（生物医学工程专业论文）基于稳态视觉诱发电位肌肉电刺激仪的研究.pdf

a b s t r a c t n l ed y s l d n e s i ai so n eo ft h em o s tc o m m o nc l i n i c a ls y m p t o mo nh e m i p l e g y p a t i e n t s t h ed e g r e eo ff u n c t i o n a lr e c o v e r yo fl o c o m o t i o na n dt h er e a c t i v a t i o n1 st h e i m p o r t a n tc r i t e r i o no f h e a l i n g n l eb r a i n c o m p u t e ri n t e r f a c e ( b c i ) i st h en e wo u t w a r di n f o - i n t e r f a c ea n d a d v a n c e dc o n t r o lt e c h n i q u ew h i c hi se s t a b l i s h e db e t w e e np e r s o n sb r a i na n dt h e c o m p u t e ro ro t h e re l e c t r o n i ce q u i p m e n t s i td o e s n td e p e n do nt h en o r m a lo u t p u t t h o r o u g h f a r eo f b r a i ni n f o r m a t i o nb u tp r o v i d ea k i n do f n e wm e t h o di nr e c o v e r i n gt h e p a t i e n t sw h oa r ed a m a g e di nn e r v ea n dm u s c l eo fl i m b s s t e a d ys t a t ev i s u a le v o k e d p o t e n t i a l ( s s v e p ) i sa ni m p o r t a n tm e t h o d o l o g yu s e di nb r a i n c o m p u t e r i n t e r t a c e w i t hl l i g hi n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o nr a t e , s h o r tt r a “n gt i m ea n dn o n d a m a g e ，s s v e p h a sb e c o m eav e r yp r o m i s i n gb c is i g n a li n p u t t i n ga p p l i c a t i o n f 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 nc a nc o n t r o li n j a r e da t r o p h ya n db u i l du pm u s c u l a rs t r e n g t h b yu s m g s t i m u l a t i o nt ol e to u t e rn e r v et r a n s m i ti n f o r m a t i o nt ot h ec e n t u m ，i tc a i lr a d i c a l l y a d v a n c et h er e p a i ro ft h ed a m a g e dc e n t u ma sw e l la sr e n e wt h el c l c o m o t i v ef u n c t i o ni n o r d e rt oi m p r o v ep a t i e n t s l i f eq u a l i t y am e t h o di ss u g g e s t e di nt h i sp a p e rb yc o m b i n et h et h e o r i e so fb r a i n c o m p u t e r i n t e r f a c et e c h n o l o g ya n df 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 b a s e do nt h es t u d yo f e l e c t r i c a ls t i m u l a t i n gt h e r a p yf o rt h er e c o v e r yf r o mh e m i p l e g yo ro t h e rn e u r o p a t h y , i t p u tc o n t r o l l i n gs i g n a lc