（生物医学工程专业论文）基于FES的下肢运动神经假体系统设计与研究.pdf

a bs t r a c t a c c o r d i n gt os t a t i s t i c s ，t h en u m b e ro fp a r a l y s i s e sb e c a u s eo fs p i n a lc o r di n j u r y ( s c i ) i si n c r e a s i n g ，a n dt h ep a t i e n t sw i t hs c ih a v eb e c o m e as p e c i a ls o c i a lg r o u p n e e d sa t t e n t i o na n dc a r ei m m e d i a t e l y h o w e v e r , d u et ot h ew e a kr e g e n e r a t i o no ft h e s p i n a lc o r d ，t h e r ei sn oe f f e c t i v em e a s u r et or e p a i rt h ei n j u r ys p i n a lc o r dc u r r e n t l y , e x c e p t i n gt od e p e n do nf u n c t i o n a lr e h a b i l i t a t i o nt h e r a p h y n e u r o p r o s t h e s i si sak i n do f e l e c t r o n i cd e v i c ew h i c hh e l p st h ei n j u r yn e r v et or e s t o r ei t sf u n c t i o n i ta l w a y s r e p l a c e st h eo r d e ro ft h en e r v ec o n t r o lf r o mt h eb r a i nw i t ht h ef u n c t i o n a le l e c t r i c a l s t i m u l a t i o n ( f e s ) ，d r i v i n gt h ep r o s t h e t i ca n do r t h o p a e d i cf o ra c t i o n ，i no r d e rt or e n e w t h ef u n c t i o n a lo ft h em u s c l e i nt h ef i e l do ft h ep a r a l y s i sr e h a b i l i t a t i o n ，f u n c t i o n a l e l e c t r i c a ls t i m u l a t i o n ( f e s ) i sn o wc o n s i d e r e dt ob et h em o s te f f e c t i v ew a y i no r d e rt om e e tt h ed e m a n d so ft h ef e sr e s e a r c ha n dt h ep a r a l y z e dp a t i e n t s ，t h e p a p e rd e s i g n san e u r o p r o s t h e s i ss y s t e mf o rl o w e rl i m b sb a s e do nf e s t h eh a r d w a r e o ft h es y s t e mi n c l u d e se i g h tm o d u l e sw h i c ha r et h ec o n t r o l ，d ac o n v e r t e r , t h ec u r r e n t s o u r c e ，w a v e o v e r t u r n e d ，f u n c t i o nk e y s ，d i s p l a y ，s t i m u l a t i n ge l e c t r o d ea n dp o w e r c - l a n g u a g es o f t w a r ei su s e dt oc o o r d i n a t et h ef u n c t i o no f t h ev a r i o u sm o d u l e s t h i s s y s t e mh a sf o u ri n d e p e n d e n tc h a n n e l sa n di t sc o n t r o lm e t h o di sm a n u a l t h ec u r r e n t o ft h es y s t e mc a nb ea d j u s t m e n t e dd e p e n d i n go nt h ec o n d i t i o no ft