經皮神經電刺激(TENS)作為非藥物性分娩鎮痛方法日益受到人們重視。針對國內現存產品性能不穩定、鎮痛效果不理想等問題, 本文設計研制了生物反饋式TENS分娩鎮痛治療系統, 通過對比刺激電流的波形、頻率、強度等對鎮痛效果影響的差別, 提出將低頻調制中頻電流引入到TENS脈沖的新思路, 并應用于分娩鎮痛裝置。課題組設計了多種電刺激處方, 分別用于宮縮期間的鎮痛或者無宮縮時的按摩, 并依此提出生物反饋式TENS分娩鎮痛方法, 即根據檢測到的宮縮壓力等反饋信號可自動選擇鎮痛處方并調節信號參數。臨床試驗結果表明, 儀器性能達到了設計要求, 具有良好的分娩鎮痛效果。
引用本文： 鄧松波, 陸堯勝, 方堃, 秦如意, 林展. 生物反饋式經皮神經電刺激分娩鎮痛系統的研制. 生物醫學工程學雜志, 2015, 32(3): 650-655. doi: 10.7507/1001-5515.20150118 復制
引言
在醫學疼痛指數中，產痛高踞第二。尤其由胎位不正、難產引起的產程延長，使疼痛更加劇烈，不少產婦也因此放棄自然分娩而選擇剖宮產。據世界衛生醫學權威期刊《柳葉刀》報告指出：中國為世界剖宮產率最高的國家，達46.2%，遠遠超出于世界衛生組織建議上限范圍15%[1]。減輕分娩疼痛，降低剖宮產，促進自然分娩，是醫學領域乃至心理學領域不斷探索追求的目標。
針對分娩鎮痛，我國主要采用藥物性硬膜外麻醉分娩鎮痛技術，其在用藥時機、麻醉醫生的選擇、監護和搶救設備等方面都有嚴格要求，此外還可能引起相關并發癥和禁忌癥，難以實現人人分娩鎮痛、有效降低剖宮產率的目標。
已有的研究提出，在非藥物鎮痛方法中經皮神經電刺激(transcuataneous electrical nerve stimulation，TENS)作為一種非侵入性的方法，能有效減輕分娩疼痛且產婦樂于使用，亦不會對母體和胎兒產生副作用[2-4]，成為分娩鎮痛的重要方法之一[5-9]。本文介紹一種生物反饋式TENS分娩鎮痛治療儀，將生物反饋與TENS結合，對產婦的鎮痛處方自動、實時調控，并提出將0~150 Hz低頻調制中頻電流引入到TENS中，調制的中頻電流兼具低頻和中頻的優點[10]。實際操作中，通過調節中頻電流幅度、低頻成分多少和振幅大小，即可改變刺激的強度，以調控電流的頻率、波型、幅度不斷變化的方式，使人體不易對其產生適應性，從而適應不同的治療需要[10]。
在電刺激波群(波群：軟件編輯所得不同頻率的低頻調制中頻脈沖的調制波組合)的參數設計上，低頻脈沖采用頻率為1~150 Hz的雙向矩形波、三角波和梯形波，單個脈沖的脈寬為100~500μs可調，對中頻正弦載波進行調制，調制頻率為1 000~5 000 Hz。在1 kΩ負載下輸出強度小于10 mA，通過系統編程將輸出強度量化為1~100個單位的數值，可進行任意設置和調節，也保證了其安全性(電流強度符合YY0607-2007神經和肌肉刺激器安全專用要求)。對鎮痛脈沖的波形、脈寬、頻率、強度等多參數組合設置而形成多種電刺激波群而言，鎮痛型波群采用75~100 Hz低頻調制，能快速加強肌肉收縮，即時減輕疼痛感，適用于宮縮時期；舒緩型波群采用1~15 Hz低頻調制，類似于針灸的感覺，作用深入、感覺舒適，耐受性很強，適用于宮縮間歇期。為提高適應性，多種波群組合形成不同的處方(處方：分娩鎮痛儀輸出的電刺激波組合波群)最終輸出。結合相應的實時宮縮壓力檢測和提取算法，本系統能自動調節至最合適的處方，達到更好的分娩鎮痛效果。
1 生物反饋式TENS分娩鎮痛儀總體設計
系統采用電路模塊結合電腦(personal computer，PC)的上、下位機結構。下位機包括單片機(microprogrammed control unit，MCU)控制電路、鎮痛信號板電路、宮縮壓力檢測電路和手握壓力傳感器電路，各個電路采用模塊化的設計方法；上位機的軟件系統主要負責處方參數的設置和控制、病例登記、信息查詢、報警等功能。上下位機間通過通用串行總線(universal serial bus，USB)轉串口進行通信，使上位機信號和預設參數準確地傳輸到MCU后，經數字模擬轉換器(digital-to-analog converter，DAC)轉換，鎮痛信號板的電路放大，實現特定參數波形的輸出。同時根據宮縮壓力檢測電路和手握壓力傳感器電路檢測到的相應信號，經MCU控制電路反饋調節，輸出自動調節的分娩鎮痛電刺激處方。總體原理框圖如圖 1所示。
圖1
總體原理框圖
Figure1.
