神经肌肉刺激概述(DOC)

神经肌肉电刺激技术现状的研究探索神经肌肉电刺激技术现状的研究探索 摘要 摘要 本文通过查阅国内外相关文献 综述了近年来国内外有关神经肌肉刺激 技术的发展状况 文中对神经肌肉刺激的两种技术 TENS 和 FES 的原理及 应用做了详细的叙述 其中 TENS 主要用于镇痛 FES 主要用于康复治疗 同 时介绍了现今研究较热的 FES 的相关技术参数 最后通过对它们研究的现状的 总结和归纳 指出了神经肌肉刺激技术的不足之处 并提出了对该技术的前景 的展望 Abstract This paper reviewed the recent developments concerning the situation about neuromuscular stimulation technology at home and abroad through access to relevant literature At first the article introduced the principles and applications about the techniques of neuromuscular stimulation which contains TENS and FES And the TENS technology is mainly used for pain relief the FES is mainly used for rehabilitation Then introduced the parameters about FES technology which is popular now At last pointed out the lack of neuromuscular stimulation technology and made the prospects for technology through studied and summarized the state of the technology 1 引言 引言 神经肌肉电刺激 neuromuscular electrical stimulation NMES 是指利用低 频脉冲电流刺激神经或肌肉引起肌肉收缩 从而提高肌肉功能或治疗神经肌肉 疾患的一种治疗技术 它常常应用于由于中风和脊髓损伤 SCI 等引起的瘫痪 和肌无力的康复治疗以及各种的疼痛的缓解治疗中 现今不少国内外学者致力 于各种治疗设备 方法的研究工作中 以期望能达到修复患者日常生活中的正 常运动和功能中 现在广泛应用的刺激方法有经皮电神经刺激 transcutaneous electrical nerve stimulation TENS 和功能性电刺激 functional electrical stimulation FES 本文就是从这两个方面介绍神经肌肉电刺激技术的 2 经皮电神经刺激 经皮电神经刺激 TENS 2 1 TENS 镇痛机制镇痛机制 TENS 是一种外周刺激 即将电极贴于皮肤表面作为一种医疗手段用于疼 痛及康复治疗 其作用机制目前公认有两种学说 一是 Melzack 和 Wall 提出的 闸门控制学说 在脊髓背角内的胶质 SG 细胞有一种类似闸门的神经机制 它 能减弱或增强来自外周上传到中枢的神经冲动 TENS 可引起粗纤维的兴奋 激活 SG 细胞 从而抑制同节段细纤维传入的伤害感受信号对脊髓背角投射神 经元 T 细胞 的兴奋作用 二是 TENS 可使中枢释放多种镇痛物质 其中以内源 性阿片肽最为重要 韩济生研究证实 低频 2Hz 电刺激可使中枢释放内啡肽和 脑啡肽 而高频 100Hz 刺激则引起强啡肽释放增加 当 2Hz 和 100Hz 交替刺 激时 