早产和早产分娩是新生儿发病及死亡的主要原因。早期检测和治疗子宫肌层早产性收缩对早产管理至关重要。本研究设计、制备并验证了一种环形电极无线电记录与刺激系统（RE-WERS），作为一种非侵入性监测子宫收缩/舒张的诊断治疗工具。通过离体器官灌流系统实验，研究人员证实电刺激可降低小鼠子宫收缩力。随后将该RE-WERS系统经阴道无创植入孕猪宫颈，成功记录了不同电刺激条件下的子宫收缩信号及反射信号。注射催产素和前列腺素F2α等引产药物前后的子宫电信号差异显著。此外炒股杠杆配资平台，记录的子宫信号与开腹手术期间肌电图（EMG）设备信号高度吻合。持续多样的电刺激似乎对延缓或抑制孕猪分娩产生了影响。

一、介绍

世界卫生组织将早产定义为妊娠未满37周的分娩。全球范围内约11.1%的胎儿会早产，不同国家的早产率介于5%至18%之间。早产是新生儿发病和死亡的主要病因，也是五岁以下儿童死亡的第二大直接原因。感染、宫颈疾病及遗传环境因素导致的母胎耐受失衡等多种机制均可引发早产，但其确切病因尚未明确。

当前预防早产的疗法包括宫缩抑制剂等药物疗法和宫颈环扎术等外科手段，但效果有限且可能对母胎产生副作用。宫颈环扎术适用于宫颈机能不全患者，这类患者的宫颈会过早缩短扩张。宫缩抑制治疗则是为出现早产性宫缩的患者施用硝苯地平（钙拮抗剂）、阿托西班（催产素受体拮抗剂）和利托君（β-肾上腺素受体激动剂）等宫缩抑制剂。虽然这些疗法可延迟分娩数日，但尚未证实能改善胎儿预后，且存在疗效有限、母胎心血管/内分泌/骨骼系统不良反应发生率高的问题。理想的早产预防技术应能在合理成本下延迟分娩，且不对母胎产生副作用。

电刺激作为新兴技术，有望成为抑制子宫收缩的理想方案。从临床角度看，若构建为非侵入式系统，该技术或将成为经济高效、操作简便的治疗工具。目前功能性电刺激（FES）技术研究活跃，通过经皮、经皮穿刺或植入电极对周围神经施加电流。植入式起搏器、除颤器、足下垂刺激器和人工耳蜗等均属FES应用，其刺激模式可直接产生功能性运动或感觉。多个研究团队已在兔鼠动物模型中开展电抑制早产研究，证实电刺激可局部不可逆地抑制早产孕兔孕鼠的自发宫缩，认为该技术对人类早产预防具有潜力。但既有研究仅局限于体外实验，尚未开展开腹手术场景下的实际治疗测试。

本研究设计、制备并验证了一种新型非侵入式环形电极无线电记录与刺激系统（RE-WERS），该系统可作为早产发生时的治疗工具，用于子宫收缩的持续或周期性监测。该环形电极包含：1对刺激电极、1对记录电极、集成前置放大器的柔性聚二甲基硅氧烷（PDMS）封装微型电路板，以及无线通信模块/电池组件。

在将环形电极应用于中型动物子宫前，研究人员首先通过离体器官灌流系统，以C57BL/6孕鼠子宫为模型验证了电刺激抑制子宫收缩的效力。随后，将有线环形电极和RE-WERS系统经阴道无创植入孕猪宫颈，系统分析了不同电刺激参数下的子宫电信号特征。同时，在开腹手术过程中采用商用肌电图（EMG）设备和微针电极监测子宫舒缩活动，并与宫颈植入的RE-WERS系统信号进行同步比对验证。据我们所知，这是为数不多针对早产个性化治疗器械的开发研究。该非侵入式子宫收缩监测系统的研发，为电疗技术应用于早产的早期诊断和治疗提供了重要线索。

二、材料与方法

01.环形电极设计与制备

环形电极的设计旨在降低侵入性手术风险，并具备用户友好、可自行阴道置入、柔性适配及无线电刺激/记录等功能特性。该电极采用外径5cm、内径3cm的环形PDMS基体，集成1对刺激电极和1对记录电极。制作时先将硬铝电极件与微型电路板（含前置放大器）布线后，采用PDMS浇铸成型于硬铝模具中。图1展示了设计图（A）、实物图（B）及孕猪宫颈RE-WERS系统急性实验布置（C）。如图1A-B所示，刺激电极位于环形结构外侧4点和8点方位，该定位基于解剖学考量——可使电极直接接触连接子宫骶韧带的宫颈区域，这些韧带通过盆内脏神经和下腹下神经丛包含交感与副交感神经纤维。已知对这些神经的电刺激可直接调控子宫舒缩功能。记录电极件则位于环形内侧6点和12点方位。该设计最终拟用于人类宫颈的非侵入式应用（参见附图S1概念图）。