Block diagram of overall principle
生物反饋式TENS的模式選擇、刺激參數的顯示和精確設置通過觸控式一體機實現。上位機獲取操作者設置的參數后，通過FT2232芯片實現USB轉串口與微控制器通訊。上位機將刺激時間、間歇時間、刺激脈寬、頻率等參數傳送給微處理器，由微處理器根據波形描述信息(即鎮痛處方信息)進行軟件編程，連同反饋信號的調節來控制波形調制模塊，再到鎮痛信號放大板放大，從而實現特定參數的波形輸出。
2 關鍵技術
2.1 生物反饋式分娩鎮痛參數調控方法
生物反饋的實現是通過宮縮壓力值和疼痛信號來反饋調節整個系統的處方輸出。
鎮痛參數的調控方法是利用無線探頭對宮縮壓力進行實時監測，設計合理的算法，在讀取宮縮壓力值時對宮縮程度進行分情況討論，以在宮縮最強時調節至鎮痛效果最強的處方強度；并實時讀取產婦的手握壓力來進一步量化疼痛，加以綜合分析，調節電刺激波形處方輸出。
通過雙方面的反饋調節，在產婦宮口打開不同階段的不同疼痛時期，可達到實時最佳鎮痛效果。TENS處方參數調節流程圖如圖 2所示。
圖2
系統參數調節方法
Figure2.
System parameter control method
在實時胎心監護模塊的檢測下，得到實時的相對宮縮壓力值TOCO(后文提到的宮縮壓力值均指相對宮縮壓力值)，設定電刺激輸出波群參數類型為 XTOCO1，實時的刺激幅度為ATOCO，在一定時間內區分宮縮期和宮縮間歇期。
在宮縮間歇期，相對宮縮保持一定范圍內的平穩且數值處于較低水平。當相對宮壓值TOCO處于此時期，僅需給予舒緩型波群XTOCO1進行舒緩按摩，同時也有放松肌肉的效果；
在宮縮活躍期，設定TOCOthreshold為相對宮縮壓力的疼痛閾值，即疼痛可忍受閾。根據實時的TOCO來判斷電刺激參數的類型，并設定其強度，
當TOCO＜TOCOthreshold時，XTOCO設為已知按摩型波群XTOCO2，
當TOCO＞TOCOthreshold時，電刺激波群類型設為已知鎮痛型波群XTOCO3，
同時，通過比較前一時刻TOCOn+1和后一時刻TOCOn的宮縮壓力值的波動趨勢判斷宮縮壓力值處于上升段還是下降段。在上升段，宮縮壓力在短時間內上升較快，隨之疼痛也加劇；在下降段，宮縮壓力也在短時間內下降，隨之疼痛感逐漸減弱。但綜合來講，宮縮活躍期的疼痛大都遠遠大于宮縮間歇期，因此對于宮縮活躍期內的鎮痛型波群的控制策略進行合理設計尤為重要。
基于上述原理，使電刺激波群的幅度ATOCO隨著TOCO的增大而增加，
即
| $ {{\rm{A}}_{TOCO}}={{\rm{K}}_{TOCO}} \cdot TOCO+{{\rm{A}}_{{\rm{default}}}} $ |
其中Adefault為電刺激波群的初始默認幅度值，KTOCO為電刺激波群幅度ATOCO與實時宮縮壓力值TOCO之間的比例系數[11]。
另一方面，也通過壓力傳感器檢測到孕婦最大手握壓力值Fmax及實時手握壓力值F；再次確定電刺激波群的類型XF，并調節輸出波群幅度AF；
當F＞Fkthreshold·Fmax，XF設為XTOCO，
電刺激波群幅度
| $ {{\rm{A}}_F}={{\rm{A}}_{TOCO}}+{{\rm{K}}_F} \cdot {{\rm{A}}_{{\rm{defult}}}} $ |
其中Fkthreshold為手握壓力比的疼痛閾值，0＜Fkthreshold＜1；KF為電刺激波群幅度AF與手握壓力F之間的比例系數[11]；
當F＜Fkthreshold·Fmax，XF設為按摩型波群XF1，反之則為XF2。
基于以上雙方面的生物反饋調節，
若XTOCO為按摩型波群XTOCO2，電刺激波群幅度按式AF=ATOCO+KF·F+Adefault計算；
若XTOCO為鎮痛型波群XTOCO3，電刺激波群幅度按式計算AF=ATOCO+KF·F+Adefault；