三种阿片肽同时释放 从而引起全身性的镇痛作用 此外 5 羟色胺 去甲肾上腺素等多种神经递质 也参与了 TENS 的镇痛作用 深入的研究表明 外周刺激可导致相应神经递质的基因表达增强 罗非对单发佐剂关节炎模型大 鼠行反复电针治疗后发现关节炎大鼠脊髓中脑啡肽 胆囊收缩素和 P 物质的自 发释放均有显著变化 如 P 物质自发释放的增高延迟 脑啡肽释放的增高提前 出现 以及胆囊收缩素自发释放的减少恢复正常 而这些变化均可缓解关节炎 性疼痛 2 2 临床应用临床应用 1 治疗慢性疼痛 Gadsby 和 Flowerdew 对 28 个慢性背痛采用 TENS ALTENS 治疗进行系 统评价 选择了其中 6 个实验共 288 例研究为对象 其中四个实验的 118 例患 者采用了 TENS 治疗 两个实验的 30 例患者采用 ALTENS 其它 140 例患者采 用安慰性治疗作为对照组 Meta 分析结果显示实验组慢性背痛的患者疼痛明显 缓解 活动限度明显改善 且 TENS 治疗慢性背痛的有效性是安慰治疗组的 1 6 倍 2 术中疼痛的缓解 Toyota 等选择 45 例 ASA1 2 级 将微创喉内窥镜手术的患者随机分为三 组 对照组 全麻 n 15 芬太尼组 全麻 芬太尼 n 15 TENS 组 全麻 TENS n 15 所有患者予硫喷妥钠 4mg kg 和维库溴胺 0 1mg kg 诱导后气 管插管 对照组予异氟醚 1 1 5 笑气 66 和氧气 33 维持麻醉 其余两组 与对照组不同的是 芬太尼组麻醉诱导时加用芬太尼 2ug kg TENS 组麻醉诱 导时加用 TENS 直至手术结束 结果发现 TENS 组与对照组相比 HR DAP 和 MAP 的升高被显著抑制 而且 TENS 组和芬太尼组的尼卡地平用量明显少 于对照组 因此 Toyota 等认为在微创喉内窥镜手术时 TENS 的效果可以等同于 芬太尼 3 缓解内脏疼痛 Chauhan 等分别观察 34 例 X 综合症的患者 第一组 15 例冠状动脉疾病的 患者 第二组 16 例心脏移植的患者 第三组 通过 Judkins 多普勒观察静息状 态下和 TENS 刺激 5 分钟后左侧冠脉系统的冠脉血流率 CBFV 结果发现 TENS 治疗可增加胸前区疼痛患者 第一组合第二组 的冠脉血流速率 但是对心 脏移植患者没有影响 TENS 对三组患者体循环的血流动力学均无影响 所以 他们认为 TENS 治疗后可产生局部舒血管物质或直接降低交感活性使血管扩张 冠脉血流增加 而前人研究也显示 TENS 治疗可以缓解心绞痛患者的疼痛 改 善心肌乳酸代谢 改善 ST 段的降低 降低平均动脉压和全身的血管阻力 在 远期研究中 TENS 治疗组患者运动耐力增加 心绞痛发作频率下降 硝酸还 原酶的消耗降低 4 对周围神经损伤后再生的影响 多年来 国内 外学者根据不同类型的电刺激 多种病理模型以及多种检 测手段得出的大量实验结果证实 远端负极电流有促进神经再生的作用 神经 生长因子 nerve growth factor NGF 及受体等物质在电场中被极化后 向阴极移 动 特别是 NGF 由于其本身带有较强的正电荷 这些物质在阴极的聚集刺激 了神经纤维的生长 还有学者认为电流促进了雪旺氏细胞的增殖与迁移 从而 诱导神经纤维的生长 由于神经系统生理上的复杂性 再生状况易受局部微环 境的影响 故电刺激对神经再生的作用也是多因素的 且诸多因素间相互影响 除上述的神经趋化假说外 电刺激的促进作用还有下述几方面 增加损伤处的 血液灌注 改善轴浆流动 减少 Ca2 内流并降低其影响 提高再生轴突通过瘢 痕组织的能力 促进雪旺细胞增殖及髓鞘再形成等 5 其他作用 Kaplan 对 104 名孕妇分娩过程使用 TENS 研究表明 TENS 能较好的缓解 疼痛 