崔紅巖 徐圣普 馮 莉 謝小波*

肌松監(jiān)測儀在臨床上用于判斷神經肌肉阻滯的類型、測定骨骼肌松弛藥(肌松藥)作用起效時間和氣管插管時機的選擇、輔助維持術中最佳肌松狀態(tài)以及對于神經肌肉阻滯的恢復判斷，對于降低手術后患者因肌松作用殘留而引起的各種嚴重并發(fā)癥的發(fā)生率，對提高肌松藥臨床應用的安全性和合理性起到十分關鍵的作用[1-3]。肌松監(jiān)測儀除了監(jiān)測肌松情況，還用于肌松藥的藥代動力學和藥效動力學研究，有助于發(fā)現(xiàn)肌松藥敏感的患者和評價神經肌肉功能的恢復程度[4-7]。為此，本研究設計一種結構簡單、操作方便和便于普及的臨床手術中監(jiān)護用肌松監(jiān)測儀，旨在完成肌松監(jiān)測系統(tǒng)的設計，以期為臨床提供性能穩(wěn)定、操作方便且具有價格優(yōu)勢的肌松監(jiān)測儀。

1 肌松監(jiān)測系統(tǒng)設計

肌松監(jiān)測儀工作原理是采用電刺激運動神經，致使其所支配的肌肉產生收縮與肌電反應，檢測此反應，通過換能器，將收縮的壓力信號轉變?yōu)殡娦盘柦洖V波放大處理，將數(shù)字化的結果進行顯示和打印[8-9]。

利用加速度原理，以51單片機為核心控制單元，設計并實現(xiàn)臨床肌松監(jiān)測最常使用的單次刺激(single twitch，ST)模式、四成串刺激(train of four，TOF)模式、強直刺激后肌顫搐反應刺激(post tetanic count，PTC)模式。ST和TOF用于臨床使用非去極化肌松藥后，對刺激無反應時神經肌肉阻滯程度的評估；而強直刺激后PTC是非去極化肌松藥在接頭前區(qū)域產生神經肌肉阻滯的敏感指標。肌松檢測原理根據(jù)牛頓第二定律：F＝ma，即物體質量一定時，力與加速度成正比。假設傳感器內部運動模塊質量為m，在整個運動過程中，其僅受到重力(mg)和傳感器三軸多晶硅彈簧的彈力(f)。重力(mg)和彈力(f)的合力為(F)，則運動質量塊的實際加速度以gx、gy和gz代表重力所產生的加速度在X軸、Y軸和Z軸的分量；以afx、afy和afz代表因彈力所產生的加速度在X軸、Y軸和Z軸的分量；以aFx、aFy和aFz代表合力F產生的加速度在X軸、Y軸和Z軸的分量。由加速度傳感器的實現(xiàn)原理為公式1：

可知其輸出的加速度信息為ax、ay及az。假設，響應信號檢測模塊在二維平面內的運動示意圖，認為運動質量塊在X-Y平面運動(假設X-Y平面與重力方向平行)。對于任意位置、任意運動狀態(tài)為公式2：

式中θ為運動過程中運動質量塊與X軸的夾角(與Y軸夾角為90-θ)。由于是二維平面運動，因此合加速度的大小為公式3：

合力的大小為公式4：

式中的夾角θ可通過響應信號檢測模塊中的加速度傳感器和角速度傳感器共同求得。其中，運動初始狀態(tài)的重力方向與X軸的初始角度θ0可通過加速度傳感器的傾角檢測機制求得；角速度傳感器的輸出量為角速度，運動過程中的角度改變量Δθ可以通過角速度對時間積分求得；即可求得θ=θ0+Δθ。因此，任意時刻的合力大小|F|僅包含未知量m。

以肌松測量中應用最為廣泛的TOF測量模式為例，所要獲得的最終結果為公式5：

即一次完整的TOF刺激過程中第4次和第1次刺激所產生的合力最大值的比值。由于結果TOF為一比值，消除了未知量m；同時，每次刺激所產生的合力最大值可以通過響應信號檢測模塊輸出的運動信息得到。因此，可以求得最終結果TOF。

在實際肌松測量中，待測量部位的運動為三維空間運動，因此要完全反映其運動，需要三軸加速度信息和三軸角速度信息，根據(jù)上述原理即可求得實際肌松測量時所要的結果。