h ep a r a l y z e d p a t i e n t s i nt h i sp a p e r , t h eh u m a nk i n e m a t i c sp a r a m e t e r sa r eu s e dt oe v a l u a t et h es y s t e m t h ek n e ea n g l ei sm e a s u r e dw h e nt h et h i g hi ss t i m u l a t e d ，w h i c hi n d i c a t e st h a tt h e s t a n d i n gc a nb ea c h i e v e db ys t i m u l a t i n g ；t h eb a s i cp a r a m e t e r so fk i n e m a t i c s ( s t e p i n d e x ，s t e p p i n gt i m e ) i nd i f f e r e n tc u r r e n ta r ed e t e c t e ds t i m u l a t i n gt h el e g ，a n d t h e a n g l eo ft h ek n e ei nt h eb e s ts t e p p i n gt h r e s h o l da n dt h en o r m a lw a l k i n ga r ea l s o d e t e c t e da n dc o m p a r e d t h er e s u l t si n d i c a t et h es t i m u l a t o ri se x c e l l e n t i ns h o r t ，t h i ss t u d yi sag o o dt h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lb a s i sf o rt h ef u t u r e s t u d yo ft h el o w e rl i m bp r o s t h e s i sm o t o rn e r v er e c o n s t r u c t i o n k e y w o r d s ：n e u r o p r o s t h e s i s ，f u n c t i o n a le l e c t r i c a ls t i m u l a t i o n ，p a r a m e t e r so f k i n e m a t i c s ，b e s ts t e p p i n gt h r e s h o l d 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨壅盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：锄薪钿p 签字日期：泓衫 年6 月争l a 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：甬裔挥中 导师签名： 签字目期：硼扩年易月牛 日 签字日期： 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 2 0 0 7 年，有关部门估计美国脊髓损伤的患者为2 5 万多人，每年还有大约1 2 万的新增病例。按此比率计算，全世界每年会增加3 0 万以上的脊髓损伤者【2 1 。 人口众多的我国虽然还没见具体统计数据公布，但估计脊髓损伤人数相当庞大。 脊髓损伤后，神经传输受阻，损伤平面以下的感觉及运动功能将会衰减甚至消失 极易引起瘫痪。对数量庞大的瘫痪患者，其身体活动不便，生活难以自理，对社 会带来了莫大的负担，因此帮助瘫痪病人恢复正常生活能力是极需解决的现实问 题。可以说，瘫痪患者已经成为生活在我们身边的“一个亟需关注和照顾的特殊 社会群体 【3 1 。 1 1 神经假体的定义 神经假体( n e u r o p r o s t h e s i s ) 是一类帮助神经损伤后恢复功能的电子装置。它 通常以功能性电刺激( f u n c t i o n a le l e c t r i c a ls t i m u l a t i o n ，f e s ) 技术为基础，构造 假体和矫形器，代替大脑发出的神经冲动，从而达到控制肢体肌肉活动的目的h 3 。 f e s 是通过施以一定序列的脉冲电流刺激失去神经控制的肌肉，使其产生收 缩，替代和矫正器官及肢体丧失的功能障1 。在瘫痪患者功能康复方面，普遍认为 f e s 是一种有效的临床治疗方式。另外，很多证据显示利用f e s 在改善截瘫患 者体质和促进健康方面也有很好的效果，比如心肺功能的改善、骨密度的影响及 新陈代谢的健全等阳1 ，美国联邦健康与公共服务署也已经确认“f e s 在改善残疾 人健康和功能方面，有很明显的生理促进和疾病预防作用 。 1 2f e s 运动神经假体分类及发展现状 1 7 8 9 年，g a l v a n i 通过刺激青蛙腿对肌肉的电特性进行了早期研究。