仿生机器人概论课程论文

1、神经电刺激的基本研究姓名： 望 金 山 班级： 机卓1101班 学号： 电话： Email： jswang 华中科技大学摘要电刺激是指将特定频率和形状的电流或电压施加于生物体兴奋组织后，所产生的各种生理反应。由于适度控制电刺激的强度，即使重复多次也不会造成组织损坏。因此，已广泛应用于医疗和生理学的研究中。神经电刺激对于周围神经损伤是一种行之有效的治疗方法，目前广泛运用于各种原因造成的周围神经损伤及疾病的治疗中，是现代康复医学不可或缺的一种治疗手段。对于程度较轻的神经损伤，神经电刺激与其他康复治疗手段相结合，对于缓解因神经受损而产生的麻木，乏力等症状有着很好的疗效。而针对臂丛神经损伤等严重的神经

2、损伤，神经电刺激治疗则在患者的术后康复中也有着显著的作用。研究表明，术后针对性的给予神经电刺激可以促进神经再生，加快神经生长，从而缩短恢复时间，使患者更好的恢复。神经电刺激已经广泛应用于疼痛、帕金森病、颅脑外伤昏迷促醒、癫痫及低氧后植物状态等。由于个人专业知识有限，所以只是结合当前现有的研究成果做出一些综述性的整理，以期对神经电刺激有一个大概的了解。关键词： 神经性电刺激 神经损伤 医疗1 概述周围神经分为脑神经、脊神经和自主神经，遍及全身皮肤，黏膜、肌肉等。周围神经可因为切割、牵拉、挤压等而损伤，使其功能减退或丧失，称为周围神经损伤。周围神经损伤后应用外科修复技术、药物治疗可以在一定程度上促

3、进神经再生，但是神经纤维再生速度和数量仍很不理想，肌肉也会发生萎缩。正是由于药物的局限性，神经肌肉电刺激的利用取得了不断的发展。Asensio-Pinilla等研究表明，神经损伤后早期给予神经肌肉电刺激，配合肌肉的运动练习，能够加快神经轴突生长，促进运动功能恢复。研究表明，电刺激虽然不能加速受损神经感觉的恢复，但是可以减缓神经性疼痛，促进运动神经的再生。用双相电流刺激受损神经，不但可以促进神经纤维运动功能的恢复，还可以激发感觉神经元内在的再生能力。由脊髓损伤和脑损伤造成的肢体截瘫，在医学上还没有治疗方法。但是，经过30多年的研究表明，功能性电刺激(Functional Electrical s

4、timulation, FES)能成功地恢复截瘫患者的部分运动功能，是康复工程中很有应用前景的新技术。自60年代美国医生Liberson首先利用电刺激排神经(peroneal nerve)，成功地矫正了偏瘫患者的足下垂的步态后川，FES在运动和感觉功能的恢复方面获得了成功的应用。最近，美国和以色列先后推出了能恢复截瘫患者部分上肢和下肢运动功能的FES系统，使四肢瘫痪者可以重新用手抓物、握笔、写字、吃饭、饮水、梳头，使下肢截瘫患者能重新站立、行走。2神经电刺激的原理2.1 阈值的强度时间关系FES的工作原理是神经细胞的电兴奋性。神经细胞的电兴奋性源于细胞膜对钠离子，钾离子和氯离子有不同的通透性，

5、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，导致膜电位产生突变，形成一个动作电位（action potential）。神经细胞的电活动可以利用Hodgkin-Huxley模型或者Frankenhaeuser-Huxley模型进行量化分析。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的动作电位。在阈值之下刺激时, 细胞膜可被视为一个如图1 所示的无源的电阻电容等效电路, 刺激电流是等效电路的外加电源。如果以代表细胞膜电位的阈值，那么达到阈值电位所需要的刺激电

6、流强度为: （1）其中是细胞膜的时间常数，和分别是细胞膜的跨膜电阻和电容。方程（1） 代表了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FES的一个基本关系。如图2 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（rheobase）。基强度 可以从方程（1）中令求得, 于是有，因此有， （2）刺激的电荷射入量也可被求得: （3）如图2所示 , 刺激时间越短, 电荷的射入量越小。最小电荷射入量可从方程（3）中令得出，这时所以， （4）阈值的强度一时间曲线的另一个特征参数是二倍于基强度的刺激时