僅當XTOCO和XF都為按摩型波群時，最終輸出波群類型X為按摩型波群；當其他情況，X均為鎮痛型波群。但鎮痛型波群有所區分，XTOCO和XF都為鎮痛波群時，輸出強鎮痛型波群一，否則輸出鎮痛型波群二。最終輸出幅度A設為A=AF，同時A的值不超過系統設置的安全幅度上限Amax。
根據上述計算最終確認輸出電刺激波群類型X及輸出幅度A。此波群設計是基于基礎波形的形態參數、組合順序、持續時間及載波信號，調制合成多級電刺激波群。
2.2 處方配置原理與流程
分娩鎮痛電脈沖治療處方的輸出就是通過電刺激脈沖發生器與上述生物反饋式參數調控方法結合，實現各參數自主設計，并把參數信息預先保存在波群發生器內。
分娩鎮痛系統首先通過數據的采集，即母胎監護模塊檢測的宮縮壓力值和傳感器檢測到的手握壓力值進行綜合分析；獲得相對量化的疼痛信息；再在所述的分娩鎮痛工作站進行計算后，匹配電刺激波群的輸出類型和幅度，最終輸出電刺激波群波形、實時頻率和幅度。其中電刺激波群發生器主要由載波數據存儲單元、頻率數據存儲單元、波形數據存儲單元、幅度數據存儲單元、數據輸出讀取單元、DAC轉換器、主控電路和驅動放大電路組成。
如圖 3所示，載波數據存儲單元存儲一個周期內載波信號的抽樣數據；頻率數據存儲單元則存儲電刺激波群實時頻率；波形數據存儲單元存儲電刺激波群的波形信息；幅度數據存儲單元存儲波群的實時幅度；數據輸出讀取單元以頻率數據存儲單元存儲的頻率來循環讀取波形數據存儲單元信息，依次輸出抽樣數據，就得到一個基礎載波信號的多參數數據。
圖3
處方實現流程圖
Figure3.
Prescription flow chart
通過反復調研和臨床試驗研究，將幾種有效性較高的基礎低頻電流調制波組合，根據鎮痛機理選取按摩型和鎮痛型等多類波形相應的參數，設置每種調制波作用的時間，得到一組波群，進而通過將波群的組合經中頻調制波調制得到相應的鎮痛處方。圖中DAC轉換器將抽樣的數字信號轉換成模擬信號，經放大驅動電路放大輸出，同時根據幅度數據存儲單元存儲的幅度值加以反饋調節，最終實現有效處方及電刺激波群的輸出。
2.3 人機交互功能與軟件系統
一體機分娩鎮痛治療系統，采用觸摸屏式人機交互界面。操作者通過觸摸屏可實現刺激脈寬、刺激頻率、刺激時間和間歇時間等治療參數的顯示和準確設置。在人機交互界面設計中，將工作處方設計為固定處方模式和自動調節模式。在固定處方模式下，操作者可從預設多種處方中選擇，每次開始鎮痛時強度都逐步增加，減輕孕婦使用的不適應感；在自動調節模式下，通過觸摸屏式操作面板會依據宮縮壓力強度大小自動調節和設定治療參數，鎮痛強度輸出會在原先設定值基礎上隨宮縮壓力的增大而增大，宮縮壓力的減小而減小。人機交互界面具有實時性高、靈活性好和控制精度高的特點。
軟件系統采用Borland C++Builder 6.0作為開發工具，可依據時間繪制鎮痛處方強度曲線，保證治療的安全性和有效性。每次治療前對系統進行自檢，當電極片粘貼位置不準確或粘合性不好而使輸出阻抗異常時，能給出具體的錯誤提示；還可根據治療要求，按照孕婦當時的狀態需求增加或減少鎮痛強度，調整到合適的治療狀態，以達到較好的治療效果；并提供病歷登記、信息查詢、治療參數維護等輔助功能。處方編輯軟件界面如圖 4所示。
圖4
處方編輯軟件界面
Figure4.
Prescription editing software interface
3 結果
為了驗證生物反饋式TENS鎮痛電刺激治療儀的安全性和有效性，進行了如下試驗。
啟動鎮痛，用示波器的一個通道測量鎮痛放大板模塊的輸出端，檢測到相應波群，記錄兩個相同波群之間重復頻率下的時間間隔t，根據公式f=1/t算出調制波頻率，所測調制頻率均在300 Hz內；用示波器另一個通道測量得到相應的波群，放大波群，會看到類似于圖 5的波形，記錄一個脈沖周期T，根據公式f=1/T算出脈沖重復頻率(即載波頻率)，所測重復頻率在1 kHz~10 kHz內；通過測出的一個脈沖周期，即可讀出脈沖寬度，在100~1000μs內。各電刺激參數均在安全范圍內[12]，如圖 5所示，Vpp表示示波器檢測出的瞬時峰峰值電壓。
圖5
強度檢測的實驗波形示意圖
Figure5.
