基于经皮低频电刺激的电子孕妇止吐仪的设计与研发
路鹤晴1，杨林2，王文刚1
1.同济大学附属第一妇婴保健院 设备科，上海 201204；2.昆明法罗适科技有限公司，云南 昆明 650000
[摘 要]根据经皮电刺激（Transcetaneous Electrical Nerve Stimulation，TENS）原理以及中医经络穴位理论设计一种能有效降低由于妊娠等引起的恶心呕吐反应的穿戴式电子止吐仪。内关穴是中医常用的减少气滞、胃气上逆等恶心呕吐反应的穴位。经皮电刺激可通过模拟生物电生理信号，抵消或削弱前庭产生的过量生物电，减少和阻止前庭神经冲动向中枢传递。在内关穴进行TENS治疗，可以提高前庭器官对各种运动刺激的耐受性，使得胃蠕动波恢复正常频率，胃蠕动正常后，恶心和呕吐现象就会停止，从而起到很好的预防呕吐的效果。经实际测试，TENS有效减少了孕妇恶心呕吐反应。
[关键词]经皮电刺激；嵌入式平台；妊娠反应；电子止吐仪
引言
经皮神经电刺激疗法（Transcuataneous Electrical Nerve Stimulation，TENS）是一种通过皮肤表面将特定的频率脉冲电流输入人体缓解疼痛等症状的方法。目前，该技术已广泛地应用于临床，如缓解疼痛（分娩疼痛、慢性腰痛、慢性盆腔疼痛、偏头痛等）、缓解恶心呕吐、治疗失眠、脑卒中偏瘫患者的康复训练、治疗脑卒中后吞咽障碍等[1-6]。
自20世纪90年代，美国利用经皮神经电刺激方法研发的止吐仪在缓解呕吐症状上取得很大进展。例如，WOODSIDE BIOMEDICAL公司的Relief Band是一款采用此方法佩戴于腕部的电子止吐仪[7-10]，于2000年获得美国FDA认证（FDA510k文号：K994387），对缓解孕吐，术后、化疗所致呕吐有显著的临床效果。目前该产品已经广泛应用于缓解孕吐、晕车／船、术后及化疗后呕吐等[11]。
电子孕妇止吐仪是一种新型的体外经皮神经电刺激性医疗器械。基于先进的程控脉冲发生器，电子孕妇止吐仪可通过周期性地发出低频电子脉冲波引起的神经冲动传递到大脑，调节呕吐中枢，达到止呕镇吐的效果。可辅助妊娠剧吐患者达到止呕等治疗作用。电子孕妇止吐仪设计的目的是为了通过这种简单的、非侵入性、非药物性的治疗方法，控制、缓解孕妇在妊娠期间恶心、呕吐和干呕的症状，达到止呕镇吐的辅助治疗作用，且对孕妇和胎儿无不良反应和毒副作用。
1 现状
1.1 必要性
妊娠剧吐（Hyperemesis Gravidarum，HG）是一种严重的妊娠早孕反应。以频繁剧烈呕吐、严重恶心，不能进食，为主要临床表现的症候群，对妊娠结局影响巨大[12-13]。恶心和呕吐作为孕期常见症状，超过半数妊娠妇女均出现，且近年来有上升趋势。严重程度与持续时间因人而异，最常见于孕程6周左右出现，8～10周达高峰，正常者于12周左右逐渐减轻至消失[14]。但是孕妇作为一类特殊人群，因呕吐频繁，不能进食，长期饥饿会导致孕妇体重快速下降，电解质紊乱，脂质代谢中间产物酮体积聚，引起代谢性酸中毒，严重时会引起肝肾功能衰竭，并引发韦尔尼克脑病，甚至威胁孕妇生命。同时，由于孕妇长期营养不良，且生活质量和身心健康均受到巨大影响，还会影响胎儿的生长发育，甚至导致流产死胎[15]。因此，对妊娠剧吐患者实施及时有效的治疗和护理显得非常重要。目前采取的方法主要有：心理治疗、药物治疗、静脉补液、穴位治疗等。
（1）心理疗法。妊娠剧吐的病因至今不明，目前普遍认为是生理因素和心理社会因素共同作用的结果，持续的恶心、呕吐作为不良刺激可影响孕妇，导致其心理健康水平下降，下降的心理健康水平又可反过来加剧妊娠剧吐。因此，在临床护理工作中,维护患者的心理健康水平显得尤为重要[13]。不过，由于看护者给予孕妇的心理支持的力度和专业水平存在较大差异，所以其治疗效果相对有限[8]。
（2）药物治疗。目前，采用药物疗法在妊娠期间治疗孕吐症状，仍是存在争议的。例如灭吐灵、氯丙嗪及反应停等止吐类药物，一方面费用较高；另一方面，此类药物可导致胚胎畸形，均属于孕期、特别是孕早期禁用药,且孕妇及家属也恐惧用药过多会影响胚胎生长发育[16]。