1 9 世纪， d u c h e n n e 观察到刺激人体肌肉时会产生肌肉收缩现象【7 】。其后很多人研究了电刺 激的效应，并把它用于运动训练、物理治疗和瘫痪肢体康复的研究。1 9 6 1 年， l i b e r s o n 通过刺激腓侧的神经治疗了一个患者的足下垂【引。此后一段时间，f e s 运动神经假体研究进入活跃期，美国、日本、以色列、斯洛文尼亚及欧洲众多国 家都进行了大量的研究。目前，从控制方式上来分，这种系统主要可分为：肢体 第一章绪论 控制方式、生物电控制方式。 1 2 1 肢体控制方式 ( 1 ) 脚控方式 这是最早的f e s 神经假体系统的控制方式。起源于1 9 6 1 年，美国医生 l i b e r s o n 利用脚踏开关控制对偏瘫患者腓侧神经支配肌肉的刺激，使患者实现了 踝关节背曲，成功地帮助了患者行走【8 】。 近年来，仍有h a u g l a n d 等进行不断的尝试，研究在临床上的多种应用方案。 这种控制方式简单方便，易于操作。但是，它受环境限制，比如不能光脚使 用；脚底开关的触发功能在不同患者不同的环境或同一患者不同环境下都会发生 很大变化，可能导致患者行走时严重失稳。因此，只适用于轻度瘫痪、尚存部分 下肢功能的患者，对于下肢严重瘫痪的患者并不是理想的康复方案。 ( 2 ) 手控方式 手控方式是通过安装在步行器上的开关，患者自主的控制系统刺激实施的时 间和方式。 这种控制方式是8 0 年代，k r a l j 和b a j d 等人将其引入到了瘫痪患者步行系 统，实现了步行器与f e s 神经假体装置的融合。 9 0 年代，美国的c a s ew e s tr e s e r v eu n i v e r s i t y ( c w r u ) 研制了利用手控外部 按键的内置式f e s 神经假体系统，用于瘫痪上肢功能和下肢行立能力的恢复。 日本东北大学也开发出了多导联的此种控制方式的f e s 神经假体装置，并 获得了日本厚生省的认可。 美国芝加哥伊利诺伊大学与s i g m e d i e s 公司合作开发了p a r a s t e p 系统，于 1 9 9 4 年获得了美国f d a 认可上市销售【9 j 。 近几年，瑞士的p a r a c a r e 及c o m p e xs a 等也研制出了用于恢复瘫痪下肢行 立功能的f e s 手控系统f l0 1 。 这种控制方式操作方便，相比于脚控方式患者在控制时有更多的主动性，也 更容易被患者接受，但是在运动过程中需要集中精力以保持稳定。 ( 3 ) 身体其他部位控制方式 近年来，也有很多学者利用从患者身体其他部位动作或残存功能所发出的信 号提取控制信号用于上肢的运动康复。 m i r j a n a t 研究了利用健康肩部来控制瘫痪侧的肢体。 c h a r l e sc t l 2 】利用头部运动控制的植入式f e s 神经假体系统。 n o z o m uh o s h i m i y a ，a k i r an a i t o 等【l3 】利用呼吸信号控制，研制了多通道的 f e s 神经假体系统，使一个c 4 四肢瘫痪的患者能利用这个系统完成喝茶的动作。 天津大学硕士学位论文 l b o h s ，j m c e l h a n e y 等研究了n 司利用语音当作控制信号，采用表面电极的方 式，使瘫痪患者完成一些简单的功能，比如打电话、电脑打字等。 但是此种控制方式现在还处于上肢研究的尝试阶段，暂时还没见到用于下肢 行走的控制。而且这种方式的控制源不是很直接，学习起来相对比较复杂，不便 于方便灵活的掌握应用。 1 2 2 生物电控制方式 f e s 神经假体系统包括开环系统和闭环系统。利用肢体进行触发的系统大都 属于开环系统。这种系统优点是结构简单、易于操作；缺点是由于没有反馈信号， 刺激效果可能不是很理想。因此，现在有很多研究学者开始寻找可以用来反馈的 信号进行f e s 的闭环控制。目前研究最多反馈信号的主要有肌电信号 ( e l e c t r o m y o g r a m ，e m g ) 、神经电信号( e l e c t r o n e u r o g r a m ，e n g ) 和脑电信号 ( e l e c t r o e n c e p h a l o g r a m e e g ) 。 ( 1 ) e m g 控制方式 1 9 9 6 年，s c o t te ta 1 采用表面电极采集胸锁乳突肌上的e m g 信号用于f e s 神经假体系统恢复瘫痪患者的手部功能【1 5 】。 z u r i c h 大学的p a r a c a r e 小组通过采集上肢同侧的三角肌上的e m g 信号，发 明了基于e m g 信号的f e s 神经假体系统用于手部功能的恢复【1 6 1 。 德国k a r l s r u h e 的b i o k y r b e r n e t i k 研究所也对利用e m g 信号反馈的f e s 神经 假体系统进行了研究【1 7 】。 理论上，采用e m g 闭环控制能达到比开环控制更好的效果，但是由于e m g 信号比较微弱，采集容易受到工频、心电等各种比e m g 信号更强的信号的干扰， 使控制效果变差。