Schematic waveform of intensity detection experiments
然后，進行生物反饋的有效性測試。一開始，檢測宮縮壓力的生物反饋調節，將一次性無紡布碳纖維導電粘膠電極片(阻抗約為500Ω)貼在受試者(為宮口開3 cm的待產婦)的腰部上(取脊柱中心線對應臍平面位置，左右旁開3 cm處)、腰部下(距“腰部上”確定的兩點垂直向下5 cm處)和手部(一個電極片粘貼在虎口處，另一個粘貼在腕部正中神經)，同時綁上宮縮壓力探頭。
步驟一：點擊一體機按鈕啟動鎮痛，鎮痛強度逐次上升到基準值，有明顯的針刺與按摩交替的感覺；
步驟二：點擊自動調節，處于此狀態即代表當受試者宮縮來臨，壓力上升時，輸出的處方類型將發生變化。同時處方強度也有相關度為10%的增加，用示波器檢測前后的輸出端電流(如圖 6所示，由于電流較小，并聯500Ω電阻接入示波器測量，峰峰值電壓U1增大至U2)也有一定值的增加，隨后，至宮縮間歇，宮縮值下降(峰峰值電壓U2減少至U3，且U1、U2及U3在時間上連續)，輸出處方自動轉換為舒緩按摩型處方，強度相應減小；
圖6
生物反饋調節時的電流變化
Figure6.
Current changes during biofeedback adjusting
步驟三：讓受試者手握壓力傳感器模塊，暫停宮縮壓力檢測，手握壓力也從另一方面實時反饋疼痛信號，點擊自動調節模式，鎮痛處方強度依據手握壓力自動變化；
步驟四：既檢測宮縮壓力又檢測手握壓力時，當兩者值均為最大時，鎮痛處方變換至最強鎮痛處方，強度在原有基礎上增加，喊叫停止，待受試者分娩完畢，實現分娩鎮痛儀的生物反饋和智能化功能。
在南方醫科大學南方醫院婦產科做臨床驗證時，經醫院倫理委員會批準，并簽署知情同意書后，選擇自愿參與試驗并符合入選條件(排除佩戴心臟起搏器者、皮膚敏感者、對刺激過度敏感者、心肺功能不全及產科高危患者等或其他醫生不建議做本臨床研究的)的待產孕婦96名。由專業人員負責實施本系統的臨床試驗，按照陽性對照試驗方法，試驗組和對照組各48名。試驗組：對宮口開2～3 cm的待產孕婦進行鎮痛分娩，直至宮口開全；對照組：為正常產科流程處置的自然分娩。兩組均進行全產程臨床觀察記錄。采用視覺模糊評分法(visual analogue scale, VAS)對產婦進行疼痛評估，試驗的統計結果如表 1所示。同時也關注對產程、產后出血、新生兒Apgar評分的影響。通過試驗數據的分析可以發現：①實施鎮痛后，在潛伏期、加速期、最大加速期和減速期的VAS評分與對照組各期比較均有明顯降低，使產痛從9～10級劇烈疼痛降低至可忍受的7級甚至6級以下，具有統計學意義；②整個試驗過程試驗組較對照組的產程縮短，均未產生不良反應，產婦樂于接受，對母兒無副作用，鎮痛效果明顯。
表1
鎮痛效果VAS評分比較
Table1.
Analgesic effect of VAS score
4 總結
TENS作為非藥物分娩鎮痛方法，具有很多優點，如：無需配備專業的麻醉師、無自主神經阻滯、“非侵入性”操作、對母嬰無毒副作用、無運動阻滯、不影響宮縮和產婦運動，全程產婦保持清醒，可體驗生產過程等。由于我國專業麻醉師缺少，各種復蘇搶救器械(包括成人與新生兒的)、心電監護儀、麻醉藥品及復蘇藥品等不齊全，且用量控制不嚴格易產生副作用等不利因素的存在，在國外應用較成熟廣泛的硬膜外阻滯方法，在我國尚不能廣泛應用(達到80%~90%)。進行對比研究時，將藥物性鎮痛方法的鎮痛效果與TENS比較，大部分顯然難以達到藥物鎮痛的效果，但非藥物性鎮痛具有無副作用和操作簡單的優點，值得推廣和使用。傳統的TENS用于分娩鎮痛效果存在一些爭議：①鎮痛效果個體差異性大，為了達到較好的效果往往需要導樂師的陪伴，通過心理因素影響提高鎮痛效果；②處方單一、固定，整個產程均采用同樣的鎮痛處方，產婦很容易產生“耐受性”，為了保證鎮痛效果，需要不斷人工干預，調整鎮痛強度；③鎮痛效果依賴經驗，有經驗的導樂師和一般操作者臨床效果會產生很大的差異。