（3）静脉补液。目前治疗孕妇妊娠剧吐的治疗以静脉补液为主，调节水电解质紊乱和酸碱平衡失调，补充能量，抑制脂肪动员，降低尿酮体，及时补充足够的热卡为胚胎发育提供必要的营养物质，安全性高[17]。然而，该方法短时间内止吐效果不理想，食欲恢复慢；需要持续时间较长，且患者后续可能会造成孕妇高血糖、肝功能不全或上瘾等风险[8,18]。
（4）穴位疗法。穴位疗法是一种快捷有效且不影响胚胎发育的治疗孕吐的方法，可减少因出现严重并发症而终止妊娠，如针灸、耳穴贴冷敷等[17,19]。若联合静脉补液和心理治疗能达到标本兼治的效果[17]。但由于孕吐的症状通常持续数周，所以针刺的替代品可能更适用于该症状的治疗。
1.2 充分性
国外临床报道，为避免妊娠剧吐对孕妇自身和胎儿生长发育造成的伤害，采用经皮电神经刺激器作用于患有严重恶心症状的孕妇手腕掌侧的P-6穴位处，可有效缓解孕妇在妊娠期间恶心、呕吐和干呕的症状，达到止呕镇吐的辅助治疗作用，且对孕妇和胎儿无不良反应和毒副作用[8]。
（1）从患者方面分析。经皮电神经刺激疗法可以让患有妊娠剧吐的患者缓解妊娠剧吐症状，从饮食中补充各种营养物质，促进胎儿健康地生长发育。同时，也可以改善患者的心理健康水平，让患者拥有更好的生活质量。
（2）从医院层面分析。经皮电神经刺激疗法通过缓解孕吐，且对孕妇和胎儿无不良反应和毒副作用[8]，从而可进一步降低孕产妇的并发症发生率及胎儿的发育不良或流产的概率。同时，也降低了产科门诊产检就诊的压力，缓解了医生工作的强度。
（3）从国家层面分析。有助于国家关于优生优育的政策的实施，为全面提高我国新生儿人口素质的国家战略做出重要贡献。
2 设计开发
中医针灸临床防治急性“呃逆”与呕吐主要针刺穴位是内关、足三里、合谷等，特别是内关穴位应用频率最高。内关穴在中医经典著作《灵枢?经脉》中定位于腕横纹上2寸中线处，即在两筋之间，属于手厥阴心包经，既是本经穴又是八脉交汇穴之一，通于阴维脉。手厥阴之络由此别出沿本经通过肘、肩关节上行于心包。主治情志失和、气机阻滞而致肺气上逆、胃气上逆以及气滞经络、气滞血瘀所致的呃逆、呕吐等病症。
由于内关穴通于阴维脉，阴维脉联系足太阴、少阴、厥阴经并会于任脉还与阳明经相合，以上经脉都循行于胸脘胁腹，故内关善治症候为胸痛、胃痛、孕吐、晕车、头痛、恶心欲吐、心绞痛、月经痛、呃逆、精神异常等。
电子止吐仪是在TENS基础上研制的新型体外经皮神经刺激性医疗器械。由仪器产生的持续性、低频率脉冲电流输出方式对局部皮肤进行刺激，不但具有比较好的镇痛效果，而且对于多种恶心呕吐性症状也具有很好的抑制效果。
电子止吐仪放置内关穴，经皮对其穴位进行适宜电刺激，由于对内关穴的刺激所激发的经气可通过经络（或感觉传入神经或血脉）传入直达病所，开胸行气、降逆止呕，而达到治疗的目的。本方法体现了中医穴“内病外治，下病治上”的基本治疗原则。
本开发方案正是基于以上原理，同时结合人体对低频电生理反应特性设计的电子止吐仪。产品发出周期性低频双向脉冲波[频率为15 Hz，误差均＜10%，宽度为25～30 μs（半高宽）]，通过刺激手腕部正中神经并向上传递到呕吐中枢，达到调节导致神经性呕吐的信号和往返于胃部迷走神经信号，减轻呕吐，恶心，厌食症状。产品可以精确控制刺激信号的频率、强度，满足不同病人的不同需求。该方案原理清楚，控制简单，生产成本低。
3 总体功能
系统构成包括CPU主控单元、脉冲生成单元、供电单元、控制单元及面板显示单元。其中CPU主控单元用于产生脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）信号（图1），并根据所述PWM信号的相位信息，产生两个控制脉冲PULSE+、PULSE-；脉冲生成单元用于根据所述两个控制脉冲PULSE+、PULSE-生成相位相反、幅度相同的可调刺激电脉冲。
图1 PWM信号的示意图
图2 脉冲生成单元框架图
供电单元用于向所述CPU主控单元和脉冲生成单元供电。控制单元用于控制所述电子止吐仪处于工作或休眠两种工作状态，以及可调刺激电脉冲的强度档位的转换。面板显示单元用于显示当前电子止吐仪的工作状态、当前可调刺激电脉冲的强度档位及电池状态。脉冲生成单元框架图，见图2。
4 电路模块组成
4.1 CPU主控单元