2 肌松監(jiān)測系統(tǒng)硬件及軟件設計

2.1 硬件設計

(1)硬件結構。肌松監(jiān)測系統(tǒng)硬件構成包括加速度傳感器、主控單元、閉環(huán)壓控振蕩電路、變壓器升壓電路、PWM脈沖輸出控制電路、濾波與放大運算電路、AD轉換電路、數(shù)據(jù)存儲、鍵盤輸入控制界面、LCD顯示、打印以及用于數(shù)據(jù)上傳的接口。系統(tǒng)硬件如圖1所示。

圖1 肌松監(jiān)測系統(tǒng)硬件框圖

(2)微控制器。微控制器控制閉環(huán)壓控振蕩電路電位器輸出控制升壓電路工作，通過升壓變壓器電路驅動器與升壓變壓器產生高壓。同時，主控單元的PWM脈沖發(fā)生單元輸出的一定頻率的脈沖，經分頻產生不同的脈沖，由脈沖輸出控制電路產生恒定的電流脈沖，并通過外部傳感器連接到患者。加速度傳感器采集患者肌張力信號，輸入到模擬濾波與放大運算電路，經行二階低通濾波與差分運算放大后輸入到AD轉換電路，AD轉換結果輸入到微控制器處理與運算，TOF做為主要的監(jiān)測模式。

(3)主控單元。主控單元控制脈沖刺激器產生肌松測量所需要的恒流刺激電流，刺激電流的大小和脈沖寬度在允許的人體阻抗范圍內可調；根據(jù)需要，分別產生單個脈沖刺激、TOF刺激、PTC刺激。同時，刺激信號源將產生的恒流刺激電流反饋回主控單元進行監(jiān)測，確保刺激參數(shù)控制在允許的人體阻抗范圍內，以保證患者的安全。來自外部加速度傳感器的信號，經放大濾波、A/D轉換，輸入到主控單元，進行算法處理，處理后的肌松檢測值輸入到顯示、打印模塊，分別進行顯示、打印和數(shù)據(jù)上傳。系統(tǒng)的主控單元選用兼容51單片機兼容的ADUC813，其集成8路12位的A/D，采樣速度達2 US，兩路12位的D/A，內置參考源，一路串口和16個I/O口。

(4)前級放大電路與顯示。采用TLC2262，這款運放精度較高，失調電壓典型值僅有300 μV，最大值2.5 mV，輸入阻抗高于TL062。搭建高靈敏度的橋式電路，與12位模擬與數(shù)字(analog digital，A/D)轉換采樣電路一起構成了前級電路和數(shù)字采集電路。系統(tǒng)的顯示屏選用RA8835藍屏LCD顯示屏，分辨率為320×240可以將刺激模式選擇、刺激脈沖波形等清晰顯示，便于醫(yī)護人員操作和觀察。

(5)刺激模式。本研究設定了ST、TOF和PTC的3種刺激模式。各模式參數(shù)為：①ST刺激模式，設計頻率為1～0.1 Hz的單個超強刺激，作用于外周運動神經；②TOF刺激模式，設計間隔0.5 s(頻率為2 Hz)連續(xù)發(fā)出4個超強刺激，每10～12 s重復一次，TOF=T4÷T1×100%；③PTC刺激模式，設計為持續(xù)5 s的50 Hz強直刺激，間隔3 s后改為1 Hz的單刺激，計算肌顫搐的次數(shù)。

(6)系統(tǒng)傳感器。設計為三導聯(lián)，即RA、LA及LL，導聯(lián)方式為Ⅰ、Ⅱ及Ⅲ。系統(tǒng)設置RS232串口，可以將肌松監(jiān)測結果傳輸?shù)诫娔X進行數(shù)據(jù)分析。

2.2 軟件設計

由加速度傳感器將刺激產生的加速度信息轉換為電信號，經放大和濾波處理。在傳感器接收到刺激電極產生的刺激電壓信號以后，經信號處理后，將處理的信號經AD轉換，并計算各刺激模式下的肌松監(jiān)測值。在TOF刺激模式下，刺激響應的電壓幅值經T4/T1比較，將比值結果與閾值進行比較，當比較值＞90%，判定為過閾值，而TOF＜90%，可作為報警；同時比值結果通過數(shù)據(jù)傳輸分別進行顯示和打印。軟件系統(tǒng)流程如圖2所示。