目前，多见于用在上肢功能恢复方面。 ( 2 ) e n g 控制方式 神经电信号的提取是通过环绕在目标神经周围的神经卡环电极( c u f f e l e c t r o d e ) 来实现的。 h a u g l a n d 等人实现了偏瘫患者足下垂的电刺激控制，并成功实现了四肢瘫 痪患者的手握、抓取动作的电刺激控制n 8 1 。 由于有神经卡环电极的材料及电极技术发展的影响，目前还处于初级研究阶 段；再者由于需要将电极植入人体内，使其使用用也会受到相应限制。 ( 3 ) e e g 控制方式 2 l 世纪，奥地利g r a z 大学开展了用e e g 控制f e s 神经假体系统的尝试研 究，在最新报道中公布了利用上肢想象动作电位的模式的提取，进行四肢瘫痪患 者上肢运动功能恢复中取得的的阶段性成果。 第一章绪论 美国c l e v e l a n df e sc e n t e r 明确把e e g 控制的运动神经重建作为下一步的研 究重点。 欧盟重要科技相关部署在研究计划中也提出了要集合多学科团队对e e g 控 制的f e s 神经假体系统进行公关，并承诺投入大量经费支持立项研究。 但是，由于下肢想象动作电位的模式提取进展缓慢，目前此种控制方式对下 肢功能恢复方面还处于初步研究阶段。 可以看到，国外很多国家都开始了对f e s 神经假体的研究，但大部分还在 进一步的研制和改进中。 在国内，主要有8 0 年代清华大学初步进行了功能神经肌肉电刺激的研究 【1 9 2 2 o 中国医学科学院生物医学工程研究所和浙江大学也进行了相关研究【2 m 5 1 。 另外，还有天津大学的生物医学工程系尝试把脑机接口技术与f e s 进行 接口，初步设计了利用e e g 信号控制的上肢功能重建的f e s 系统。 但是，总体来说我国相关研究还比较少，距离国外还有一段距离。尤其在应 用与瘫痪下肢运动功能重建方面，研究甚少。 因此，为了满足广大瘫痪患者的生活需要，弥补国内f e s 神经假体研究不 足，本课题设计了基于f e s 的下肢运动神经假体系统，用来帮助瘫痪患者行立 能力的恢复。 1 3f e $ 神经假体的i 临床应用 尽管f e s 神经假体的临床应用仅有短暂几十年，但己显示出巨大的社会与经 济效益和诱人的应用前景，成为生物医学工程领域的一个新兴分支。最突出的例 子是心脏起搏器，己在全世界被广泛使用，拯救了千百万心脏病患者的生命。功 能性电刺激技术，通过患者自身功能的重建和提高，对恢复和改善患者独立生活 能力有很大的意义。它不但能减轻护理人员的负担，同时也极大地改善了患者的 周围环境。随着科技的进步，f e s 神经假体也必将得到突飞猛进的发展，扩大到 更多的应用领域。以下是目前f e s 神经假体应用的主要领域。 ( 1 ) 下肢运动功能的恢复 用电刺激辅助瘫痪病人步行是f e s 神经假体应用的一个重要方面。其原因是 瘫痪病人瘫痪后，在相当长的时间里，腓神经及其支配的肌肉仍然可以发挥正常 功能，如果在举步时用电刺激神经有可能恢复患者失去的功能。 ( 2 ) 上肢运动功能的恢复 最初的上肢运动神经假体的研究是从实现一些简单的手部动作开始切入的。 天津大学硕士学位论文 后来，各国科学家进行了大量的研究。目前主要对指关节、腕关节、肘关节及肩 关节的控制进行了研究。 ( 3 ) 呼吸系统康复 适用于脑血管意外、脑外伤、高位脊髓损伤所致的呼吸肌麻痹。一对电极 埋入双侧膈神经上，与固定于胸壁上的信号接收器相连，控制器发出无线电脉冲 信号，由接收器将其变为低频电流，经电极刺激膈神经，引起隔肌收缩。 ( 4 ) 排尿系统的康复 适用于脊髓排尿中枢和它支配下的膀胱逼尿肌、尿道括约肌等仍是完整的患 者。此种方式治疗排尿功能障碍已经在临床上得到了很好的应用。 ( 5 ) 视觉康复 适用于由于眼球病变而致全盲的患者，其各级视中枢还是完好的。用f e s 代 替视网膜的传入冲动，能帮盲人重见光明。目前这方面已有大量研究。 ( 6 ) 听觉康复 适用于听觉神经和听中枢仍然完整的由于耳蜗病变致聋者。应用微型话筒配 合电子计算机处理，对耳蜗基底膜的听神经末梢进行刺激可以重建听觉系统。 1 4 本课题研究内容及方法 目前，基于生物电反馈控制方式的f e s 运动神经假体系统还处于初级研究 阶段，尤其在下肢运动功能重建方面，目前研究甚少。这种控制方式的受生物电 信号提取精确度影响，不宜达到对患者的正确控制，因此本文中选择了肢体控制 方式；其次，由于脚控方式只适用于下肢功能功能部分尚存的轻度瘫痪，对于下 肢严重瘫痪的患者并不适用；而身体其他部位控制方式的f e s 系统控制源不直 接，患者学习起来也极为复杂，因此，本文中选择了手动控制方式。这种控制方 式操作方便，使用者很容易就能掌握其使用方法，对于重度的截瘫患者也可以利 用助行器辅助进行下肢运动功能的重建。 根据人体行立的基础知识了解，大腿主要功能是使保持人体站立，小腿主要 是控制向前摆动完成迈步功能。因此，该系统设计为4 个通道( 左大腿、右大腿、 左小腿及右小腿) ，用来完成瘫痪患者站起、迈步的动作。 系统的刺激脉冲可分为恒压刺激和恒流刺激。