CPU主控单元电路结构图，见图3。分别控制6个发光二极管的工作，按键检测，电池检测，PWM信号产生，以及工作脉冲相位检测及对应检测结果产生两个控制脉冲PULSE+，PULSE-；控制系统进入工作状态或进入休眠状态。
内部振荡器与晶体提供CPU工作时钟。CPU主控单元的单片机芯片，其中，引脚1为PULSE+输出，引脚2为PULSE-输出，引脚44为PWM信号输出，引脚19～24分别与6个LED连接；开关控制单元为PNP型三极管，其中，发射极与芯片的引脚VCC连接，基极与芯片的引脚44连接，集电极通过电感负载、整流二极管、积分电容与升压变压器连接；两个电极控制单元为NPN型三极管，其中，两个集电极分别与升压变压器连接，两个基极均接地，两个发射极分别与芯片的引脚1和引脚2连接；脉冲相位反馈单元为运算放大器，输入端连接于积分电容与升压变压器之间，输出端与芯片的引脚38、引脚42和引脚43连接；控制单元为一按键开关，按键开关一端接地，另一端与芯片的引脚VCC及引脚34连接。
4.2 脉冲生成单元
脉冲生成单元电路图，见图4。此单元完成PWM信号的生成、调制、输出功能。核心芯片具有低延时，低功耗的特点；设计简单、易于编程。可根据用户设置要求调整波形种类、频率等参数。
图3 CPU主控单元电路结构图
图4 脉冲生成单元电路图
开关控制单元、限流单元、整流单元、积分单元、脉冲相位反馈单元、两个电极控制单元、升压变压器及电极；所述开关控制单元、限流单元、整流单元、积分单元、升压变压器及电极依次连接；两个电极控制单元分别与升压变压器连接。脉冲相位反馈单元用于感知所述PWM信号的脉冲信号的相位，并将该相位信息送入CPU主控单元。
PWM信号为22 kHz可调脉冲个数的内部脉冲，振幅为5 V峰值（Peak to Peak，P-P），所述PNP型三极管33 Hz频率导通；所述可调刺激电脉冲频率为33 Hz，振幅分为第一档空载从10 V P-P以每隔30 ms（33 Hz）递增直到60 V P-P；最高档空载从10 V P-P以每隔30 ms递增直到350 V P-P。
（1）由CPU产生的PWM信号，22 kHz可调脉冲个数的内部脉冲，以33 Hz频率控制开关三极管Q2的导通，通过电感负载L2限流及整流二极管D9的作用，及电容C4的积分作用，产生幅度可调的33 Hz功率脉冲，供给升压变压器T1～T3工作。
（2）U1的作用是感知33 Hz的脉冲的相位，将相位信息传给CPU，CPU跟据所收到的相位信息，分别产生两个控制脉冲PULSE+，PULSE-，以控制两个开关管Q1、Q3分别导通,在升压变压器次级即有效作用电极产生相位相反，幅度相同，幅度可调的刺激电脉冲。
（3）BATTERY_CHECK_IN信号供给CPU，以检测电池状况。
4.3 控制单元
仪器的工作与休眠按键有关，休眠状态下，按一下按键，仪器开始工作于第一档，快速按一下，仪器会转到第二档，依此类推，到达第五档后再按一下，回到第一档，如此循环。在任一档工作时间，长按按键超过两秒，仪器会关掉，进入休眠状态。实际产品，见图5。控制单元电路图，见图6。
4.4 供电单元
电池部分经过两个二极管分别给CPU主控及脉冲产生器供电，第一个二极管D7还可以防止电池正负极接反，以保护仪器内部不会损坏。
图5 实际产品正面（上）和背面（下）
图6 控制单元电路图
5 系统软件
系统软件包括引导加载程序、μCLinux内核、用户应用程序。引导加载程序BootLoader是系统加电后运行的第一段代码，它的任务是硬件设备初始化，设置堆栈，将内核映象从Flash读到SDRAM中，然后跳转到内核的入口点运行，即开始启动操作系统。为了最大地利用系统硬件资源，并且还要保证实时控制，所以使用了μClinux这个多任务实时操作系统，通过它实现多任务实时控制。程序的编程语言为C语言以及ARM汇编语言。μClinux的所有源代码都作为本程序的一部分，并与其它代码一起进行编译和链接。
6 结论
本方案提供的电子止吐仪起效迅速，开通几分钟后即可起效，可以在症状产生前或出现后使用；不含药物，不会产生药物的副作用；佩戴方便，不影响驾驶交通工具和驾驶设备。具有多级强度档位，可根据不同的应用人群进行自我调节和控制，以达到最舒适的状态；可更换电池，反复使用，一次更换可连续使用200 h左右。经临床试验，该产品针对缓解孕妇恶心，呕吐和干呕症状的临床总有效率为78.6%。
