关键词: 双向脉冲；选择性刺激；神经纤维；坐骨神经干

双向脉冲选择性刺激是避免神经纤维电化学损伤、使肌肉平稳收缩、降低疲劳的有效电刺激模式。本文提出了单电极、双电极和三电极三种双向刺激模式，利用计算机模型仿真有效地实现了选择性刺激，并且利用蟾蜍的离体坐骨神经干在动物实验上验证了这几种方法的可行性。这些方法可望推进神经电刺激向临床应用迈进的步伐。

分类号： R318.03; R322.85

A STUDY ON SELECTIVE sTIMULATION OF NERVE FIBERS

uSING BIPHASIC PULSES

Shen Qiang, Tai changfeng, Jiang Dazong

(The Institute of biomedical Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049)

ABSTRACTBiphasic selective stimulation is an effective electrical stimulation mode for preventing nerve fibers against electrochemical damage, and for muscle's contracting smoothly, decreasing muscle's fatigue. By use of computer simulation, this paper presents three biphasic stimulation modes respectively using monopolar, bipolar and tripolar electrodes, which can selectively stimulating nerve fibers effectively. And the feasibility of these methods are verified by animal experiments on toad's sciatic nerve trunks in vitro. These methods will promote the clinical application of neuroelectrical stimulation.

Key words: Biphasic pulse; Selective stimulation; Nerve fiber; Sciatic nerve trunks

0前言

利用电刺激外周神经纤维，可以使一些失去中枢神经控制的肌肉功能得到恢复，这也即是神经电生理学所要完成的主要任务之一。但由于粗纤维的兴奋阈值较低，受到电刺激时总是粗纤维先兴奋而细纤维后兴奋，这与正常生理状况下是正好相反的，从而使肌肉收缩不平稳、肌肉易疲劳。有时，我们还希望只兴奋细纤维，而不兴奋粗纤维，例如在排尿控制中希望只兴奋较细的支配膀胱逼尿肌的盆神经，而不兴奋与之混在一起的较粗的支配尿道外括约肌的阴部神经。这些都给我们提出一个“选择性刺激”的问题，即如何实现选择性地兴奋不同粗细的神经纤维。为此，许多科研工作者已经作出了大量的工作，提出了高频阻断技术^［1，2］、准梯形波三电极方法^［3］、单阴极阻断^［4］等有效的刺激模式。但它们都是单向刺激，存在着长时间刺激对神经纤维电化学损伤过大的问题^［5］。据研究，电荷平衡的双向刺激可以避免电化学损伤^［6］。为此，我们利用F-H方程^［7］建立了有髓神经纤维电刺激兴奋规律仿真系统，并利用它对神经纤维的双向刺激兴奋规律进行了探讨，提出了三种可实现选择性刺激的双向刺激模式，并用利用蟾蜍的离体坐骨神经干在动物实验上验证了这几种方法的可行性。这些方法可望推进神经电刺激向临床应用迈进的步伐。

1仿真

1.1有髓神经纤维电刺激兴奋规律仿真系统

为了研究神经纤维的兴奋规律，本文采用Frankenhaeuser和Huxley提出的关于有髓神经纤维膜电流与膜电压关系的F-H方程^［7］建立了有髓神经纤维电刺激兴奋规律仿真系统。根据McNeal提出的神经纤维的电缆模型(如图1所示)，膜电位的变化可以用下式描述^［8］：

其中的常量有：ρ_i是轴浆电阻率，等于110Ω^。cm;l为结宽度，等于2.5μm;c_m为单位面积的膜电容，值为2μF/cm²。变量i_Na、i_K、i_L分别为钠离子、钾离子和漏离子电流密度，而i_P为非特异性延迟电流密度，可以通过F-H方程求解出。d为轴索直径，即纤维的内径。L为结间距，与纤维直径成正比。V_m,n表示第n段的跨膜电位，正是我们所要求解的。V_e,n表示第n段的膜外电位分布，如果假设神经纤维处在一个均匀的、各向同性的纯电阻性无穷大介质(电阻率ρ_e为300Ω^。cm)中，受到理想点电极的刺激，则刺激电极在膜外形成的电位分布V_e为：