生物反饋式TENS分娩鎮痛治療系統將生物反饋與TENS技術相結合，利用合理的參數調控算法，實現安全、有效、自動調節的分娩鎮痛治療。本系統采用引入低頻電流調制中頻的方法，與參數調控算法有機結合，借助生理信息(宮縮壓力信號)的反饋調節，可對多種刺激參數(強度、頻率、脈寬)進行精確設置，解決了目前鎮痛參數信號設置單一的缺陷，實現了刺激模式的選擇和生物反饋的作用。作為非藥物的鎮痛方法，本文介紹的系統具有無創、便捷、人機交互能力強等特點。
我們研發的電刺激治療儀已完成初步實驗，由實驗可知：儀器已達到設計要求，實現了既定的功能。下一步的目標是：將其更廣泛地運用于臨床，獲得長期、大量臨床數據；根據個體的差異性，完成臨床數據分析和有效性分析；進一步改進處方算法，提高分娩鎮痛治療儀的有效性，也使TENS用于分娩鎮痛收到更好的成效。
引言
在醫學疼痛指數中，產痛高踞第二。尤其由胎位不正、難產引起的產程延長，使疼痛更加劇烈，不少產婦也因此放棄自然分娩而選擇剖宮產。據世界衛生醫學權威期刊《柳葉刀》報告指出：中國為世界剖宮產率最高的國家，達46.2%，遠遠超出于世界衛生組織建議上限范圍15%[1]。減輕分娩疼痛，降低剖宮產，促進自然分娩，是醫學領域乃至心理學領域不斷探索追求的目標。
針對分娩鎮痛，我國主要采用藥物性硬膜外麻醉分娩鎮痛技術，其在用藥時機、麻醉醫生的選擇、監護和搶救設備等方面都有嚴格要求，此外還可能引起相關并發癥和禁忌癥，難以實現人人分娩鎮痛、有效降低剖宮產率的目標。
已有的研究提出，在非藥物鎮痛方法中經皮神經電刺激(transcuataneous electrical nerve stimulation，TENS)作為一種非侵入性的方法，能有效減輕分娩疼痛且產婦樂于使用，亦不會對母體和胎兒產生副作用[2-4]，成為分娩鎮痛的重要方法之一[5-9]。本文介紹一種生物反饋式TENS分娩鎮痛治療儀，將生物反饋與TENS結合，對產婦的鎮痛處方自動、實時調控，并提出將0~150 Hz低頻調制中頻電流引入到TENS中，調制的中頻電流兼具低頻和中頻的優點[10]。實際操作中，通過調節中頻電流幅度、低頻成分多少和振幅大小，即可改變刺激的強度，以調控電流的頻率、波型、幅度不斷變化的方式，使人體不易對其產生適應性，從而適應不同的治療需要[10]。
在電刺激波群(波群：軟件編輯所得不同頻率的低頻調制中頻脈沖的調制波組合)的參數設計上，低頻脈沖采用頻率為1~150 Hz的雙向矩形波、三角波和梯形波，單個脈沖的脈寬為100~500μs可調，對中頻正弦載波進行調制，調制頻率為1 000~5 000 Hz。在1 kΩ負載下輸出強度小于10 mA，通過系統編程將輸出強度量化為1~100個單位的數值，可進行任意設置和調節，也保證了其安全性(電流強度符合YY0607-2007神經和肌肉刺激器安全專用要求)。對鎮痛脈沖的波形、脈寬、頻率、強度等多參數組合設置而形成多種電刺激波群而言，鎮痛型波群采用75~100 Hz低頻調制，能快速加強肌肉收縮，即時減輕疼痛感，適用于宮縮時期；舒緩型波群采用1~15 Hz低頻調制，類似于針灸的感覺，作用深入、感覺舒適，耐受性很強，適用于宮縮間歇期。為提高適應性，多種波群組合形成不同的處方(處方：分娩鎮痛儀輸出的電刺激波組合波群)最終輸出。結合相應的實時宮縮壓力檢測和提取算法，本系統能自動調節至最合適的處方，達到更好的分娩鎮痛效果。
1 生物反饋式TENS分娩鎮痛儀總體設計
系統采用電路模塊結合電腦(personal computer，PC)的上、下位機結構。下位機包括單片機(microprogrammed control unit，MCU)控制電路、鎮痛信號板電路、宮縮壓力檢測電路和手握壓力傳感器電路，各個電路采用模塊化的設計方法；上位機的軟件系統主要負責處方參數的設置和控制、病例登記、信息查詢、報警等功能。上下位機間通過通用串行總線(universal serial bus，USB)轉串口進行通信，使上位機信號和預設參數準確地傳輸到MCU后，經數字模擬轉換器(digital-to-analog converter，DAC)轉換，鎮痛信號板的電路放大，實現特定參數波形的輸出。同時根據宮縮壓力檢測電路和手握壓力傳感器電路檢測到的相應信號，經MCU控制電路反饋調節，輸出自動調節的分娩鎮痛電刺激處方。總體原理框圖如圖 1所示。
圖1
總體原理框圖
Figure1.