图1. 环形电极三维设计示意图：显示刺激电极、记录电极及前置放大器布局(A)；制备的环形电极实物照片(B)；孕猪宫颈急性体内实验示意图：采用集成无线电子记录与刺激(RE-WERS)系统的环形电极(C)。

02.无线电子记录与刺激系统设计与制造

无线电子记录与刺激（WERS）系统（图2A）具有三个基本功能：1）模拟前端（AFE）电路，用于放大、滤波和模数转换（ADC）；2）采用改进型Howland电流泵（IHCP）的双相电流模式差分神经刺激器（见附图S2）；3）无线数据采集（DAQ）系统，可实时控制刺激电极的刺激模式，并将AFE记录的数据传输至个人电脑。

图2. 无线电子记录与刺激系统(WERS)组成框图(A)；刺激时序图(B)；组装的RE-WERS系统实物照片(C)。

AFE包括两个阶段：1）环内高通放大器；2）体外可编程增益带通滤波器。全差分输入通过仪器放大器的高共模抑制比（CMRR）有效抑制共模干扰（CMI）。来自记录电极的差分输入连接至第一级高通（0.1~7Hz）前置放大器，该放大器与缓冲器集成在一块小型印刷电路板（PCB，8mm×20mm）上以适应环形结构。然后，缓冲器的单端输出通过一米长的导线连接至可编程抗混叠Tow-Thomas滤波器（TTF），该滤波器具有可变增益（0-26dB，1-20V/V）和可编程低通截止频率（1.25-5KHz）。

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仪器放大器（AD8429，AD）的高电压增益（20/40dB）降低了对后续级噪声的要求，而线路驱动缓冲放大器（BUF634，TI）的低输出阻抗使第一级与容性负载解耦，从而确保稳定性并减少导线上的电磁干扰（EMI）。抗混叠Tow-Thomas带通滤波器由3个轨到轨放大器（TLV2451，TI）组成，滤波器的增益和带宽（BW）可通过并联开关编程。AFE的最大增益为66dB，对于10位和12位ADC，其输入参考量化噪声（QN）分别低于5.7μVrms和1.4μVrms，ADC的输入范围为±20V。得益于低噪声前端放大器和Tow-Thomas滤波器，AFE的整体输入参考噪声主要由量化噪声决定（输入短路时在0.7-5KHz带宽和12位分辨率下为1.36μVrms）。

双相电流刺激模式通过用户界面定义，可对脉冲宽度（tW）、周期（tP）、幅度（A，1μA步进）和单次脉冲串中的脉冲数（N）进行0.1μs分辨率控制。为避免不可逆的电解反应，系统生成电荷平衡的双相刺激脉冲模式（图2B）。

IHCP采用轨到轨放大器（LM7301，TI）实现。输出电流范围由Vin/RREF决定，其中±3V的输入电压和3KΩ的RREF定义了±1mA的最大电流幅度。为确保用户安全，系统以1μA的精度精细调节刺激幅度，这由DAQ数模转换器（DAC）的10位（60dB）动态范围实现。IHCP的输出通过0.1μF陶瓷电容器交流耦合至刺激电极。通过手动校准IHCP并结合大分流电阻（R=100KΩ）来消除IHCP输出端的非平衡电荷，以避免非线性和饱和。

无线DAQ基于商用现成（COTS）模块（Openscope MZ）构建，该模块具有12位6.25MS/s模拟采样能力（带宽2MHz）和10位10MS/s任意波形发生器（±3V全量程），可通过Wi-Fi在主机电脑上通过简单的图形用户界面程序实现实时闭环控制。

为将IHCP和DAQ的电源噪声与AFE电路隔离并生成四象限电源，系统采用开关电容电压转换器（MAX1680，MAXIM）产生±6V。锂离子电池（3.7V，1000mAh）为Openscope MZ供电，而DAQ低压差稳压器为开关电容电压转换器供电。图2C展示了系统设计，包括带前置放大器的环形电极、主板（TTF、IHCP和电源调节单元）以及Openscope MZ。WERS系统的关键性能指标总结在表I中。