3 肌松監(jiān)測系統(tǒng)的臨床應用

經與同類臨床常用的肌松監(jiān)測儀進行對比測試，系統(tǒng)的參數(shù)實現(xiàn)滿足設計要求。操作開始，系統(tǒng)復位后進行刺激模式選擇，選定刺激模式后開始刺激；采集加速度傳感器的刺激信號，檢測拇指在電流刺激下的運動信號。由加速度傳感器將刺激產生的加速度信息轉換為電信號，經放大和濾波處理。在傳感器接收到刺激電極產生的刺激電壓信號以后，經信號處理后，將處理的信號經AD轉換，并計算各刺激模式下的肌松監(jiān)測值。在TOF刺激模式下，刺激響應的電壓幅值經T4/T1比較，將比值結果與閾值進行比較，當比較值＞90%，判定為過閾值，而TOF＜90%，可作為報警；同時比值結果通過數(shù)據(jù)傳輸分別進行顯示和打印。術中采用肌松監(jiān)測儀檢測患者麻醉深度如圖3所示。

圖2 肌松監(jiān)測系統(tǒng)軟件控制流程圖

圖3 肌松監(jiān)測儀術中監(jiān)護示圖

4 討論

臨床手術過程中及術后采用肌松監(jiān)護相比較，僅憑臨床癥狀觀察判斷，可顯著降低麻醉恢復期肌松藥物殘余阻滯的發(fā)生率，降低臨床拔管時機的不確定性[10]。同時，麻醉恢復期低氧血癥的發(fā)生與肌松殘余作用關系密切，采用肌松監(jiān)測，可以準確地判斷肌松殘余的作用是否消失，很大程度上減少肌松殘余阻滯的發(fā)生，有效降低低氧血癥的發(fā)生率，為患者順利度過麻醉恢復期提供幫助[11]。對于全麻患者，術后在拔管的過程中可引起強烈而短暫的心血管反應，而傳統(tǒng)的氣管拔管時，患者意識逐漸清醒，氣管導管的刺激，以及吸痰的操作直接刺激氣管和咽喉部，引起嗆咳，多表現(xiàn)為血壓升高、心率加快以及躁動不安[12]。尤其對于老年人，隨著年齡的增長，心血管系統(tǒng)的順應性不可避免的會降低，對循環(huán)改變的適應能力差，此反應可能引起一系列的嚴重并發(fā)癥，如心肌梗死、惡性心率失常、急性心功能衰竭等[13]。如有的高血壓病史患者對蘇醒時氣管拔管的心血管反應更加顯著，易誘發(fā)腦血管意外。采用肌松監(jiān)測儀進行輔助監(jiān)測，患者的氣管拔管肌松殘余的發(fā)生率降低，血流動力學穩(wěn)定，生命體征波動較小，可以幫助老年患者平穩(wěn)渡過拔管的高危時期，并有效減少麻醉藥物用量，縮短患者蘇醒及拔管時間，降低低氧血癥發(fā)生率[14-15]。

在機器人輔助手術中，如手術時間較長，會導致患者氣道壓明顯升高，且血流動力學出現(xiàn)較大波動。盲目追加肌松鎮(zhèn)靜藥物來加深麻醉，既造成藥物浪費又增加術中知曉“蘇醒延遲”肌松藥殘留的風險[16]。使用肌松監(jiān)測設備，術中能精確的調節(jié)肌肉松弛程度，減少因肌松不足導致的人機對抗，因此肌松檢測組術中氣道峰壓及氣道平臺壓較對照組的波動明顯減小。對于肌松水平的準確監(jiān)測，可有效避免患者體動對機器人機械臂的相互損傷，減少肌松藥和鎮(zhèn)靜、鎮(zhèn)痛麻醉藥物的不合理應用，又能及時預防術中知曉。

本研究設計完成了肌松檢測儀系統(tǒng)，測試結果符合設計要求，由于肌松檢測儀的廣闊應用前景，可以在臨床手術期間和圍手術期對患者進行連續(xù)肌松監(jiān)測。在實際手術中，由于患者的個體差異較大，鑒于對肌松監(jiān)護儀存儲數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，有助于做到肌松藥物計量的個體化；同時，對于肌肉松弛程度的監(jiān)控，可以判斷插管和肌松藥物追加的時機，有利于實施深度麻醉下的拔管，避免了患者的不適應感。分析術后患者呼吸不能自主恢復的原因，其數(shù)據(jù)分析結果可以用于科研和評價新的肌松藥物。