a u s e db ys s v e pi n t oe l e c t r i c a ls t i m u l a t i n ge q u i p m e n tb ye e g e x p e r i m e n t t h r o u g ht h i sw a y , i td e s i g n e das y s t e mt oc u r eh e m i p l e g yb ys t i m u l a t i n g t h e r a p ya n dt h es y s t e mi sc o n t r o l l e db yb r a i ne l e c t r i c i t v t l l i sc h a n g e dt h et r a d i t i o n a l a p p a r a t u si n t oa ni n t e l l e c t u a l i z e ds y s t e ma n dr e a l i z e db r a i na n dc o m p u t e ri n t e r f a c ei n s o m ee x t e n t t 1 1 i sa p p a r a t u su s e da t 8 9 c 5 8s i n g l e c h i pa n dc p l da st h ec o n t r o l l i n gc e n t r et o r e a l i z ep a r a m e t e rs e t u p l c dd i s p l a ya n dm u l t i c h a n n e lo u t p u tc o n t r 0 1 t h eo u t p u t s t i m u l a t ep u l s ei sb i d i r e c t i o n a lr e c t a n g l ew a v e t h ep a r a m e t e r so fr e c t a n g l ew a v e ， s u c ha so u t p u t t i n gs t i m u l a t i n gp u l s ef f e q u e n c y w i d t h ，c l e a r a n c eb e t w e e np u l s e so f d i 艉r e n tp o l a r i t v i n t e r v a lb e t w e e nb o r d e r e do u t p u ts t i m u l a t i n gp u l s e sa n dt h e r a p y t i m e c a nb ec h a n g e db yu s i n gt h ek e y b o a r d t h ec i r c u i ti sd e s i g n e di ns e r i e sw i t h c o m p u t e nt h u st h eb r a i ne l e c t r i c a li n f o r m a t i o nc a l lc o m m a n i c a t ew i 血s i n g l e c h i pi n o r d e rt oc o n t r o lt h e r a p y u s i n g4 0 一c h a n n e l sb r a i ne l e c t r i c sa m p l i f i e rt oc o l l e c tt h e b r a i ne l e c t r i c a li n f o i t n a t i o nt h a tp e o p l eh a v ew h e nt h e ya r ee x p o s e dt of l a s h l i g h t ， e x t r a c ts t e a d ys t a t ev i s u a le v o k e dp o t e n t i a la n da n a l y s ep o w e rs p e c t r u m t h er e s u l t d i s p l a yc a np r o v i d et h ej n f o r m a t i o nt h a tc a nb eu s e db vt h ec o m p u t e ra n df e s t h ee x p e r i m e n tw a so p e r a t e do nt h en o r l n a lh u m a n n es t i m u l a t i n gp o i n ta n d t h ep a r a m e t e ro ft h es i m u l a t i o nw e r er e c o r d e da n dt h ee f i 、e c to ft h es i m u l a t i o nw a s t o l db yt h es u b j e c t t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ee