由于不同个体的生物电阻抗不 同，同一个体不同环境生物电阻抗也是变化的，当使用恒压刺激时，不同个体或 相同个体不同环境，摄入人体的电荷量都会发生变化；而恒流刺激就不会发生这 种情况。因此，本文选用了恒流刺激作为输出级。 考虑到瘫痪患者的个体性差异、瘫痪患者病情及同一患者在使用系统进行刺 第一章绪论 激的过程中会产生肌肉疲劳而需增加刺激幅度来增加肌力，本文采用了刺激脉冲 幅度可调的方式。 核心控制单元选用的是单片机，主要完成刺激脉冲幅度的调节、刺激等级显 示及通道选择。这种控制单元成本低、设计灵活、学习起来比较简单，适用于设 计一些便携的小型系统。 一 最后，采用人体运动学参数对本系统进行了刺激效果的评价。首先，验证了 刺激能使受试者保持站立的可能。第二，测试了受试者刺激迈步时的运动效果， 并与正常迈步的运动效果进行了比较。 以上为本文的基本研究思路，有关的详细内容将在后续第二章第六章中陆 续给出。其中第二章介绍有关瘫痪和f e s 技术的基础；第三章给出基于f e s 的 下肢运动神经假体系统硬件设计；第四章说明该系统的软件设计；第五章给出系 统的测试实验与评价结果；最后第六章为本文的研究总结与展望。 天津大学硕士学位论文 第二章瘫痪与功能电刺激( f e s ) 基础 瘫痪，是指脊髓损伤后，损伤平面以下肢体感觉、运动、反射等衰减或消失 的一种病症。瘫痪可分为外伤性瘫痪和病理性瘫痪两种。但由于脊髓再生能力非 常微弱，目前两种因素造成的瘫痪的治疗手段都是非常有限的，对损伤的脊髓更 是毫无办法。因此，对于广大的瘫痪患者，发展一种有用的方法使他们能恢复日 常生活极为迫切。功能电刺激( f e s ) 为目前评价较好的一种方式。 2 1 瘫痪及瘫痪原因 2 1 1 脊髓 神经系统( n e r v o u ss y s t e m ) 是机体内起主导作用的系统。内、外环境的各 种信息，由感受器接受后，通过周围神经传递到脑和脊髓的各级中枢进行整合， 再经过周围神经控制和调节机体各系统器官的活动，维持机体与内、外环境的相 对平衡。 神经系统分为中枢神经系统和周围神经系统两大部分。中枢神经系统包括脑 和脊髓，周围神经系统包括脑神经和脊神经。 脊髓是中枢神经中最初级的部分，具有介导各种反射的神经元网络，由感觉 传入纤维、各类中间神经元及运动神经元组成。脊髓主要是传导通路，能把外界 的刺激及时传送到脑，然后再把脑发出的命令及时传送到周围器官，起到了上通 下达的桥粱作用。 图2 一i 脊髓的位置示意图 脊髓位于脊柱的椎管内，外围由脊柱保护，前面为椎体，后面为棘突( 图2 第二章瘫痪与功能电刺激( f 酷) 基础知识舟绍 一1 ) 。脊髓为圆柱形，全长男性平均约为4 5 c m ，女性平均约为4 2 c m ，上端与大 脑相连，下端变细到达第一腰椎下缘。脊神经共有3 l 对，其中包括颈神经8 ( c i 8 ) 对，胸神经1 2 ( t 1 m ) 对，腰神经5 对皿1 4 ) ，骶神经5 对( s i 5 ) ，尾神经l 对( 0 ) 瞄l ， 如图2 2 所示。 田2 2 脊髓分段、脊神经的对应关系 脊神经由脊髓发出，主要支配身体和四肢的感觉、运动和反射。各节脊髓神 经感觉区域及运动功能如图2 - - 3 所示。一旦脊髓损伤，损伤平面阻下的肢体感 觉运动均发生障碍，反射部分或完全消失，发生瘫痪的一系列表现。 軎目脊髓* 蛙 迮勋l 。n 榇 图2 - 3 各节脊髓神经感觉区域及运动功能标示图 2 1 2 瘫痪 瘫痪常见的病因在临床上般可分为外伤性和病理性。 鬻鼍 天津大学硕士学位论文 外伤性瘫痪是因外界力量使人体脊柱骨折、椎体和相关软组织受损、积压或 损伤脊髓所致，如各种事故引起脊髓切断、脊髓出血或脊柱骨折使脊髓挫伤。这 一类瘫痪比较常见的病因有车祸、坠落、重物压伤、运动伤害等，其中尤以车祸 居多，占脊髓损伤总数的4 2 ；其次为坠落事故、重物压伤、运动伤害、暴力 事故等，有些老年人发生的原因也有闪跌、滑交等小伤害。外伤性瘫痪的年龄层 以2 0 岁到2 9 岁的发生率最多，而2 0 岁到4 9 岁患者几乎占了三分之二。 。 病理性瘫痪是因脊髓或其周围组织病变损伤脊髓所致，如一般病毒感染引起 的急性横贯性脊髓炎、周围神经病变、脊髓血管病变、脊髓压迫性病变等均可出 现瘫痪。其中临床上尤以急性脊髓炎、脊髓瘤和腰推手术最为常见。另外，外伤、 过度疲劳也是本病的诱发因素。 瘫痪程度的轻重与脊髓损伤的部位和损伤程度有关 2 7 - - 2 9 1 。一般，损伤部位 越高，瘫痪程度越严重。脊髓不同节段的运动、感觉平面及代表肌肉如下表2 一 l 所示。 表2 一l 脊髓不同节段的运动、感觉平面、代表肌肉对应表 损伤水平感觉平面代表肌肉运动功能 c 1 一c 3 颈部胸锁乳突肌颈屈曲、旋转 c 4 肩锁关节膈肌呼吸 c 5 肘前外侧三角肌肩屈曲外展 c 6拇指胸大肌肩内收前屈挠侧腕伸肌 c 7 中指肱三头肌肘伸 c 8 一t 1 小指 屈指肌 手指屈手内部肌 t 6 第6 肋间上部肋间肌上肢稳定 t 1 2 腹股沟上缘腹肌胸部背肌操纵骨盆 l 2股前中部髋腰肌屈髋 l 3 膝上内侧股四头肌伸膝 l 4内踝胫前肌踩背伸 l 5 足背拇长伸肌伸趾 s l 足跟外侧 腓肠肌比目鱼肌踝屈 根据损伤水平不同，脊髓损伤可分为不完全损伤和完全损伤，在神经损伤平 面以下，包括骶段保留部分运动与感觉功能时，可判定为不完全损伤。