Block diagram of overall principle
生物反饋式TENS的模式選擇、刺激參數的顯示和精確設置通過觸控式一體機實現。上位機獲取操作者設置的參數后，通過FT2232芯片實現USB轉串口與微控制器通訊。上位機將刺激時間、間歇時間、刺激脈寬、頻率等參數傳送給微處理器，由微處理器根據波形描述信息(即鎮痛處方信息)進行軟件編程，連同反饋信號的調節來控制波形調制模塊，再到鎮痛信號放大板放大，從而實現特定參數的波形輸出。
2 關鍵技術
2.1 生物反饋式分娩鎮痛參數調控方法
生物反饋的實現是通過宮縮壓力值和疼痛信號來反饋調節整個系統的處方輸出。
鎮痛參數的調控方法是利用無線探頭對宮縮壓力進行實時監測，設計合理的算法，在讀取宮縮壓力值時對宮縮程度進行分情況討論，以在宮縮最強時調節至鎮痛效果最強的處方強度；并實時讀取產婦的手握壓力來進一步量化疼痛，加以綜合分析，調節電刺激波形處方輸出。
通過雙方面的反饋調節，在產婦宮口打開不同階段的不同疼痛時期，可達到實時最佳鎮痛效果。TENS處方參數調節流程圖如圖 2所示。
圖2
系統參數調節方法
Figure2.
System parameter control method
在實時胎心監護模塊的檢測下，得到實時的相對宮縮壓力值TOCO(后文提到的宮縮壓力值均指相對宮縮壓力值)，設定電刺激輸出波群參數類型為 XTOCO1，實時的刺激幅度為ATOCO，在一定時間內區分宮縮期和宮縮間歇期。
在宮縮間歇期，相對宮縮保持一定范圍內的平穩且數值處于較低水平。當相對宮壓值TOCO處于此時期，僅需給予舒緩型波群XTOCO1進行舒緩按摩，同時也有放松肌肉的效果；
在宮縮活躍期，設定TOCOthreshold為相對宮縮壓力的疼痛閾值，即疼痛可忍受閾。根據實時的TOCO來判斷電刺激參數的類型，并設定其強度，
當TOCO＜TOCOthreshold時，XTOCO設為已知按摩型波群XTOCO2，
當TOCO＞TOCOthreshold時，電刺激波群類型設為已知鎮痛型波群XTOCO3，
同時，通過比較前一時刻TOCOn+1和后一時刻TOCOn的宮縮壓力值的波動趨勢判斷宮縮壓力值處于上升段還是下降段。在上升段，宮縮壓力在短時間內上升較快，隨之疼痛也加劇；在下降段，宮縮壓力也在短時間內下降，隨之疼痛感逐漸減弱。但綜合來講，宮縮活躍期的疼痛大都遠遠大于宮縮間歇期，因此對于宮縮活躍期內的鎮痛型波群的控制策略進行合理設計尤為重要。
基于上述原理，使電刺激波群的幅度ATOCO隨著TOCO的增大而增加，
即
| $ {{\rm{A}}_{TOCO}}={{\rm{K}}_{TOCO}} \cdot TOCO+{{\rm{A}}_{{\rm{default}}}} $ |
其中Adefault為電刺激波群的初始默認幅度值，KTOCO為電刺激波群幅度ATOCO與實時宮縮壓力值TOCO之間的比例系數[11]。
另一方面，也通過壓力傳感器檢測到孕婦最大手握壓力值Fmax及實時手握壓力值F；再次確定電刺激波群的類型XF，并調節輸出波群幅度AF；
當F＞Fkthreshold·Fmax，XF設為XTOCO，
電刺激波群幅度
| $ {{\rm{A}}_F}={{\rm{A}}_{TOCO}}+{{\rm{K}}_F} \cdot {{\rm{A}}_{{\rm{defult}}}} $ |
其中Fkthreshold為手握壓力比的疼痛閾值，0＜Fkthreshold＜1；KF為電刺激波群幅度AF與手握壓力F之間的比例系數[11]；
當F＜Fkthreshold·Fmax，XF設為按摩型波群XF1，反之則為XF2。
基于以上雙方面的生物反饋調節，
若XTOCO為按摩型波群XTOCO2，電刺激波群幅度按式AF=ATOCO+KF·F+Adefault計算；
若XTOCO為鎮痛型波群XTOCO3，電刺激波群幅度按式計算AF=ATOCO+KF·F+Adefault；
僅當XTOCO和XF都為按摩型波群時，最終輸出波群類型X為按摩型波群；當其他情況，X均為鎮痛型波群。但鎮痛型波群有所區分，XTOCO和XF都為鎮痛波群時，輸出強鎮痛型波群一，否則輸出鎮痛型波群二。最終輸出幅度A設為A=AF，同時A的值不超過系統設置的安全幅度上限Amax。
根據上述計算最終確認輸出電刺激波群類型X及輸出幅度A。此波群設計是基于基礎波形的形態參數、組合順序、持續時間及載波信號，調制合成多級電刺激波群。
2.2 處方配置原理與流程
分娩鎮痛電脈沖治療處方的輸出就是通過電刺激脈沖發生器與上述生物反饋式參數調控方法結合，實現各參數自主設計，并把參數信息預先保存在波群發生器內。
分娩鎮痛系統首先通過數據的采集，即母胎監護模塊檢測的宮縮壓力值和傳感器檢測到的手握壓力值進行綜合分析；獲得相對量化的疼痛信息；再在所述的分娩鎮痛工作站進行計算后，匹配電刺激波群的輸出類型和幅度，最終輸出電刺激波群波形、實時頻率和幅度。其中電刺激波群發生器主要由載波數據存儲單元、頻率數據存儲單元、波形數據存儲單元、幅度數據存儲單元、數據輸出讀取單元、DAC轉換器、主控電路和驅動放大電路組成。
如圖 3所示，載波數據存儲單元存儲一個周期內載波信號的抽樣數據；頻率數據存儲單元則存儲電刺激波群實時頻率；波形數據存儲單元存儲電刺激波群的波形信息；幅度數據存儲單元存儲波群的實時幅度；數據輸出讀取單元以頻率數據存儲單元存儲的頻率來循環讀取波形數據存儲單元信息，依次輸出抽樣數據，就得到一個基礎載波信號的多參數數據。
圖3
處方實現流程圖
Figure3.