q u i p m e n tw a ss a f ea n dt h eo n t p u tc a n c a u s et h es h r i n k a g eo ft h em u s c l e ，s ot h ed e s i g na c h i e v e dt h ee x p e c t a n tt a r g e t t h e e x p e r i m e n to ft h ec o m m u n i c a ti o nb e t w e e nt h ec o m p u t e ra n dt h ef e ss h o w e dt h a t t h i sd e s i g nh a dh i g h a c c u r a c ya n dc o u l db ee a s i l ya c t u a l i z e d b u tb e c a u s eo ft h e c o m p l e x i t yo f h u m a nb o d y , t h ef u r t h e re x p e r i m e n ta n dc l i n i c a ls t u d ya r es t i l ln e e d e d k e y w o r d s ：b r a i n c o m p u t e ri n t e r f a c e ( b c l ) ；s t e a d ys t a t ev i s u a l e v o k e dp o t e n t i a l ( s s v e p ) ；e l e c t r i c a ls t i m u l a t i o ni n s t r u m e n t ；f u n c t i o n a lr e c o v e r yo fl o c o m o t i o n ； 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，也不包含为获得盘注盘茎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： i 妫 签字目期：口6年弓月，g 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘生盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘鲎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： i 坜 呷盟 导师签名：( 际 签字日期：口占年；月留目 签字f i 期：o6 年3 月 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 肢体运动功能障碍是偏瘫患者和其他肌肉萎缩及失神经病人最常见的临床 表现之一，影响着患者日常生活能力，给患者带来极大痛苦，给家庭和社会造成 沉重的负担u j 。 为了缓解患者的痛苦，减轻家庭和社会的负担，医疗人员在临床实践和理论 研究上做了大量的工作，有一系列相应的措施，通过医疗手段，使病人恢复日常 生活能力，并最终能重新回归社会，继续作为社会中健康的一员而生活和工作。 本文在了解目前国内外肢体运动功能恢复研究现状的基础上，将脑机接口技 术与功能电刺激原理相结合，采用稳态视觉诱发电位作为研究方法，在研制针对 偏瘫患者等失神经病人运动功能恢复的电刺激治疗仪的基础上，配合脑电实验， 把稳态视觉诱发电位产生的控制信号引入电刺激仪，设计了一种由偏瘫患者通过 脑电控制刺激治疗过程的系统，使传统的功能电刺激仪成为一个智能化的治疗系 统，实现一定程度上的脑机接口。 1 2 国内外研究现状 目前，医疗人员主要通过物理治疗提高残存肢体的运动能力，例如运动疗法、 肢体矫形器疗法、运动再学习疗法、针灸、按摩、药物疗法等。在这方面，国 内外的许多研究者做了许多的工作，其中最主要的是对运动疗法研究。 2 0 世纪4 0 年代，b o b a t h 夫妇提出了神经发育治疗技术( 又称为b o b a t h 技术) ， 主张按照正常人体发育的顺序，通过利用正常的自发性姿势反射和平衡反应来调 节肌张力，诱发正常的运动反应。先学习并掌握基本的姿势与运动模式，然后逐 渐转变为日常生活中复杂的功能性、技巧性动作。而技巧性动作则以姿势控制， 调正反应，平衡反应及其他保护性反应，伸手、抓握与放松等基本动作模式为基 础。运动疗法中治疗技术的选择和患者运动能力的改善，往往通过患者的感受和 运动能力的提高来表达，医疗工作者在这方面的研究以经验成分居多p j 。 在国内医疗人员的实际临床工作中，主要以传统中医理论为基础，结合国外 先进的运动疗法为主要康复手段，比如，按摩，针灸理疗，药物治疗以及心理康 复等，并取得一系列的成功经验。医疗人员发现单纯的使用一种方法不能取得理 想的治疗效果，在临床中，采用多种理疗和治疗方法结合使用，这样的做法是根 据医护人员多年的临床实践以及临床经验所得出的。比如，针药疗法比单纯的使 第一章绪论 用药物或者针灸的效果要明显的多i 4 j 。 