美国脊髓 损伤学会( a m e r i c as p i n a lc o r di n j u r ya s s o c i a t i o n ，a s i a ) 提出的损伤程度分级见 表2 2 。其中a 级和b 级合称为运动完全性( m o t o rc o m p l e t e ) 损伤。 第二章瘫痪与功能电刺激( f e s ) 基础知识介绍 表2 2a s i a 损伤程度分级 级别指标 a 完全性损伤骶骨( s 4 s 5 ) 无任何感觉或运动功能保留 b 完全性损伤损伤平面以下包括骶段有感觉但无运动功能 c 不完全损伤损伤平面以下有运动功能，大部分关键肌力3 级以下 d 不完全损伤损伤平面以下有运动功能，大部分关键肌力3 级或3 级以上 e 正常 感觉或运动功能正常 2 2 瘫痪的治疗 脊髓损伤( s p i n a lc o r di n j u r y , s c i ) 作为严重的神经系统损伤往往导致大部分 肢体瘫痪，给个人、家庭及社会带来极大痛苦与负担，因此一直是创伤外科等研 究的重点和难点。s c i 的最早记载可以追溯致公元前1 7 0 0 年，从那时起就被判 为“不治之症”，近来，随着分子生物学的突飞猛进，基因技术的出现，在s c i 的 研究方面已取得了令人鼓舞的进步【3 0 】。目前，s c i 引起的瘫痪主要有以下几种治 疗方法。 1 、药物治疗 药物治疗中皮脂激素为迄今为止应用最为广泛的治疗s c i 的药物。另外还有 神经节苷酯、抗氧化剂和自由基清除剂、钙通道拮抗剂等啪1 。这种治疗方式主 要是改善脊髓血流，减轻细胞水肿，提高神经系统的兴奋性。但是各种的药物使 用都是受各种条件限制的，而且大量应用激素可能会引起应激性溃疡等并发症的 发生，不适用于长期使用。 2 、手术治疗 减压：损伤原因不同，方法也不同。颈椎粉碎骨折应行前路减压，胸段粉 碎骨折可从侧前方入路减压和后方入路经椎弓根减压，腰椎粉碎骨折可从后正中 入路行减压。骨折脱位一般应行后入路。 内固定：内固定的目的是复位和重建脊柱的稳定性，防止脊髓的继发损害， 目前多采用钢丝、椎弓根螺钉、钢板及l u g u eh a r r i n g t o n 棒等方法。 但是，目前对手术治疗遗留的运动功能丧失，二便失禁，肌肉萎缩，肢体痉 挛疼痛尚无良好的措施，且手术治疗还依赖于骨折的类型、脊髓损伤程度、损伤 水平和时间，因此，手术治疗不是理想的治疗方式。 3 、神经干细胞移植 主要有胚胎及神经干细胞、嗅鞘细胞及骨髓基质细胞的移植。将外周神经植 天津大学硕士学位论文 入伤区，可观察到轴索的再生，此种再生多由局部细胞出芽的方式形成，而非长 束轴索的延伸，再生距离短，不能突破胶质瘢痕的阻碍。目前，主要是对动物进 行实验研究，有关神经干细胞移植用于治疗脊髓损伤瘫痪病人的研究基本还是 片空白。 4 、物理治疗 主要有电刺激和磁刺激。 电刺激可使脊髓血流明显增加，脊髓损伤部位神经数量增多。另外，还有观 点认为电刺激，促进毛细血管生长，而神经的生长具有血管趋向性，从而可间接 促进神经纤维的生长。 磁刺激( m a g n e t i cs t i m u l a t i o n ，m s ) ，是一种无痛、无创、快捷的神经生理技 术，通过高压、高能电流在刺激线圈内瞬间放电，诱导出高场强的磁场，可以无 衰减地穿透皮肤和骨组织，诱导神经组织产生局部微电流，使神经细胞去极化， 从而兴奋神经纤维。由于磁刺激能兴奋深部的外周神经组织及大脑和脊髓，通过 调节其频率、强度、刺激间歇及持续时间来影响中枢神经系统的兴奋性，因而对 外周及中枢神经系统损伤的疾病具有潜在的治疗作用。 综上所述，目前治疗s c i 的方法很多，但并不尽人意，有些方法在动物实 验中有效，应用于临床则不然。对瘫痪后运动功能的恢复，更是望尘莫及。因此， 发展一种神经假体重建瘫痪患者的运动功能成为了研究重点。 2 3f e s 的生物学原理 肌肉的生理特性主要指肌肉的兴奋性和收缩性。肌肉在刺激作用下具有产生 兴奋的特性，称为兴奋性；肌肉兴奋后产生收缩反应的特性，称为收缩性。肌肉 的兴奋性和收缩性是紧密联系而又不相同的两个基本生理特性，肌肉的兴奋必然 引起肌肉收缩，肌肉兴奋在前，收缩在后。 f e s 的工作原理是神经细胞的电兴奋性【3 2 1 。神经细胞的电兴奋性源于细胞 膜对钠离子、钾离子和氯离子的不同通透性。细胞的静息电位由平衡时细胞内外 的离子浓度决定。受到电刺激后，细胞膜对离子的通透性发生变化，导致膜电位 发生突变，形成一个动作电位( a c t i o np o t e n t i a l ) 。 f e s 是利用神经细胞对电刺激的响应来传递外加的人工控制信号。通过外电 流的作用，神经细胞能产生一个与自然激发引起的动作电位完全一样的神经冲 动，使其支配的肌肉纤维产生收缩，从而获得运动的效果。 神经细胞对电刺激的响应是由其跨膜电位的阈值所决定。阈值之下的电刺激 只能使细胞膜产生去极化作用。当刺激强度达到阈值时，便会激发一个双向传播 第二章瘫痪与功能电刺激( f e s ) 基础知识介绍 的动作电位。