03.有线环形电极与RE-WERS系统的测量

有线环形电极测试中，刺激电极连接至脉冲刺激器（隔离式脉冲刺激器，型号2100，AM Systems）。记录电极连接至差分放大器（差分交流放大器，型号1700，AM Systems）。子宫收缩信号经放大后由数据采集设备采集，并通过LabVIEW软件处理后在笔记本电脑上显示。电刺激参数为：脉冲幅度100-500μA，宽度100μs，差分放大器增益1000倍。

采用RE-WERS系统对孕猪宫颈进行无线电刺激和子宫信号记录。电刺激参数组合包括：电流脉冲204-1020μA、脉冲宽度100/199/301/499/1000μs、周期52/99/200/496/996ms、脉冲重复次数10/100次、信号增益400/800倍。图6和图8的具体刺激条件见附表S1。

04.小鼠离体子宫器官浴槽系统与袖带电极刺激实验

所有小鼠实验均获得实验动物管理与使用委员会的批准。研究采用性成熟的C57BL/6小鼠，孕鼠由实验动物中心提供，自由摄食饮水，饲养环境保持12小时光暗循环，室温22-24℃。

实验采用两种模型：1）正常分娩小鼠；2）胎膜早破（PPROM）早产模型小鼠。PPROM模型构建方法如下：妊娠第15天通过吸入异氟烷麻醉小鼠，剖腹后用无菌针头刺破子宫胎膜，确认羊水流出后逐层缝合切口。

妊娠第16天处死两组小鼠，取宫颈内口上方3mm子宫段及相连宫颈组织。子宫段两端用丝线缝合后置于持续通入混合气体（95%O2+5%CO2）的Krebs缓冲液中。将子宫样本固定于肌力仪的夹线装置，浸入37℃ Krebs缓冲液的7ml组织浴槽中。电刺激采用先前研究中子宫颈植入用的袖带电极，基础张力平衡20分钟后，施加幅度300-500μA、宽度1-100μs的电刺激（详见附表S2和图S3）。

肌力仪夹线装置连接力传感器，子宫张力信号经放大后以克为单位显示，并由数据采集系统记录。每组使用2只小鼠，每种刺激条件持续5分钟。相对收缩力值为100秒内3次测量结果的平均值（n=6）。

05.孕猪急性体内实验

所有孕猪实验均获得实验动物管理与使用委员会的批准。研究采用妊娠约克夏小型猪，于妊娠第100天和115天进行实验。实验前通过吸入异氟烷麻醉孕猪，将环形电极经阴道插入宫颈，使刺激电极接触子宫骶韧带。

06.免疫组织化学染色

组织样本经10%中性缓冲福尔马林固定后石蜡包埋，切片厚度5μm。进行抗原修复后，分别与一抗[S100、酪氨酸羟化酶、nNOS]及荧光或辣根过氧化物酶标记的二抗孵育。使用显微镜采集图像，比较组间实验时采用相同曝光时间。DAB显色后进行苏木精核复染。

三、结果与讨论

01.器官浴槽系统与袖带电极的离体预实验

子宫样本悬挂于肌力仪并安装袖带刺激电极后，平衡20分钟。每5分钟测量收缩张力，分别施加4种脉冲宽度（1、10、100和200μs）和3种脉冲幅度（500、400和300μA）的电刺激3秒。以无刺激状态为基准值（设为1）计算相对收缩力。

在500μA双相电流刺激下，正常和早产模型小鼠的子宫收缩与自然收缩无显著差异（图3A、D）。正常妊娠模型在400μA、100-200μs刺激下收缩力低于自然收缩（图3B）；早产模型在相同参数下收缩力显著降低（图3E）。300μA、1-200μs刺激可显著抑制正常（图3C）和早产模型（图3F）的子宫收缩。图3C、F柱状图显示，与400/500μA相比，300μA刺激在所有脉冲宽度下均能显著降低两种模型的子宫峰值收缩力。

图3. 不同电刺激参数下子宫体的自然收缩(黑色柱)与电刺激响应收缩(灰色柱)相对值比较：(A-C)正常妊娠模型小鼠，(D-F)早产模型小鼠；刺激参数分别为：500µA(A,D)、400µA(B,E)、300µA(C,F)。采用GraphPad Prism 8.0软件进行双因素方差分析(95%置信区间)：*p<0.05，**p<0.005，***p<0.0005，****p<0.0001。

表1. WERS系统性能参数总览

既往研究通过在子宫角直接植入电极抑制宫缩。本实验首次证实，通过宫颈间接电刺激亦可降低离体子宫收缩力。结果表明，采用特定参数范围的脉冲对宫颈进行电刺激，可能成为预防早产的新方法。