1 9 6 1 年，l i b e r s o n 等p 1 首先将功能电刺激( f e s ) 应用于运动功能康复。他们 将电极的一端放置于患侧下肢腓骨头下端的腓神经，另一端放置于患者的腰部， 电极开关通过摆放在患脚鞋内的电极感应器来控制，患脚抬离地面时，开关处于 开的位置，产生电流；患脚足跟落地时，开关处于关的位置，电流被阻断。他们 以此种方法治疗偏瘫患者7 名，发现所有患者在步行的摆动期内，患侧踝关节有 明显足背屈及外翻的动作出现。以后数十年中，越来越多的研究人员利用f e s 治 疗偏瘫患者。1 9 9 6 年g i 硼_ a l 等1 6 1 利用单组电极刺激1 9 名偏瘫患者产生足背屈动作， 治疗周期分为2 期，第l 期为l l 周治疗，4 周随访；之后，再进行4 周的治疗，4 周 随访。结果显示，无论偏瘫患者在不同质地地面上行走的能力，还是采用b a r t h e l 指数评定动作得分，都显示出f e s 有明显的疗效。1 9 9 7 年，b u r r i d g e 等i ，1 人总结了 前人的经验，同样利用单组电极刺激腓神经，以诱发偏瘫患者在步行中的足背屈 动作。此次，3 2 名偏瘫患者随机分为治疗组与对照组。经1 3 周治疗后，治疗组患 者的步行速度有所提高。 最近几年，美国又推出改善上下肢运动功能的f e s 系列，使四肢瘫痪者可以 重新恢复手的功能，下肢重新站立和步行。f r a n c i s c o 等p 1 将脑卒中6 周的偏瘫患 者分为两组，在康复治疗期间，实验组除接受常规的康复训练外，偏瘫侧腕伸肌 每天接受3 0 分钟肌电图诱导的神经肌肉电刺激治疗，对照组仅接受常规康复训 练，结果实验组患者的恢复情况明显优于对照组。 从文献上看，现在国外关于功能电刺激的实验仪器已经很发达，能够控制肢 体完成诸如站立、行走、上下楼梯、抓握等复杂的动作。早在1 9 8 7 年p e c k h a m 等成功设计了多达2 6 通道的f e s 系统，控制整个下肢运动p j 。 在国内虽然电刺激仪器很多，但大部分要么刺激电极较少，要么输出参数不 便调节，对于实际临床应用来说，由于个体差异，刺激参数往往都是因人而异的， 因此实际应用过程中方便参数设置是个很重要的问题，但大部分仪器都缺少这样 的功能。许多造价昂贵的电刺激治疗仪除了价格因素外，其实现方式主要是中频 或高频治疗。另外一些基于中医理疗思想的电疗产品，也都不具备电刺激治疗的 功能，主要侧重于按摩、保健和镇痛。 脑机接口技术( b c i ，b r a i n - c o m p u t e r i n t e r f a c e ) 作为一种全新的大脑对外信 息交流和控制输出平台，为偏瘫患者以及其他思维正常但运动功能残缺的病人提 供了新的康复手段。它不依赖于任何外围神经和肌肉系统响应，这一点和传 统的康复医学完全不同。而到目前为止，国内外在这方面的研究还仅限于实验室 研究阶段，但是b c i 技术的研究、开发和应用将会显著拓宽康复医学的学术领域， 前景十分可观。 第一章绪论 脑机接口技术和其他一些功能电刺激装置用于运动功能恢复的思想是用机 械装置代替病人的患肢，这种方法能改善病人的运动能力，但不能从生理上恢复 患肢的神经肌肉运动功能。 1 3 本文的主要工作 本文的工作主要是设计一种由偏瘫患者等失神经病人通过脑电控制刺激治 疗过程的系统。它是在研制针对偏瘫患者运动功能恢复的电刺激仪的基础上，配 合相关的脑电实验，把稳态视觉诱发电位引入电刺激仪，使传统的功能电刺激仪 成为一个智能化的治疗系统，实现一定意义上的脑机接口。 正文分三部分：智能电刺激治疗仪相关理论介绍及仪器系统的设计方案：电 刺激治疗仪的研制；电刺激治疗仪性能实验和稳态视觉诱发电位的实验研究。以 下是本文的主要内容简介： ( 一) 这部分结合国内外功能电刺激的研究进展，论述电刺激治疗机理和低 频脉冲电刺激的基本性质以及刺激点等效电路模型理论；介绍了稳态视觉诱发电 位和脑机接口技术的应用。上诉原理和性质决定本系统的设计思想以及参数依 据，是本系统设计的基础，为本系统提供了理论指导。 ( 二) 在低频电刺激理论和其基本性质的指导下，结合刺激点等效电路模型 理论，设计刺激仪的硬件部分。 硬件设计包括了单片机及外围电路设计，如4 x 4 矩阵键盘、液晶显示模块、 串口电路；在升压电路设计中，为了提高升压电路的安全性，方便输出电压的程 序控制，升压部分采用占空比可调的高压模块作为升压元件；为了隔离高压电路 和控制电路，采用光电耦合元件来控制，并且为了消除模拟电源对数字电源的影 响，控制电路和升压电路的电源分别设计：为了实现上位机对刺激仪的控制，在 硬件上设计了串1 2 1 电路，通过编程实现一定程度上的脑机接口；为了减小p c b 板空间，提高控制电路的可靠性，采用a l t e r a 公司的可编程逻辑器件e p m t 0 6 4 s 设计调整脉冲占空比电路和通道控制开关电路；并且仪器控制核心电路、电源与 升压电路和输出阵列控制电路分别设计，方便电路功能扩展。 ( 三) 电刺激仪的软件设计部分。该部分的主要功能是实现人一机交互，控 制刺激过程。电刺激输出的参数对应于液晶屏幕不同的选项，可以在手动控制方 式下方便，直观的设置刺激参数。此外，设置了串口通讯方式，为上位机和电刺 激仪提供通讯。 ( 四) 仪器系统的实验部分。仪器的性能实验是把人体组织等效为纯电阻负 载，观察当负载变化时刺激输出的变化，显示了仪器的工作能力和最大电流输出 能力，同时进行了针对正常人电刺激时的阈值实验。电刺激仪实验采用正常人为 第一章绪论 实验对象，实验效果依据实验对象主诉，实验结果显示不同对象对刺激的要求不 同；是使用稳态视觉诱发电位用于脑机接口的可行性实验部分，脑电实验是利用 三种频率的闪烁光刺激人的视觉，引发并提取稳态视觉诱发电位，通过功率谱分 析其频谱特性，结果显示利用s s v e p 作为脑机接口信号具有高正确率，易提取 等特点；上位机和电刺激仪的通讯实验验证了仪器系统的可行性，为下一步的工 作打下良好的基础。 ( 五) 总结与展望，总结本次设计的工作和创新点以及不足之处，提出本次设计 实现小型化和实用性还需要继续工作的方向。 第二章理论基础及设计依据 第二章理论基础及设计依据 2 1 电刺激基本原理 功能电刺激( 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 ) 是偏瘫康复治疗中最重要 的手段之一，应用电压或电流等电信号刺激神经肌肉，使丧失神经控制的肌肉产 生收缩，并且刺激神经元细胞，达到运动功能恢复和神经系统重建的目的【1 1 1 。 适用于肢体麻痹、偏瘫等有运动功能障碍的病症。 2 1 1 电刺激法介绍 电刺激作为一种运动功能恢复治疗方法广泛应用于临床。主要根据刺激输出 形式、刺激频率、刺激强度、刺激作用部位或刺激的目的对电刺激仪进行分类。 现在主要以刺激脉冲的频率来进行化分，比如直流电药物离子导入仪器、低频治 疗机、中频治疗机和高频治疗机。在同一频率范围里也有细致的分类，比如侧重 于促进局部血液循环的间动电流，即输出为5 0 赫兹交流电，经整流后叠加在直 流基础上而成的密波、疏波或断续波等几种波形；中频电疗又根据电流的性质分 为等幅和低频调制等；刺激作用部位不同也是决定仪器特点的主要依据，若对失 神经支配的肌肉进行电刺激，就要求刺激强度大、脉冲宽和变比大，并且随失神 经支配程度不同又有很大变化；对于经皮电刺激，对刺激运动神经或感觉神经为 目的刺激要求也有很大不同。按作用部位分类比如神经刺激、肌肉刺激、穴位刺 激等；根据刺激目的划分的方法主要指功能电刺激或特殊目的的刺激。电刺激也 可通过不同方式进彳亍l “j ：一是将带有黏性的电极置于皮肤上( 经皮肤电刺激皮 下的神经，t r a n s c u t 舳e o 峭e l e c t r i c a l n e r v es t i m u l a t i o n ，t e n s ) ；二是将电极插入皮 肤内( 侵入性电极刺激神经法，p e r c u t a n e o u se l e c t r i c a ln e r v es t i m u l a t i o n ，p e n s ) 。 如果插针的部位是根据传统中医针灸疗法的原则而选取，则称为电针，也叫穴位 电刺激( a c u p u n c t u r e l i k et r a n s c u t a n e o u se l e c t r i c a ln e r v es t i m u l a t i o n ，a l t e n s ) 。 可以认为p e n s 与a l t e n s 的差别主要是理论上的，而不是实际操作上的。w a n g 等i l 刈在大鼠试验中比较了a l t e n s ( 电极插入穴位) 与t e n s ( 电极置于同一部位的 皮肤表面) 的镇痛效果，发现无论是镇痛强度或其作用机制都没有显著差别。 很多研究表明，功能电刺激可以有效防止偏瘫患者关节僵直和肌肉萎缩，促 进了神经肌肉的反应，改善了肌力，增强了运动过程中肢体的协调性，提高了生 活质量和自理能力。 第二章理论基础及设计依据 2 1 2 低频脉冲电刺激基本性质 此次设计的电刺激仪属于低频脉冲刺激的范畴。在电疗中，将频率低于 1 0 0 0 h z 的刺激定义为低频电刺激，频率在1 0 0 0 h z 到i o o k h z 之间的刺激属于中 频刺激的范畴。这种分类方法主要是根据电流的生理学特征来决定的。当刺激运 动神经时，1 一l o h z 引起肌肉的单收缩；2 0 - - 3 0 h z 引起肌肉的不完全强直收缩； 5 0 h z 就引起完全的强直收缩。对于感觉神经，5 0 h z 能引起明显的振颤感；1 0 一 2 0 0 h z 特别是l o o h z 左右的频率可以产生镇痛和镇静中枢神经的作用。对于植物 神经，4 一l o l - l z 的频率可以兴奋交感神经；2 0 - - 4 0 h z 可以兴奋迷走神经。 电刺激仪器是通过电流作用于目标组织，使目标组织产生相应的功能变化。 波形、刺激电流、刺激方式等均会影响刺激效果。但应当注意的是，过大的刺激 电流有可能会对目标组织造成损伤，最终导致目标组织永久性丧失功能，使刺激 失效。为了更好的取得刺激效果，避免或减轻电流的损伤作用，必须根据不同的 目标组织选择合适的刺激指标。 低频脉冲电流的参数及其意义i i 训： l 、频率( f ) 是指单位时间内脉冲出现的次数，单位是赫兹( h z ) 。