Prescription flow chart
通過反復調研和臨床試驗研究，將幾種有效性較高的基礎低頻電流調制波組合，根據鎮痛機理選取按摩型和鎮痛型等多類波形相應的參數，設置每種調制波作用的時間，得到一組波群，進而通過將波群的組合經中頻調制波調制得到相應的鎮痛處方。圖中DAC轉換器將抽樣的數字信號轉換成模擬信號，經放大驅動電路放大輸出，同時根據幅度數據存儲單元存儲的幅度值加以反饋調節，最終實現有效處方及電刺激波群的輸出。
2.3 人機交互功能與軟件系統
一體機分娩鎮痛治療系統，采用觸摸屏式人機交互界面。操作者通過觸摸屏可實現刺激脈寬、刺激頻率、刺激時間和間歇時間等治療參數的顯示和準確設置。在人機交互界面設計中，將工作處方設計為固定處方模式和自動調節模式。在固定處方模式下，操作者可從預設多種處方中選擇，每次開始鎮痛時強度都逐步增加，減輕孕婦使用的不適應感；在自動調節模式下，通過觸摸屏式操作面板會依據宮縮壓力強度大小自動調節和設定治療參數，鎮痛強度輸出會在原先設定值基礎上隨宮縮壓力的增大而增大，宮縮壓力的減小而減小。人機交互界面具有實時性高、靈活性好和控制精度高的特點。
軟件系統采用Borland C++Builder 6.0作為開發工具，可依據時間繪制鎮痛處方強度曲線，保證治療的安全性和有效性。每次治療前對系統進行自檢，當電極片粘貼位置不準確或粘合性不好而使輸出阻抗異常時，能給出具體的錯誤提示；還可根據治療要求，按照孕婦當時的狀態需求增加或減少鎮痛強度，調整到合適的治療狀態，以達到較好的治療效果；并提供病歷登記、信息查詢、治療參數維護等輔助功能。處方編輯軟件界面如圖 4所示。
圖4
處方編輯軟件界面
Figure4.
Prescription editing software interface
3 結果
為了驗證生物反饋式TENS鎮痛電刺激治療儀的安全性和有效性，進行了如下試驗。
啟動鎮痛，用示波器的一個通道測量鎮痛放大板模塊的輸出端，檢測到相應波群，記錄兩個相同波群之間重復頻率下的時間間隔t，根據公式f=1/t算出調制波頻率，所測調制頻率均在300 Hz內；用示波器另一個通道測量得到相應的波群，放大波群，會看到類似于圖 5的波形，記錄一個脈沖周期T，根據公式f=1/T算出脈沖重復頻率(即載波頻率)，所測重復頻率在1 kHz~10 kHz內；通過測出的一個脈沖周期，即可讀出脈沖寬度，在100~1000μs內。各電刺激參數均在安全范圍內[12]，如圖 5所示，Vpp表示示波器檢測出的瞬時峰峰值電壓。
圖5
強度檢測的實驗波形示意圖
Figure5.
Schematic waveform of intensity detection experiments
然后，進行生物反饋的有效性測試。一開始，檢測宮縮壓力的生物反饋調節，將一次性無紡布碳纖維導電粘膠電極片(阻抗約為500Ω)貼在受試者(為宮口開3 cm的待產婦)的腰部上(取脊柱中心線對應臍平面位置，左右旁開3 cm處)、腰部下(距“腰部上”確定的兩點垂直向下5 cm處)和手部(一個電極片粘貼在虎口處，另一個粘貼在腕部正中神經)，同時綁上宮縮壓力探頭。
步驟一：點擊一體機按鈕啟動鎮痛，鎮痛強度逐次上升到基準值，有明顯的針刺與按摩交替的感覺；
步驟二：點擊自動調節，處于此狀態即代表當受試者宮縮來臨，壓力上升時，輸出的處方類型將發生變化。同時處方強度也有相關度為10%的增加，用示波器檢測前后的輸出端電流(如圖 6所示，由于電流較小，并聯500Ω電阻接入示波器測量，峰峰值電壓U1增大至U2)也有一定值的增加，隨后，至宮縮間歇，宮縮值下降(峰峰值電壓U2減少至U3，且U1、U2及U3在時間上連續)，輸出處方自動轉換為舒緩按摩型處方，強度相應減小；
圖6
生物反饋調節時的電流變化
Figure6.