其中I为刺激电流。模型采用(2J+1)段(J可变)电缆模型，刺激点电极在第J段。对非线性方程的求解采用的是四阶龙格—库塔法(Runge-Kutta)^［9］。在此系统中弥补了许多前人研究中存在的不足，着重地讨论了温度对仿真结果的影响，分别对温度为20℃(实验室温度)和37℃(哺乳动物体温)下的情况进行了讨论。温度的影响主要是通过对膜的离子通透率的影响来体现。根据离子通道机理，离子通道的开和关速率α和β与温度的相关性用“热系数”k来表示(与k成正比)。k可以用(3)式计算出来：

其中Q₁₀表示温度每升高10℃膜参数的加速情况。为了简化，F-H方程中的四个开关变量m,n,h,p的开关速率α和β所对应的Q₁₀取值方法如下：α_m和β_m的Q₁₀取为1.8，而其它通道开关速率(α_n和β_n等)的Q₁₀都取为3(关于这些变量的深入理解及取值的根据，可参看文献［7］和［10］)。T₀等于20℃。以下所有仿真实验中电极与神经纤维的垂直距离都设为1mm，因为有髓神经纤维的直径一般在1～22μm之间，因此1mm已经足够远地可以认为刺激电极为点电极。下文中讨论的神经纤维直径都在1～22μm这一范围内。

从对神经的损伤小的角度来看，最佳的双向刺激方式为电荷平衡(即正负刺激的电荷数相等)、对称和正负无时间间隔的刺激模式。为了寻找切实可行的双向选择性刺激方法，我们考虑到刺激电极的多少(1～3个)、刺激波形(对称、不对称但电荷平衡等)、刺激幅度(0～5mA)、刺激脉冲宽度(10～1000μs)、正负刺激间的时间间隔(10～500μs)、神经纤维直径(0～22μm)等多种因素，通过上千次的仿真实验，总结出以下三种有效的双向选择性刺激方法。以下将按照电极数由少到多的顺序分别加以阐述。

图1有髓神经纤维的电缆模型

G_a：轴浆电导；G_m：膜电导；C_m：膜电容；V_e:膜外电位；V_i：膜内电位；

v_m：跨膜电位；V_r：静息电位；I_i：离子电流；I_m：膜电流；L：结果间距

1.2单电极双向选择性刺激

单电极刺激实现按生理顺序(即先细后粗)激活神经只能依靠“阴极阻断”，即过强的阴极(负向)刺激使粗神经的兴奋受到阻断，而细神经的兴奋仍能传播。我们希望的双向刺激模式是在可阻断粗神经的负向刺激后面无延迟地紧跟着一个幅度和宽度都相同的正向刺激(或顺序相反)，即对称刺激，并可实现选择性。但从仿真结果看，因为存在着“阳极兴奋”(即过高的阳极刺激引起纤维兴奋)问题，当温度为37℃时，可以用对称脉冲刺激对比较粗的神经纤维实现选择性阻断，较细的纤维则不行；而当温度为20℃时，对称脉冲刺激只能对直径大于18μm的神经纤维实现选择性阻断。这显然满足不了实际应用的需要。增大正负刺激间隔效果也没有改观。鉴于此，我们提出了“不对称但电荷平衡”的刺激模式，即放弃对称性原则，只坚持电荷平衡原则，降低正向刺激的幅度、而延长其脉宽，在保证电荷平衡的前提下，有效地降低甚至避免了产生“阳极兴奋”的可能性。如图2所示，先施加一个长的低幅正向刺激，再跟着一个短的高幅负向刺激，而二者幅度与脉宽的乘积相等。仿真实验结果表明当刺激顺序为先正后负时是可以有效地实现选择性刺激的，但先负后正则不行。

图2 单电极双向刺激波形

利用该方法所得到的仿真结果如图3所示，其中(a)是温度为20℃时的结果，(b)是温度为37℃时的结果。20℃时阴极刺激的脉冲宽度均为600μs，阳极刺激脉冲宽度等于或大于1200μs。37℃时对于直径D≥18μm的纤维采用对称刺激脉冲，阴阳刺激的脉宽均为100μs；而当D＜18μm时，采用不对称但电荷平衡刺激，阴极刺激脉宽为100μs或200μs(对于较细的纤维)，而阳极刺激脉宽是它的2或3倍，即200～600μs之间。由于阴阳刺激幅度不同，且对粗细不同的纤维刺激脉宽也可能不同，因此在图3中横坐标只好采用刺激电荷来反映选择性结果。