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本文编辑 袁隽玲
Design and Development of Electronic Antiemetic Instrument for the Pregnant Based on Transcutaneous Electrical Nerve Stimulation
LU Heqing1, YANG Lin2, WANG Wengang1
1.Department of Medical Device, Shanghai First Maternity and Infant Hospital, Tongji University School of Medicine, Shanghai 201204, China；2.Kunming Farosband Technology Co., Ltd., Kunming Yunnan 650000, China
Abstract:To design a wearable electronic antiemetic device that can effectively reduce the nausea and vomiting caused by pregnancy,according to the principle of transcutaneous electrical nerve stimulation (TENS) and the meridian acupoint theory of Chinese medicine.Neiguan acupoint is commonly used in traditional Chinese medicine to reduce flatulence, stomach upset, nausea and vomiting. TENS can offset or weaken the excess bioelectricity produced by vestibulethe by simulating the biological electrophysiological signals,which can reduce and prevent the vestibular nerve impulse to the central transmission. TENS treatment in Neiguan acupoint can improve the tolerance of vestibular organs to various motor stimuli, so that the gastric motility wave returns to normal frequency.Then the nausea and vomiting will stop, with a good effect of preventing vomiting. The actual test showed that TENS could effectively reduce the reaction of nausea and vomiting in pregnant women.
Key words:transcutaneous electrical nerve stimulation; embedded platform; pregnancy reaction; electronic antiemetic instrument
[中图分类号]TH783
收稿日期：2018-02-22
修回日期：2018-03-09
基金项目：申康促进市级医院临床技能与临床创新三年行动计划项目（16CR3081B）。
通讯作者：王文刚，副主任医师，主要研究方向为中医理论在妇产科领域的应用研究。
通讯作者邮箱：wangwengang@51mch.com
[文献标识码]]A
doi：10.3969/j.issn.1674-1633.2018.08.012
[文章编号]1674-1633(2018)08-0053-05