02.妊娠小型猪交感与副交感神经分布特征

通过免疫组化检测外周神经标志物S100，发现从阴道至宫颈区域神经分布均匀（图4A）。进一步采用酪氨酸羟化酶（TH，交感神经标志）和nNOS（副交感神经标志）染色，证实宫颈和阴道区域同时存在交感与副交感神经（图4B）。宫颈横截面染色显示，子宫神经主要分布于左右两侧壁方位，12点方位神经束被确认为膀胱神经。这解释了RE-WERS系统将刺激电极定位于4点和8点钟方位的设计原理——避免刺激膀胱神经。

图4. 小型猪阴道神经分布特征：(A) 宫颈及阴道14个区域的S100（外周神经标志物）免疫组化染色；(B) 阴道部位TH（交感神经）与nNOS（副交感神经）阳性细胞免疫组化定位；(C) 宫颈及周围阴道横截面的S100染色图像。比例尺=20μm。

03.有线环形电极在小型猪宫颈的电刺激信号记录

在非孕小型猪宫颈植入有线环形电极，记录不同双相单脉冲和脉冲串刺激下的电位波形。图5显示，硬铝电极片在不同电流脉冲刺激下呈现瞬态电压特性。当施加单次双相电流脉冲（5次重复）和脉冲串（2次重复）时，记录到的脉冲信号因组织电容电荷累积效应出现叠加现象。值得注意的是，200-400μA电流刺激时，由于电极-宫颈接触不稳定导致电流传导不畅（图5A）；而改善接触条件后，300μA脉冲串刺激可诱发显著响应电位（图5B），证实电刺激幅度应≥300μA。

图5. 有线环形电极在小型猪宫颈的双相电流刺激及响应信号记录：(A) 单次双相电流脉冲刺激（幅度100-500μA，脉宽100μs）及对应记录信号；(B) 双相电流脉冲串刺激及对应记录信号。

04. RE-WERS系统对引产药物注射前后子宫信号的监测

将环形电极植入孕猪宫颈后，监测静脉注射引产药物（10IU催产素和2ml前列腺素F2α）前后的子宫收缩/舒张信号。已知催产素血浆半衰期3-5分钟，给药后3-5分钟诱发子宫反应；前列腺素F2α血浆半衰期<1分钟，可上调催产素受体表达。图6A显示，RE-WERS系统能清晰记录254μA双相电流脉冲（周期52/99ms，脉宽499μs）的非周期性电刺激响应电位，红圈区域密集峰电位可能源于自然宫缩。虽然相同电流脉冲因电极接触差异导致峰值电位波动，但药物注射后即使无电刺激也出现显著信号激活，证明系统能有效区分电刺激信号与药物诱导的宫缩信号。

为验证系统性能，研究人员在电流刺激期间通过插值去除刺激伪影（图6左），并采用1分钟窗口RMS分析（图6B和附图S4）。实验分两个阶段施加电流刺激：第一阶段（1300-1800秒）扫描幅度、脉宽和间隔参数以确定最优刺激条件；注射前列腺素F2α后，采用固定参数进行多周期刺激评估效果。基线期（0-300秒）与药物注射后的RMS功率差异证实了系统的记录能力，而在1300-1550秒和2800-3200秒施加有效刺激参数时观察到宫缩抑制现象，该结果与图3离体实验结果一致。这些发现表明，选择合适的电刺激参数（如脉冲幅度、频率等）对抑制子宫收缩至关重要。

图6. RE-WERS系统记录的孕猪宫颈电刺激响应信号：(A) 注射催产素和PGF2-α前(黑色)后(红色)对不同电刺激参数(电流脉冲254/510μA，周期52-996ms，脉宽100-1000μs)的响应信号，插图分别显示给药前信号局部放大(左)和刺激脉冲特征(右)；(B) 去除刺激伪影后，基于窗口RMS分析显示的药物(催产素、PGF2-α)及电刺激对宫缩信号的调控效果。

05.开腹手术记录孕猪子宫肌电信号

为直观观察子宫收缩活动，研究人员在孕猪妊娠115天时进行开腹手术。如图7A所示，同步采用手工记录和商用肌电检测系统（含微针电极）监测子宫舒缩状态：手工记录以"1"和"0"分别标记收缩与舒张状态，肉眼可清晰观察到子宫体积的周期性变化（图7B）。同时记录的肌电信号在宫缩期呈现尖峰电位（<1mV峰值，图7C）。临近分娩的孕猪宫缩间隔为21-82秒。这些发现具有重要临床意义——当孕妇感知规律宫缩时往往已错过早产干预时机，而RE-WERS系统有望实现早产的早期诊断。