同时对母体和新生儿均无不良影响 Soomro 发现 TENS 可以作为老年患 者逼尿肌紊乱的治疗 尤其适用于无法口服奥昔布宁的患者 由上述可知 TENS 不仅有明显的镇痛效果 且可以改善局部组织微循环 促进神经再生作用 是一种无创 无痛苦 使用方便 适应证广泛 不受人群 限制甚至可以用于儿科患者及精神或智力障碍患者的非药物镇痛方法 有较大 的研究价值 3 功能性电刺激功能性电刺激 FES 3 1 FES 作用原理作用原理 FES 是利用一定强度的低频脉冲电流 100Hz 以下 多为 20 50Hz 通过预 先设定的程序来刺激一组或多组肌肉 从而诱发肌肉运动或模拟正常的肌肉自 主运动 以达到改善或恢复被刺激肌肉或肌群功能的目的 FES 要求在治疗的 肢体解剖上具有完整的神经传导通路 即是由于中枢神经系统 脑和脊髓 损伤 引起的肌肉功能障碍 而对于不具有完整的神经传导通路的周围神经损伤引起 的肌肉无力 FES 难以发挥作用 当 FES 工作时 电流在兴奋运动神经元控制 肌肉收缩的同时 传入冲动通过 Ia 纤维调节协同肌和抑制拮抗的活动 由此调 整屈肌和伸肌群之间的肌张力平衡 保持并提高关节的活动范围 促进肢体的 功能恢复 这种按预先编定程序的人工运动模式 将信息无数次重复地向中枢 传入 在中枢留下持久的记忆 使中枢神经发生可塑性的变化 是一种使用依 赖性可塑性 use dependent plasticity 也是 FES 对肢体的运动 随意运动的控制 和改善的神经生理基础 3 2 应用现状应用现状 功能性电刺激 functional electrical stimulation FES 作为一种治疗方法 已 广泛应用于康复治疗领域中 近年来 越来越多的研究已开始关注 FES 在改善 患者运动功能方面的作用 特别是脑卒中后和脊髓损伤后患者的肢体运动功能 恢复和重建 下面将对 FES 技术的应用范围进行粗浅的分类 1 下肢康复治疗中的应用 Granat 等利用单极电刺激 19 名偏瘫患者产生足背屈动作 治疗周期为 2 部 分 第 1 期为 11 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 Barhtel 指数评 定动作得分 都显示出 FES 有明显的疗效 Burridge 等人总结了前人的经验 同样利用单组电极刺激排神经 以诱发偏瘫患者在步行中的足背屈动作 32 名 偏瘫患者随机分为治疗组与对照组 经 13 周治疗后 治疗组患者的步行速度有 所提高 张定国等人通过对步态分析的研究 基于表面积电信号研制出基于中 枢模式发生器的下肢功能性电刺激系统 该系统通过模拟 CPG 网络来控制 FES 刺激下肢运动 实验搭建了 FES 下肢步行实验平台 开展了正常受试者参与的 电刺激实验 对所设计的 FES 控制系统进行了验证与评估 结果显示能够实 现下肢瘫痪患者的步态运动 Dirk G Everaert 等人通过对比足下垂功能性电刺 激器和矫形器对足下垂患者的治疗和康复作用 他们通过选取中风不久 12 月内 的 93 名受试者分成 3 组进行对比研究 每组观察 12 周 第一组 38 名受试者 前 六周使用功能性电刺激器 WA WalkAide 后六周使用足下垂矫正仪 AFO ankle foot orthosis 第二组 31 名受试者 AFO WA 第三组 24 名受试者 AFO AFO 结果表明功能性电刺激器和矫正仪都有较好的矫正效果 但刺激器的治 疗效果更加明显 2 上肢康复治疗中的应用 由于上肢所完成的动作远比下肢精细而复杂 实现 FES 难度较大 因此发 展远不如助行器 Gracanin 等设计过一种系统 将刺激电极安放在前臂屈指深 浅肌 伸指和伸拇肌部位 由于大部分脊髓损伤患者仍能随意控制肩部运动 