Current changes during biofeedback adjusting
步驟三：讓受試者手握壓力傳感器模塊，暫停宮縮壓力檢測，手握壓力也從另一方面實時反饋疼痛信號，點擊自動調節模式，鎮痛處方強度依據手握壓力自動變化；
步驟四：既檢測宮縮壓力又檢測手握壓力時，當兩者值均為最大時，鎮痛處方變換至最強鎮痛處方，強度在原有基礎上增加，喊叫停止，待受試者分娩完畢，實現分娩鎮痛儀的生物反饋和智能化功能。
在南方醫科大學南方醫院婦產科做臨床驗證時，經醫院倫理委員會批準，并簽署知情同意書后，選擇自愿參與試驗并符合入選條件(排除佩戴心臟起搏器者、皮膚敏感者、對刺激過度敏感者、心肺功能不全及產科高危患者等或其他醫生不建議做本臨床研究的)的待產孕婦96名。由專業人員負責實施本系統的臨床試驗，按照陽性對照試驗方法，試驗組和對照組各48名。試驗組：對宮口開2～3 cm的待產孕婦進行鎮痛分娩，直至宮口開全；對照組：為正常產科流程處置的自然分娩。兩組均進行全產程臨床觀察記錄。采用視覺模糊評分法(visual analogue scale, VAS)對產婦進行疼痛評估，試驗的統計結果如表 1所示。同時也關注對產程、產后出血、新生兒Apgar評分的影響。通過試驗數據的分析可以發現：①實施鎮痛后，在潛伏期、加速期、最大加速期和減速期的VAS評分與對照組各期比較均有明顯降低，使產痛從9～10級劇烈疼痛降低至可忍受的7級甚至6級以下，具有統計學意義；②整個試驗過程試驗組較對照組的產程縮短，均未產生不良反應，產婦樂于接受，對母兒無副作用，鎮痛效果明顯。
表1
鎮痛效果VAS評分比較
Table1.
Analgesic effect of VAS score
4 總結
TENS作為非藥物分娩鎮痛方法，具有很多優點，如：無需配備專業的麻醉師、無自主神經阻滯、“非侵入性”操作、對母嬰無毒副作用、無運動阻滯、不影響宮縮和產婦運動，全程產婦保持清醒，可體驗生產過程等。由于我國專業麻醉師缺少，各種復蘇搶救器械(包括成人與新生兒的)、心電監護儀、麻醉藥品及復蘇藥品等不齊全，且用量控制不嚴格易產生副作用等不利因素的存在，在國外應用較成熟廣泛的硬膜外阻滯方法，在我國尚不能廣泛應用(達到80%~90%)。進行對比研究時，將藥物性鎮痛方法的鎮痛效果與TENS比較，大部分顯然難以達到藥物鎮痛的效果，但非藥物性鎮痛具有無副作用和操作簡單的優點，值得推廣和使用。傳統的TENS用于分娩鎮痛效果存在一些爭議：①鎮痛效果個體差異性大，為了達到較好的效果往往需要導樂師的陪伴，通過心理因素影響提高鎮痛效果；②處方單一、固定，整個產程均采用同樣的鎮痛處方，產婦很容易產生“耐受性”，為了保證鎮痛效果，需要不斷人工干預，調整鎮痛強度；③鎮痛效果依賴經驗，有經驗的導樂師和一般操作者臨床效果會產生很大的差異。
生物反饋式TENS分娩鎮痛治療系統將生物反饋與TENS技術相結合，利用合理的參數調控算法，實現安全、有效、自動調節的分娩鎮痛治療。本系統采用引入低頻電流調制中頻的方法，與參數調控算法有機結合，借助生理信息(宮縮壓力信號)的反饋調節，可對多種刺激參數(強度、頻率、脈寬)進行精確設置，解決了目前鎮痛參數信號設置單一的缺陷，實現了刺激模式的選擇和生物反饋的作用。作為非藥物的鎮痛方法，本文介紹的系統具有無創、便捷、人機交互能力強等特點。
我們研發的電刺激治療儀已完成初步實驗，由實驗可知：儀器已達到設計要求，實現了既定的功能。下一步的目標是：將其更廣泛地運用于臨床，獲得長期、大量臨床數據；根據個體的差異性，完成臨床數據分析和有效性分析；進一步改進處方算法，提高分娩鎮痛治療儀的有效性，也使TENS用于分娩鎮痛收到更好的成效。
