髓損傷 (SCI) 的患者其神經源性膀胱以高張力、高反射的痙攣性膀胱最為多見，臨床表現為膀胱內壓很高，殘餘尿量多，常常引起尿路感染和腎積水，而腎功能衰竭是此類患者晚期死亡的主要原因。患者由於長期的尿失禁造成的感染、褥瘡及心理障礙，嚴重地影響患者的生活質量，同時也給臨床的護理帶來諸多的不便。如能較好地解決脊髓損傷後的膀胱功能障礙並應用於臨床，無疑給廣大此類患者帶來福音。

　　目前解決膀胱功能代償的主要方法有膀胱-尿道的結構性手術；神經藥物學治療；神經性手術(對接、建立人工反射弧等)以及薦椎神經前根電刺激治療等。對於神經性治療在臨床試驗中有採用腰薦神經對接的方法來恢復膀胱貯尿和排尿功能，但長期使用效果報導甚少。建立人工反射弧有皮膚或膝腱-脊髓-膀胱反射弧重建術，該方法通過選擇正常的軀體神經反射弧的傳出支和支配膀胱排尿的神經纖維吻合，使患者軀體神經產生的神經衝動沿新建的反射弧傳至下尿路，達到控制排尿的目的，相關研究工作還在進行中。而 Brindley 的薦神經前根電刺激 (SARS) 是目前臨床應用較為成功的，該方法通過刺激薦神經前根並切斷相應的薦後根去傳人，實現控制膀胱排尿的目的，到1999年已應用了約 1200 餘例。

　　本文介紹了膀胱功能代償的肌肉電刺激原理，根據不同類型的肌肉對電刺激信號反應的不同可以進行膀胱功能代償的原理，參照 Brindley 薦神經前根電刺激法自行研製開發了一種新型功能電刺激器，通過 4 條犬 5 次動物試驗，取得了良好的效果。

膀胱功能代償的肌肉電刺激原理：
　　在正常的情況下，膀胱完成貯存尿液、排放尿液這一生理活動，需要在神經系統的支配下，由膀胱及尿道各部分肌肉協同工作完成，逼尿肌和括約肌等肌肉可以在神經感受和控制下收縮和舒張，也可通過電脈衝刺激或化學刺激來實現。當我們用電刺激方法進行橫紋肌主動收縮張力實驗時發現，如果電刺激的頻率比較高，在第一個刺激使肌肉收縮後還未完全舒張前給予第二個刺激，會在第一次收縮的基礎上出現第二次收縮，由此?生的張力附加在上一次張力上。當刺激的頻率足夠高(如骨骼肌約高於 100Hz ，而尿道外括約肌只需幾十赫茲)時，產生的張力將達到最大值，且不再因頻率的變化而變化，也不隨著時間而變化，這種狀態稱?攣縮狀態，又可稱為強直。而平滑肌其收縮機理與橫紋肌相似，但其細胞排列結構複雜得多，在電刺激下的收縮和舒張較橫紋肌要緩慢得多。

　　膀胱的逼尿肌屬於平滑肌，而尿道外括約肌則屬於橫紋肌，如前所述平滑肌對電刺激反應遲緩，橫紋肌對電刺激反應迅速。正是利用這兩種肌肉對電刺激的反應速度的不同我們可以實現控制排尿。當進行電刺激薦神經前根時電刺激不僅引起膀胱逼尿肌的收縮，同時還引起尿道外括約肌收縮。但在一系列電刺激(通常達到攣縮)後採用適當的時間間隔再進行第二系列的電刺激，由於尿道括約肌的反應比膀胱逼尿肌快，當第一系列刺激剛停止尿道外括約肌就迅速鬆弛到相當的程度，而逼尿肌由於反應緩慢仍處於較高張力的狀態，膀胱壓力將會促使尿液外流，直到第二系列電刺激到來括約肌迅速關閉，尿流停止，開始新一輪的刺激、肌肉收縮和排尿。這種排尿方式不同于正常人的排尿方式，它是在刺激的間歇期內進行的，通過有限的幾次將尿排淨。

PDC-1 膀胱功能電刺激器的原理和信號的調節：
　　根據逼尿肌和尿道外括約肌在電刺激下不同的反應機理，該電刺激器信號採用脈衝信號，即採用間歇式發出一連串電脈衝。

　　在 PDC-1 型膀胱功能電刺激器中採用了單片機控制技術，帶有液晶顯示功能，並可預置 9 種模式，醫生可以根據病人的實際情況方便的設置參數，並設定為預置模式，病人可以根據自己的不同情況選擇不同的模式。當選定某一預置模式運行後，信號經體外連接纜線傳送至發射頭，信號再以高頻載波方式耦合到植入皮下的接收塊，經過解凋後的信號通過體內連接纜線傳到刺激頭上。

　　在信號調節過程中信號時間與空號時間（占空比）對排尿效果影響很大。線)和膀胱壓力之間的關係。選擇適當的刺激時間和間歇時間可以達到最佳的排尿效果。如果占空比過小會出現尿流現象，反之如果占空比過大則會出現的尿流現象，都不能達到理想的排尿效果，適當地調節信號占空比可以取得最佳的排尿效果。

　　由於人體的個體差異較大，我們研究了較為適合我國病人需要的膀胱功能電刺激器信號標準，確定其刺激信號脈寬 100 μs - 500 μs，頻率 3Hz-20Hz （單通道），幅度 5.2V-35V ，占號時間 3s-20s ，空號時間5s-40s。

動物實驗：
　　從 2001 年 5 月到 2001 年 10 月我們進行了 4 條犬的 5 次動物試驗，手術採用完全性?神經去傳人，即切斷 S1,S2,S3 的後根，接受塊的2個刺激電極分別固定在左右的52神經前根。術後每天 4 次對犬定時進行電刺激，刺激參數(所有模式均採用占號時間 5s ，空號時間 10s ，脈寬 400 μs)。量 (80-140)ml ／次，排尿均發生於 2 次刺激的間隙，最大尿流多發生於第 3 和第 4 次刺激之後，每次排尿結束總的刺激次數為6-8次，並且在2次刺激間期尿流平滑的上升和下降，說明括約肌和逼尿肌協調工作。在電刺激的時候 4 條犬均能排便，直腸壓力測定證實電刺激寸直腸內壓力上升。

　　實驗犬一般存活 1-2 個月，為了達到正常使用下 3-5.5 年的總電刺激量，我們對其中一條犬進行了長達 162h 的連續電刺激實驗，電鏡下部分薦神經纖維的?鞘有鬆散，這是由於連續電刺激對神經造成的損害遠遠超過實際應用中的間歇模式，在實際臨床應用中絕對不允許採用連續信號。

結論和討論：
　　解決脊髓損傷後膀胱功能障礙是醫學一大難題，國內外進行了幾十年的研究，至今膀胱功能的代償真正能長期應用於臨床的主要手段是薦神經前根電刺激方法。通過神經的去傳人去除自發性的薦部反射，結合薦前神經根電刺激達到膀胱逼尿肌-括約肌的協調工作，可實現良好的控尿效果。通過此次動物實驗證實我們研發的 PDC-1 型膀胱功能電刺激器可以很好地重建截癱犬的貯尿和排尿功能。通過進一步的臨床驗證，有望實現產業化，造福于我國的廣大截癱病人。

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資料收集整理： 新竹市脊髓損傷者協會 戚啟禮

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