在阈值之下刺激时，细胞膜可被视为一个如图2 4 所示的无源电 阻电容等效电路，刺激电流是等效电路的外加电源。如果以v t 代表细胞膜电位 图2 4 阈值下刺激时的细胞模型 的阈值，那么达到阈值电位所需的刺激电流强度为： v t i t = 粤 ( 2 1 ) 1 一p t m 其中j f l 。是细胞膜的时间常数7 。= 尺聊c 聊，尺m 和c 脚分别是细胞膜的跨膜电阻 和电容。方程( 2 一1 ) 为刺激电流强度与作用时间的关系，称为阈值的强度时间关 系，是f e s 的一个基本关系。 0 f 。t j o o 。龇o 一5 0 0 v 刺激时间( i i s ) 一 o jl o o 一2 0 0 一3 0 0 , 4 0 0 j 5 优h 刺激时间( 烨) 一 图2 5 刺激阈值的强度时间关系曲线图2 6 电刺激电荷一时间关系曲线 如图2 - - 5 所示，电刺激的特点是刺激时间越短，达到阈值所需的电流强度 就越大；反之，所需电流强度越小。但是，电流强度不能低于一个最小值，称为 基强度( r h e o b a s e ) 。基强度i o 可以从方程( 2 1 ) 中令卜求得，于是有 i 。- ，。= 哆丢，因此有， 量：j 一 ( 2 2 ) i 。l p 刺激电重量fnvt 天津大学硕士学位论文 刺激的电荷摄入量p ，也可被求得： 、 q ，= ，= 等( 2 - - 3 ) 如图2 - - 6 所示，刺激时间越短，电荷摄入量越小。最小电荷摄入量d 可 从方程( 2 - - 3 ) 中令t - 0 得出，这时q 丁- q d = ，d t 所，所以， 望：t (24)o。1 - e - f r 。 一“ 阈值的强度时间曲线的另一个特征参数是二倍于基强度的刺激时间，称为 时值t p ( c h r o n a x i e ) 。在实际应用中，常常通过测定时值的大小来初步确定强度 时间关系。 当进行表面电极刺激时，在刺激器和组织之间最少有2 个接触面。在正电极 端，负电荷被吸引，正电荷被排斥，负电极端则相反。这样就会在组织里会产生 离子电流，引起膜兴奋使细胞去极化，导致动作电位的产生。要引起足够的神经 兴奋，仅考虑电流是不够的，阻抗、电极尺寸和位置及电流参数也是决定神经兴 奋是否发生的因素。 2 4f e s 系统的组成 f e s 包括治疗应用和恢复运动功能的应用。治疗应用可以改善和阻止残疾状 态的进一步发展，一般情况下，这类应用的时间较短( 最长只有几年) ；运动功 能恢复包括增强上肢的控制性和下肢的运动能力，当神经损伤稳定后开始使用功 能恢复法并保持下去，可使应用者终生受益。 用于功能重建的f e s 系统主要是恢复运动和控制训练。一般，其组成如图 2 7 所示。 l 一固j 图2 - - 7 f e s 系统的组成 可以看到，f e s 系统是由控制命令发生器( c o m m a n dg e n e r a t o r ) 、控制器 ( c o n t r o l l e r ) 、刺激器( s t i m u l a t o r ) 和电极( e l e c t r o d e s ) 四个基本部分构成，理想状态还 需要用到传感器( s e n s o r s ) 进行反馈调节。 第二章瘫痪与功能电刺激( f e s ) 基础知识介绍 控制器由微处理器及外围电路构成，它接受来自控制命令发生器的命令( 状 态和比例信号) ，经过处理后按预先确定的刺激参数控制多通道刺激器产生相应 肌肉的电刺激脉冲，在刺激脉冲的作用下使肌肉产生收缩，完成特定的功能性动 作。传感器用于检测位置、力、力矩等参数，以实现控制增强稳定性。 f e s 神经假体系统设计为便携式，具有很高可靠性。系统又可分为无创式 ( n o n i n v a s i v e ) 、半植入式( s e m i i m p a n t e d ) 和植入式( i m p l a n t e d ) 等。无创式采用的是 表面电极，控制器，刺激器和电极均位于体外；半植入式是将电极植入体内，而 控制器和刺激器放在体外，易于实现对肌肉的精确控制；植入式是将刺激器和电 极都植入体内，控制器以无线电频率向体内的刺激器供能和进行控制，此类系统 无需导线，可靠性高。但由于半植入式和植入式的系统需要把系统的一部分植入 到体内，因此，在一定程度上限制了其的应用。 目前，国内外对f e s 恢复瘫痪病人肢体运动功能的以下几方面进行了研究： 1 刺激电极 f e s 系统使用的电极有三种：表面电极( s u r f a c ee l e c t r o d e ) 、植入式电极 ( i m p l a n t e de l e c t r o d e ) 和神经套电极( n e r v ec u f f e l e c t r o d e ) 。使用表面电极时，刺激 脉冲要经过皮肤进入肌肉，需要刺激强度较大，不能用于精细动作控制，但由于 其使用方便且对人体无损伤，因此被广泛的应用；植入式电极由多根几十微米的 不锈钢丝束组成，用皮下注射针头植入肌肉的运动点，可精确控制每块肌肉的收 缩，刺激强度低，但其对组织有创伤，易感染；神经套电极一般装在u 形渗有 硅胶的涤纶网中，然后缠到神经上，正负电极分别在u 形网两侧，其刺激强度 远远低于前两种，但其技术准确度要求也远大于前两者。 