因此将控制刺激输出的控制器安装在患者肩部 抬肩使屈指肌受到刺激 降肩 使伸指肌受到刺激 而肩部动作的幅度则决定刺激的强弱 经试用 5 例 据报 告可伸展手掌 把握物体 甚至可完成进食 喝水等动作 Popovic 等对脑卒中 患者采用 FES 治疗 FES 的参数为频率 50Hz 脉宽 300us 电流强度 15 45mA 治疗 30 分钟 次 1 次 天 3 周后发现患者手腕及手指的功能明显改 善 Lourencao 等对 19 位脑卒中患者给予 20 分钟 次 1 次 天 共 6 个月的 FES 治疗 结果发现患者上肢功能较前明显改善 与对照组相比 差异有显著 性意义 奥地利 Graz 大学开展了用 EEG 控制 FES 神经假体系统的尝试性研究 在最新报道中公布了利用上肢想象动作电位的模式提取 进行四肢瘫痪患者上 肢运动功能恢复的阶段性成果 Haugland 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 法国 LIRMM 实验室的 Poignet 教授团队提出了基于 FES 技术控制关节刚度来抑制颤 抖的方法 他们设计了一套使用 FES 控制关节对抗肌从而增强关节刚度的颤抖 抑制系统 该系统目前可以实时预测颤抖特性 同时把颤抖运动与自主运动分 离出来 3 助呼吸仪 利用刺激隔神经维持呼吸大概算得 FES 临床应用的最早尝试 早前 Glenn 等研制的植人电极 无线联系的隔神经刺激系统 铂丝电极缠在颈段或胸段隔 神经干上 植人皮下的接收器收到体外发射器发来的无线电信号后进行积分 变成刺激脉冲 刺激隔神经引起吸气 刺激停止则自然呼气 节律可调 试用 40 例 其中 32 例平均使用 2 年 10 个月 效果良好 4 尿失禁治疗仪 功能性电刺激的治疗作用主要体现在重建脏器的功能上 近年来 功能性 电刺激在治疗尿失禁和盆底器官脱垂时应用比较广泛 但机制尚不完全明了 对尿失禁的治疗可能从两方面发挥作用 一是刺激尿道外括约肌收缩 通过神 经回路进一步增强尿道括约肌收缩 加强控尿能力 二是刺激神经和肌肉 通 过形成冲动 兴奋交感通路并抑制副交感通路 抑制膀胱收缩和降低膀胱收缩 能力 国内外文献报道 采用电刺激治疗女性尿失禁的有效率在 60 80 之间 5 其他应用 另外该技术还应用与其他地方 例如用于脑卒中后吞咽障碍患者的治疗 脊弯曲的治疗等应用 且经过验证 该方法有一定疗效 功能性电刺激 FES 技术的概念于 1961 年被正式提出以后 在全世界范围 内引起了广泛关注 尤其是最近几年来 随着科学技术的迅猛发展 该项技术 已被广泛应用在各个领域 最近也是生物医学工程领域研究的比较火热的一个 方向 国内外的多支科研队伍对 FES 本身及其相关的理论也一直在不断地进行 拓展和完善 这其中就包括了电极使用方式和构造 刺激方式 刺激波形等参 数的研究 下面本文就功能性电刺激的技术参数作相应叙述 3 3 功能性电刺激的技术参数功能性电刺激的技术参数 功能性电剌激在实际应用中要根据应用目的 患者病情 耐受度以及病程 长短等因素不断调整刺激参数 包括刺激方式 刺激波形 刺激强度 刺激频 率 刺激包络等 1 刺激方式 根据功能性电刺激电路输出信号的不同 可将功能性电刺激方式分为两种 电压刺激和电流刺激 电压刺激的幅度一般为 100V 至 200V 之间 一般选择 100V 或者 150V 电流刺激的幅度一般为 20rnA 至 100mA 可根据需要进行调 整 电压刺激与电流刺激各有优劣 电压刺激的优点是可控性好 实现电路简 单 电流刺激强度一致性好 但实现复杂 2 刺激波形 刺激波形有单向和双向之分 单向刺激波形是指刺激的电流或者电压只有 一个极性 永远大于 0 或者小于 0 双向剌激波形是指剌激的电流或电压有两 个极性 在大于 0 的刺激相结束后 