由于哺乳类 动物的神经的绝对不应期在l m s 左右，相隔l m s 以上的电刺激脉冲，每个脉冲均可 引起一次兴奋，因此低频脉冲电流的每一次刺激都能引起运动神经一次兴奋。在 临床中低频脉冲电流多用于兴奋神经肌肉组织。 2 、周期( t ) 一个脉冲波的起点到下一个脉冲波的起点相距的时间为一个周 期，单位是秒( s ) 或毫秒( n l s ) 。 3 、波宽是指每个脉冲出现的时间，包括上升时间、下降时闻等，单位是秒 ( s ) 或毫秒( m s ) 。不同波型的波宽计算方法不一致。对脉冲列，波宽也叫脉冲宽 度( p u l s e d u r a t i o n ) ；对双相波，波宽由正负相位宽度( p h a s e d u r a t i o n ) 组成。对脉 冲群，每个脉冲群持续的时间就是脉冲群宽度。波宽是一个非常重要的参数。要 引起组织兴奋，脉冲电流必须达到一定的宽度，神经组织和肌肉组织所需要的最 小脉冲宽度不一样，神经组织可以对最小达0 0 1 - - 0 0 3 m s 宽度的电流刺激有反 应，而肌肉组织兴奋则需要有更长的脉冲宽度和更大的电流强度。 4 、波幅是指脉冲电流的强度变化量，也就是从基线起到波的最高点之间的 变化量。 5 、脉冲间歇时间是指两个脉冲之间停止的时间，单位是秒( s ) 或毫秒( m s ) ， 在神经肌肉组织功能性电刺激时，脉冲间歇时间对控制肌肉收缩强度避免肌肉组 织疲劳有重要意义。 6 、通断比( r a t i o ) 是指脉冲电流的持续时间与脉冲间歇时间的比例。 6 第二章理论基础及设计依据 7 、占空因数( d u t y c y c l e ) 是指脉冲电流的持续时间与脉冲周期的比值，通常 用百分比来表示。 在脉冲电刺激理论中，有几个重要的概念明确了对电刺激的要求，分别是： 刺激的阈值、基强度和利用时。 阈值就是为了引起有效的兴奋，刺激的强度必须达到一定的最小值，对于膜 电位来说，阈值实质上就是足以使静息时的细胞膜产生除极化的强度，这种强度 大约2 0 m v 左右。但经皮电刺激并没有直接作用在细胞膜上，因此，实际要求的 刺激强度远大于这个值。阈值高低反应了组织兴奋能力，阙值低说明组织兴奋性 高，反之则说明组织兴奋性低。 基强度是在电刺激时，常将刺激时间在1 0 0 - - 3 0 0 m s 以上的阈值定为基强度。 阈值的高低与刺激作用的时间有关，刺激作用时间短，引起有效兴奋的阀值就要 升高，因此刺激效用具有时间累加效应，但在刺激时间与阙值变化的关系曲线上 发现，当刺激时间足够长时，阈值就停留在同一水平而不再受时间的影响，该刺 激的阈值强度也就是基强度。刺激所针对的目标不同，确定刺激强度的标准也就 不同，同时刺激的基强度也因人而异。对一个具体病例来说，当刺激强度低于某 个量值时，将不会引起病人反应或无法实现刺激效果。 利用时是指当用基强度刺激时，引起兴奋所需的最短有效时间。 任何刺激要引起组织兴奋，必须有一定的刺激强度、刺激持续时间( 利用时) 和刺激强度的变化率。三者互相影响，组成了可兴奋组织的强度一时间曲线关系。 引起组织兴奋所需的最小刺激强度( 阂值) 与刺激的持续时间呈反变关系，即当刺 激较强时，只需较短的刺激时间就可引起兴奋：当刺激强度较弱时，需较长的刺 激时间才能引起组织兴奋。但当刺激强度低于基强度时，无论刺激时间怎样延长， 也不能引起组织兴奋：同样，当刺激时间短于某值时，无论怎样加大刺激强度， 也不能引起组织兴奋。不同组织( 如神经与肌肉组织) 的基强度、最小刺激持续时 间( 脉冲宽度) 不同。 以上三个参数会因为刺激点的不同而不同，所以，个性化的电刺激输出要根 据刺激点差异确定输出量的大小“。 在研究、开发和应用更先进的电刺激仪系统方面，还有些重要的问题有待进 一步研究。( 1 ) 电刺激参数与肌肉收缩力( 位移) 的关系，通常称为募集曲线 ( r e c r u i t m e n tc u r v e ) 。这是人们长期以来一直在探索的一个问题。募集曲线通 常是非线性的，在刺激量程小时有一段“死区”，当刺激达到一定值( 闽值) 后， 随着刺激量的增加，肌肉收缩力增大，到一定程度后，又出现“饱和”状态。 由于募集曲线与肌肉的状态、病种、病情及疲劳状况均有很大关系，直接进行实 验有相当大的困难。目前除了进行动物实验外，还采用建立肌骨动力学模型的方 第二章理论基础及设计依据 法以求得出科学的结果，为发展更先进的功能电刺激系统服务”。( 2 ) 闭环控制 的f e s 系统，具有闭环控制的f f _ s 系统可实现对电刺激量的精确控制。使肌肉收缩 稳定，线性度变好和减少肌肉疲劳，用于反馈控制的信号有肌电信号、关节运动、 肌肉力或运动轨迹等。在国外由欧共体出资正在研究将三维实时运动分析系统用 f e s 的闭环控制，以确定截瘫患者的最优控制l i ”。在我国，也在研究角位移反馈、 肌肉电反馈、闭环控制 勺f e s 系统”。 目前对电刺激的指标选择上还没有统一的认识，但要通过电刺激使神经肌肉 组织产生兴奋就必须满足三个条件：1 、足够的刺激电压，迅速达到刺激电压是 电刺激诱发神经肌肉组织兴奋的基础；2 、足够的刺激时间( 脉宽) ，当刺激时 间较短时神经肌肉组织是无法产生兴奋的；3 、足够的刺激间隔，由于神经肌肉 组织兴奋后有不应期，在不应期内的刺激都无法使神经肌肉组织产生兴奋。 