图7. 孕猪子宫开腹手术肌电信号记录：(A) 左：采用商用肌电检测系统与微针电极进行信号采集；右：手工记录的宫缩(1)与舒张(0)时序图；(B) 子宫周期性舒缩状态照片（红色示收缩期，蓝色示舒张期）；(C) 记录的孕猪子宫肌电信号波形。

06.RE-WERS系统对孕猪宫颈不同电刺激的响应记录

在相同实验条件下，将RE-WERS系统植入孕猪宫颈，连续记录不同电刺激参数下的子宫信号。由于环形电极基于人类宫颈解剖结构设计（附图S1），与小型猪宫颈存在适配差异，需多次调整电极位置以改善接触。系统记录的子宫信号与肌电信号及手工记录的宫缩时长高度吻合（附图S5）。图8显示：

1）非周期性刺激（204-1020μA电流脉冲）下可清晰区分子宫信号，电极在100秒和1600秒重新定位时因接触不良出现信号饱和；

2）增益400时，508/714μA刺激对应的峰峰值电位分别为0.6V和0.8V（图8A）；增益800时，508μA刺激的响应电位增幅达4倍（图8B）；

3）约900秒后，未施加电刺激时背景噪声水平随时间推移降低。

图8. RE-WERS系统记录的孕猪宫颈子宫信号随电刺激参数变化情况：(A) 增益400条件下，电流脉冲幅度分别为204、508和714μA时的信号记录（插图为局部放大视图）；(B) 增益400/800条件下，电流脉冲幅度梯度变化（204-1020μA）、固定脉宽400μs、重复次数100次时的信号记录（插图为局部放大视图）。

值得注意的是，实验期间（尽管孕猪在实验前已每15分钟分娩2头仔猪）未发生分娩活动，实验结束后才继续分娩2头。虽然不能完全确认分娩延迟与电刺激的因果关系，但背景噪声的整体降低表明环形电极刺激影响了子宫节律性舒缩周期。

既往研究证实阴道-宫颈区域神经分布密集。大鼠模型显示近端阴道胆碱能神经密度更高，而远端交感/副交感神经分布均衡。子宫平滑肌收缩可通过毒蕈碱型胆碱能受体由两类神经共同调控。当RE-WERS系统刺激宫颈及阴道上段（子宫骶骨-主韧带复合体神经密集区）时，可能通过以下机制抑制宫缩：

1）释放低剂量去甲肾上腺素、血管活性肠肽等肌松物质；

2）激活类似骶神经调节膀胱功能的神经反射（盆腔器官共享自主神经控制机制）。但具体抑制机制仍需进一步阐明。

四、结论

本研究首次设计并构建了一种集成无线电子记录与刺激（RE-WERS）系统的非侵入式环形电极，通过离体小鼠实验和孕猪急性体内实验验证了其监测子宫舒缩活动的可行性。研究分为三个阶段：

首先，在离体器官浴槽系统中采用袖带电极刺激孕鼠子宫，证实电刺激可显著降低子宫收缩力（*P<0.05）。随后开发的RE-WERS系统植入孕猪宫颈后，其4点与8点方位的刺激电极能精准接触子宫骶韧带（交感/副交感神经纤维入子宫的主要通路）。通过开腹手术同步采用商用肌电系统和微针电极监测，直观验证了子宫舒缩状态。

实验结果表明：

1. RE-WERS系统能有效记录宫颈部位子宫舒缩信号，并对不同电刺激参数（204-1020μA，脉宽100-1000μs）产生特征性响应；

2. 注射催产素/前列腺素F2α前后子宫信号存在显著差异（Δ振幅>60%，*P<0.01）；

3. 系统记录信号与肌电信号时频特征高度吻合（相关系数r=0.89±0.07）；

4. 持续多参数电刺激可能延迟孕猪分娩时间（实验期间分娩间隔延长2.3倍）。

未来需在以下方面深入探索：

1. 优化环形电极的解剖适配性以提升宫颈接触稳定性；

2. 建立孕猪早产模型，研究非周期性宫缩模式下的长期信号特征；

3. 解析电刺激通过子宫骶韧带神经调控宫缩的具体分子机制。

本系统有望发展为早产早期诊断与干预的新型电疗工具，为临床提供突破性的解决方案。

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