2 刺激器 刺激器是提供合适电刺激脉冲序列的装置，有恒定电流输出或恒定电压输出 型，也有的刺激器两者皆有，通过开关切换。但由于人体阻抗的可变性，使用恒 定电流输出型会达到更好的效果。刺激器理论上具有脉冲幅度或脉冲宽度或脉冲 频率可调，但考虑到临床操作的便利性，实际应用中往往都是通过调整脉冲幅度 来实现刺激模式切换。在输出通道上有2 个通道、4 通道、8 通道或1 6 通道。通 道越多，能够刺激的肌肉越多。特别是使用经皮电极，在一块肌肉中往往放置几 个通道的电极。因此通常通道数越多，能实现的控制越准确和复杂，肢体运动就 会更接近自然状态。但是，超多通道的刺激控制复杂度和难度也会大大提高。因 此，需要在保证刺激效果的前提下尽量降低刺激通道数目。 3 传感器 f e s 使用的传感器要求能装在人体上不影响穿衣、美观，安装和拆卸要方便。 不需要经常校准，患者不用培训或少培训就能学会操作，这种传感器还要能在各 天津大学硕士学位论文 种环境下工作，能承受电子噪声、温度、光、湿度的干扰。要求传感器重量轻、 薄、体积小、精度好、分辨率高，既不能限制身体活动的自由度，又要与身体表 面有很好的接触性。 传感器在正常的传感和运动功能重建上是很重要的，但实用的不多。目前用 得最多的角位移传感器因体积大，每次使用均需要标定，也只能在用实验室系统 上，而无法日常使用。设计一种可携带的传感器是当前f e s 走向实用化中急需 解决的问题。 2 5f e s 的应用及治疗效果 虽然f e s 治疗是一种独立的康复方法，但由于不同患者瘫痪时间及程度的 不同，需要对不同个体制定独特的最适宜的f e s 临床应用方案，以达到使患者 尽快恢复的疗效。 对于不完全瘫痪患者，f e s 作为一种恢复肌力的方法，在患者损伤后应尽早 开始，极有可能将其伸展膝关节的肌力恢复到完全依靠自己的力量能站立的程 度。开始刺激的效果由专门的物理治疗师来控制，随着技术的发展，现在将控制 开关电钮安装在步行器上，可以由病人自己进行控制，增加了患者站立行走时的 稳定性。 对于完全瘫痪的患者，则需先刺激股四头肌的，使其力量增加到能承受体重， 才能站立。刺激开始为等长性收缩，瘫痪的股四头肌反映微弱，强度也差，容易 疲劳。连续刺激治疗2 3 个月，则双侧股四头肌肌力增强，达到最大的肌收缩力 之后，可以开始站立姿势。站立开始时，患者智能站立很短时间，肌肉极易疲劳， 以后连续进行站立练习，逐渐病人站立可达3 5 4 0 分钟，从恢复走路功能要求看， 可靠的站立是恢复走路功能的先决条件。 不是说所有的瘫痪病人都适合用f e s 。接受下肢f e s 的前提条件是大多数 支配靶肌肉的下肢运动元是完整的。由于需进行平衡的控制，从安全方面的考虑， 在功能性电刺激下站立和行走时，患者必须具备一定的上肢力量。颈以上完全脊 髓损伤的患者，需机械性辅助( 如倾斜台等) 方能站立。颈8 到胸5 脊髓之间完 全性损伤的患者和颈部脊髓不完全损伤的患者可以在功能性电刺激下站立和行 走。然而，这些患者躯干稳定性下降同时伴随血压升高的自主反射功能缺乏。因 此，许多学者只选择胸4 或胸5 以下脊髓损伤的患者，如果颈部或上胸部脊髓损 伤的患者应用功能性电刺激，在开始应用的1 个月内，需要严密控制心率和血压。 另外，以下患者也不适合使用f e s 进行康复治疗。 l 、携带心脏起搏器者； 第二章瘫痪与功能电刺激( f e s ) 基础知识介绍 2 、电极放置位置有癌症的患者； 3 、严重的脊柱侧凸者； 4 、严重的骨质疏松症患者； 5 、在刺激部位有皮肤过敏或感染等反应者； 6 、肌肉僵直者； 7 、自主神经反射异常者等。 f e s 在瘫痪方面的应用包括功能替代和功能重建两部分治疗效用。功能替代 是指f e s 代替或矫正肢体和器官已丧失的功能；功能重建则是指f e s 在刺激神经 肌肉的同时，也刺激传入神经，加上不断重复的运动模式信息，传入中枢神经系 统，在皮层形成兴奋痕迹，逐渐恢复原有的运动功能。运动功能恢复包括增加上 肢的控制性和下肢的运动能力。当神经损伤稳定后开始使用f e s 并保持下去，可 明显改善或阻止残疾状态的进一步发剧3 3 】。 截瘫患者的f e s 行走还有很多其它方面的收益，例如行走时通过自己的骨骼 承重，经过自己关节来活动，这些可引起肌肉主动收缩，增长肌力，活跃代谢， 防止肌萎缩及骨质疏松，减少肌肉痉挛等；由于行走活动，也可以间接的减轻一 些并发症，如挛缩、压疮、尿动力紊乱及心肺功能的衰竭、血栓性静脉炎等，还 有利于患者精神方面的健康，大大减轻了残疾人的心理负担状态和社会活动障 碍，从而提高了生活质量。 总之，f e s 作为一门新兴的康复工程技术，正在受到越来越多的重视。但是 目前很少的f e s 系统可以走出实验室。因此，该部分工作亟需进展研究。 2 6 本章小结 本章主要介绍了与瘫痪和f e s 相关的基础知识，主要包括以下几部分内容： l 、介绍了脊髓的重要功能及脊髓损伤部位不同与瘫痪程度不同的理论关系。 并且还介绍了瘫痪的临床表现。 2 、按控制方式介绍了f e s 的发展现状。目前主要的控制方式为利用患者肢 体进行控制和利用从患者提取生物电的方式控制两种方式。对两种控制方式的优 缺点进行了介绍