2 1 3 电刺激治疗机理 从生理学来说，我们已经知道，人体所有细胞都在某种程度上具有兴奋的能 力( 即被刺激的能力) ，由于神经细胞的兴奋阈值较低，兴奋过程容易对来自内 部或外部的刺激做出一种整体反应。细胞之所以能够兴奋是因为细胞膜内外有电 位差，而且一般来说，细胞内电位低于细胞外电位。 在静息情况下，神经细胞的电位差值约为一 7 0 m y ，肌肉细胞约为一9 0 m v 。这种静息电位 ( r e s t i n gp o t e n t i a l ) 是由于细胞膜的电荷量梯度形 成。造成这种电荷量梯度的根本原因是细胞膜对 钠离子、钾离子和氯离子的不同通透性。当细胞 膜受到一定强度电、化学、机械、热等形式刺激 后，对不同离子的通透性发生改变，离子重新分 布直至复原，即细胞膜受刺激后在原有的静息电 时间( m ，) 图2 一l 动作电位示意图 位基础上发生了细胞膜两侧电位的快速倒转和复原，这一现象被称之为动作电位 ( a c t i o np o t e m i a l ) 。当动作电位产生后，己兴奋的细胞膜部分通过局部电流“刺激” 未兴奋的细胞膜部分，使之出现动作电位；这样的过程在细胞膜表面连续进行下 去，就表现为兴奋在整个细胞的传导。人体和各器官表现的电现象，均是以此生 物电现象为基础i 卅。电刺激正是通过对神经细胞或肌肉细胞的刺激，使之爆发 动作电位，从而将外部刺激信号传递给相应的组织，实现肌肉收缩、感觉等具体 宏观效应。 电刺激对神经再生的影响早已被国内外学者所注意和认识。在2 0 世纪6 0 年 代，国外有些学者发现“，采用电刺激方法治疗偏瘫、颅脑损伤引起的足下垂 第二章理论基础及设计依据 甚为有效，神经刺激停止后，患者感到足背屈比较容易并可持续一段时间。由于 电刺激对神经有易化作用，肌肉的本体感觉和皮肤等感觉冲动输入中枢，使中枢 兴奋性提高，从而促进肌肉收缩。以后，国外学者证实神经电刺激对一重度痉挛 的组织甚为有效，特别是对挛缩的膝关节效果较好，可增加关节活动度。 最近，国外学者通过核磁共振脑功能成像研究表明，外围电刺激能够直接激 活大脑皮质j 。但是具体的机理还没有最后定论，在众多实验和研究的结果下， 考虑电刺激治疗促进偏瘫患者运动功能恢复的可能机理为：直接锻炼肌肉，增强 肌力，增加关节运动，防止肌肉痉挛；激活本体感受器及皮肤感觉的输入，恢复 和建立脑功能重组的反馈通路，达到大脑可塑性在时问序列上与肢体随意运动的 同步，促进神经运动反射回路形成新的联系；通过电刺激，造成全身血液循环加 快，影响脑血液供应，增加脑内侧支循环建立。调解神经递质的表达，促使神经 营养因子和星形细胞增生。从而促进轴突出芽和突触形成，增强神经修复。 2 2 人体组织的影响及其模型分析 任何使用表皮电极的电刺激，都必须要经过高电阻率的皮肤和肌肉而达到刺 激深层组织的目的。尤其对于以治疗为目的的电刺激来说，治病的同时如何使病 人易于接受、感觉舒适、无痛感也是很重要的一个方面。这就要求在系统硬件部 分设计时尽可能的了解刺激点处的组织特性以及刺激过程中电流密度在组织内 的分布，同时神经肌肉组织的电特性也会影响仪器的工作状态。作为低频脉冲电 刺激的一种，本系统硬件部分同样遵守一般电刺激的法则。 皮肤作为直接和电极接触部位，是仪器输出和人体组织的接口，并且皮肤组 织在刺激回路中对电阻的贡献较大。电极下的皮肤性质存在的差异很可能会导致 电极下电流密度产生很大差异，这既有来自电极电流密度不均匀的原因，也有因 为电极下皮肤和肌肉结构差异以及其特性产生的影响。本节简单介绍了皮肤和肌 肉的组织结构，然后介绍了几种刺激点阻抗模型。 2 2 1 皮肤和肌肉的组织结构 皮肤被覆于人体外表，成为人体内外环境的严密屏障，具有重要的保护作用， 平均厚度l 4 m m j 。皮肤内有丰富的神经末梢，能接受外界冷、热、痛、触、 压等各种刺激。皮肤由表皮和真皮构成，皮下由皮下组织与深部组织相连。 表皮位于皮肤的表层，由角化的复层扁平上皮构成。表皮由两类细胞构成， 一类为角质形成细胞，另一类为非角质形成细胞。表皮的角质形成细胞由深层到 表面可以分为基底层、棘层、颗粒层、透明层及角质层。真皮位于表皮下面，由 9 第二章理论基础及设计依据 致密结缔组织构成。可分为乳头层和网状层此层较薄，纤维较细密，向表皮突出 成乳头状隆起。乳头内含丰富的毛细血管和神经末梢；网状层与乳头层没有明显 的界限。真皮内含有丰富的血管、淋巴管和神经，以及汗腺、皮脂腺和毛囊等。 皮下组织为疏松结缔组织，含有大量的脂肪组织。表皮层作为人体的第一道屏障， 具有很高的电阻率，但也存在诸如皮脂腺开口、汗腺开口等低阻点。从皮肤的解 剖结构可见，刺激电流必须首先穿过表皮层才会作用到肌肉组织，经过肌肉组织 返回刺激电极。因此作为电刺激，刺激作用深度也是刺激实现的指标之一。 从解剖学角度来说1 2 4 j ，不同肌肉组织在结构和功能上虽有差异，但收缩机 制基本相同。骨骼肌纤维的长度缩短或主动张力增加，称为肌肉收缩。肌肉的活 动都是以收缩形式完成的。为适应功能上的需要，肌细胞在结构上有其相应的分 化。肌细胞外形纤长，内部纵向并列着许多肌原纤维。肌原纤维由许多肌节串联 而成。肌节是肌肉收缩的基本单位。 肌节由粗、细肌丝组成。粗肌丝主要由肌凝蛋白构成。细肌丝则由肌纤蛋白， 原肌凝蛋白和肌钙蛋白组成。