紧跟着一个小于 0 的刺激相 或者相反 单 向刺激和双向剌激各有利弊 单向剌激的电路实现简单 可控性好 电路稳定 性好 故障率低 但有文献报道单向刺激可能会造成电荷在组织中的积累效应 容易导致疲劳 双向剌激电路实现复杂 稳定性较差 但其优点是无电荷累积效 应 肌肉不易疲劳 本文所述方法采用实现起来更为简单的单向波形 3 刺激强度 功能性电刺激的强度是指刺激波形对时间的积分 其中 PW 表示脉冲的宽 度 Pulse Width PA 表示脉冲的幅度 Pulse Amplitude 通过不断改变这两个参 数的值就可以实现对功能性电刺激强度的实时调整 理论上讲 无论如何调整 只要脉冲的面积相等 即视为刺激强度相等 但在实际应用中 脉冲的幅度 PA 需要大于一定的阈值才能够对目标肌肉形成有效的刺激进而导致收缩 这 个阈值视不同的被试以及不同的肌肉而不同 因此不宜作为调整参数 但当脉 冲幅度大于阈值的前提下 两者的调整对诱发肌肉收缩的效果是一致的 调整 脉冲幅度的方法实现电路复杂 调整时间长 实时性差 调整脉冲宽度的方法 实现电路简单 利用脉宽调制 Pulse width modulation PWM 原理即可进行精确 实时有效的调整 4 刺激频率 刺激频率是指单位时间内出现的电剌激脉冲个数 例如 电刺激频率为 40Hz 是指 1 秒钟产生 40 个脉冲波形 由于需要考虑到刺激肌肉的疲劳特性 刺激频率会有一定上限 否则肌肉容易疲劳 效果不好 5 刺激包络线 刺激包络或刺激包络线 Envelope 是指功能性电刺激强度随时问变化的曲线 注意此概念要与刺激波形区分开 其中强度是波幅和脉宽的乘积 一般我们采 用定幅值刺激 通过改变脉宽来调节刺激强度 由此可见 脉冲宽度越宽 则 刺激强度越大 脉冲宽度越窄 则刺激强度越小 4 总结和展望总结和展望 本文对神经肌肉刺激 NMS 的两个方面 经皮电神经刺激 TENS 和功能性 电刺激 FES 展开综述 介绍了他们各自的作用机制和现如今的研究现状 从中 我们发现经皮电神经刺激技术现今主要用于各种疼痛抑制治疗 同时也有学者 发现该技术也可改善局部组织微循环 促进神经再生的作用 功能性电刺激技 术应用范围相对比较广 特别是在提高肢体功能障碍患者 脑卒中患者和脊髓损 伤患者 肢体活动能力方面作为一种常用手段 除此之外 近年来 FES 技术还 被广泛的应用在泌尿辅助系统 呼吸辅助功能的应用中 由此可以看出 神经 肌肉刺激广大的研究价值和发展前景 特别是在康复治疗这一领域有着举足轻 重的地位 当然也存在着诸多需要进一步加强的地方 比如电极材料的选取 电刺激参数的最佳搭配 功能性刺激仪的微型化和可植入式等需要我们去进一 步完善 总之 神经肌肉电刺激技术作为医疗康复领域中年轻而富有朝气的一 个重要研究方向 需要广大科研工作者往里面投入更多的精力和时间 其成果 也必将是巨大的 参考文献参考文献 1 Barbara M Doucet Amy Lam Lisa Griffin Neuromuscular electrical stimulation for skeletal muscle function J American US National Library of Medicine 2012 2 Dirk G Everaert Richard B Stein etal Effect of a Foot Drop Stimulator and Ankle Foot Orthosis on Walking Performance After Stroke A Multicenter Randomized Controlled Trial J 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