横桥在肌肉收缩中起着关键的作用，它具有a t p 酶的性质，并有两个结合位点，一个与a t p 的结合位点，另一个与细肌丝上肌纤 蛋白的结合位点。细肌丝中肌纤蛋白上排列着许多与横桥结合的位点。在肌肉舒 张时，原肌凝蛋白的位置正好在肌纤蛋自与横桥之间，掩盖了肌纤蛋白上与横桥 结合点，阻止横桥与肌凝蛋白的结合。当肌细胞兴奋而使胞浆内c a ”增加时，c 矿 便与细丝上的肌钙蛋白结合，使其构型发生变化，从而牵拉原肌凝蛋白滚动移位， 将其掩盖的结合位点暴露出来。横桥立即与肌纤蛋白结合形成肌纤凝蛋白，同时 横桥上的a t p 酶获得活性，加速a t p 分解释放能量，使横桥发生扭动，牵拉细 肌丝向粗肌丝内滑行，肌节缩短，出现肌肉收缩。当胞浆内c a 2 + 浓度下降时，肌 钙蛋白与c a 2 + 脱离，恢复静息构型，原肌凝蛋白又回到原位而把结合位点重又覆 盖起来，横桥不能接触细肌丝，便使肌肉进入舒张过程。 在整体内，骨骼肌的功能直接受神经系统控制。在电刺激时，一定强度的电 流刺激肌细胞产生动作电位，并将其迅速扩布到整个细胞膜，于是整个肌细胞便 进入兴奋收缩状态。肌细胞的兴奋并不等于细胞收缩，这中问还需要一个过程。 这个把肌细胞的电兴奋与肌细胞机械收缩衔接起来的中介过程，称为兴奋收缩耦 联。具体的耦联过程是：首先，细胞膜的动作电位可直接传遍与其相延续的横管 系统的细胞膜。横管的动作电位可在三联管结构处把兴奋信息传递给纵管终池， 使纵管膜对钙离子的通透性增大，贮存于池内的c a 2 + 便会顺其梯度扩散到胞浆 中，使胞浆c a 2 + 浓度升高，c a ”与肌钙蛋白结合，从而出现肌肉收缩。 在电刺激过程中，病人肌肉组织会出现不同的反映时期旧j ，所以治疗过程 中对刺激点的选取是很重要的，只有选取正确的刺激点位置，才能得到好的治疗 l o 第二章理论基础及设计依据 效果。 1 ，肌肉的运动点是人体肌肉表面的某一点或神经解剖部位最接近皮肤的某 一点，旌加较弱的电流刺激就能引起较明显的肌肉收缩反应，这点称为肌肉的运 动点或神经的运动点。运动点的位置：浅层肌肉在支配该肌肉的神经进入肌肉处， 一般在肌腹的中央；深层肌肉，其运动点主要覆盖它的浅层肌肉下外露处。 2 、弛缓期一般选择的电刺激部位为神经干的出口处，有利于患侧肢体由弛 缓期进入痉挛期或分离运动期，常用的治疗部位：面神经出口处，乳突前和提口 角肌群，臂丛神经起始处，挠神经沟，上臂内侧，腹股沟股神经，胭窝上部偏外， 腓骨小头下腓总神经，及肌肉运动点等。 3 、痉挛期：主要表现上肢屈肌，大腿内收肌群，股四头肌，小腿三头肌。 应该刺激其拮抗肌，而不刺激痉挛肌。治疗部位：面神经乳突前，臂丛一挠神经， 挠神经一前臂伸肌，伸肌运动点，胭窝上部一排骨小头，臀中肌一臀大肌运动点， 伸肌的穴位等。 4 、分离运动期，根据病人恢复后残留的症状，采用电刺激治疗，如有伸肘 运动，无伸腕和伸指动作，可选择伸腕肌一伸指总肌刺激，或相应的肌肉运动点。 2 2 2 刺激点间组织等效电路模型 在电刺激过程中，两个刺激点问的皮下组织作为负载接入刺激输出回路，该 部分组织作为电路的一部分直接影响仪器的工作状态，同时仪器的刺激输出设定 也应该视组织情况而定。研究表明，接入刺激回路的组织表现出复数阻抗的性质， 其行为特征与刺激频率相关。刺激点间组织等效电路模型主要以皮下组织的r c 三元件等效电路模型“o j 、c o l e - c o l e 理论模型。 一、r c 三元件等效电路模型 人体细胞浸浴于导电的细胞外液之中，而细胞是由只能选择性通透某些离子 的细胞膜包裹着导电的细胞内液组成。细胞外液、细胞内液的电学性质接近于电 阻，而细胞膜则可等效于电容。因此，人体的等效电路应当是若干电阻、电容构 成的串并联网络。为此，人们提出了多种等效电路模型。应用最为广泛的三元件 等效简化电路模型1 如图3 一l 所示。 其中r e 是细胞外液电阻，c e 是细胞外液电容；r m 是细胞膜的电阻；c m 是细胞膜的并联电容；m 是细胞内液的电阻，c i 是细胞内液的并联电容。在低 频范围内( 低于1 m h z ) ，细胞膜的漏电阻r m 很大，可视为开路，而细胞外液 的并联电容c i ，c e 很小，也可视为开路，进一步简化为如图2 2 b 所示 第二章理论基础及设计依据 图2 2 阻抗三元件模型 z = 足+ 生l + j 墨w r 根据等效电路推导出电阻抗方程为： f = ( 置+ r ) c m 民= 也 氏= 器 公式( 2 1 ) 公式( 2 2 ) 公式( 2 3 ) 公式( 2 4 ) 从上面阻抗公式中清楚地看出两点间复数阻抗与频率的关系，进一步修正获 得c o l e c o l e 电阻抗特征方程。 二、r c 三元件扩展等效电路模型q 有研究人员在实际实验中所获得的数据显示，在频率约为几千赫兹时，人体 阻抗一频率曲线有峰值存在，在低于这个峰值频率的曲线呈上升趋势，越过这个 峰值阻抗才随频率的增大而下降。所以有学者提出了三元件模型的扩展模型，如 图2 2 所示。扩展模型在三元件模型的基础上加入了一个并联电感。电感所产生 的感抗随着频率的增大而增大，而容抗随着频率的增大而减小，则整个电路的等 效电阻随频率的变化才存在一个蜂值。 r o lr 口 公式( 2 7 ) ，斗z 一 船力= 孚叫而砑j 馘q