7、间，称为时值（chronaxie）。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。根据以上分析, 可见在FES中使用窄电流刺激脉冲可以减少电荷的射入量。在后面我们将看到，减少电荷射入量对刺激器的设计，能源供给，以及避免组织损伤等都有很重要的意义。2.2 电刺激募集的顺序肌内电刺激是将电极植入刺激的目标肌肉内，导线经过皮肤，与体外的刺激器连接。这种电刺激又称为肌内电刺激（intramuscular stimulation）。它的特点是可以将电极植入到任意的目标肌肉，具有刺激稳定性好，重复性好，肌力调节的精细度高，植入时创伤小，使用安全的优点。因此，在目前的FES系统中得到广泛的应用

8、。特别是对于精细动作的控制,如手功能的重建,肌内电刺激更能显示出它的优越性。募集特性是指电刺激强度与被激活的肌纤维的数目之间的关系。在肌内电刺激中,这一关系又常用刺激脉宽与等长肌张力之间的关系来描述。通过实验测试发现,募集特性通常是一个具有“死区”和“饱和区”的非线性关系闭。死区与神经纤维的最小阈值有关,饱和区与电极的最大募集范围有关,而非线性的程度则与肌肉的几何形状和神经纤维在肌内的分布有关。募集特性是反映电刺激肌肉响应的一个重要的量化关系。3神经电刺激的方式目前常用的神经电刺激包括有脊髓电刺激、正中神经电刺激、迷走神经电刺激、深部脑电刺激、舌下神经电刺激、骶神经电刺激等。每种神经电刺激各具

9、特点，主要临床应用范围及相关机制有所不同。下面简要介绍其中几种。3.1 脊髓电刺激脊髓电刺激（spinal cord electrical stimulation，SCS）是指将脊髓刺激器电极安放于椎管的硬膜外腔后部，通过电流刺激脊髓后柱的传导束和后角感觉神经元，从而达到治疗疾病的一种方法。SCS主要应用于缓解脊柱手术后疼痛综合征（failed back surgery syndrome，FBSS）、复杂部位疼痛综合征（complex regional pain syndrome，CRPS）、缺血性疼痛、心绞痛、患肢痛、神经源性疼痛综合征等多种疼痛，此外，还可用于昏迷促醒、支气管痉挛、胃肠功能

10、运动、代谢紊乱等。Kumar 等用SCS 和传统内科治疗对比100 例神经性疼痛与根性疼痛的脊柱手术后疼痛综合征病例。结果显示：12个月后，48%的SCS 组和9%的传统内科治疗组的病例疼痛缓解至少在50%以上；24个月后，SCS 治疗后52 例病例中有42 例的根性疼痛缓解，健康生活指数，运动能力，治疗满意度都有显著意义。3.2正中神经电刺激正中神经电刺激（median nerve electrical stimulation，MNS）是将盘状电极置于双侧腕关节掌面近端10cm 正中神经点处的一种刺激方法，主要用于各种昏迷促醒的治疗。MNS 具有非创伤性、无并发症、易操作和费用低廉等优点而应

11、用广泛。1996 年日本学者Yokoyama首次报道MNS 治疗昏迷患者，MNS 不仅应用于持续植物状态患者的促觉醒，还可用于各种病因和持续的意识水平下降的促觉醒。此外，MNS 能够促进早期和中期阿尔茨海默病（Alzheimer's disease, AD）的认知功能恢复，提高短暂记忆的能力和语言表达的流利性。Kamei 等临床研究表明应用MNS 治疗70 余例昏迷病例后，44.3%病例意识水平有了改善，而对照组仅7.5%；也有报道称MNS 治疗后，昏迷患者格拉斯评分提高6.3分，其中治疗的16 例患者中，4例恢复至中度残疾，8例可执行简单的命令。3.3 迷走神经电刺激迷走神经电刺激（

12、the vagus nerve electrical stimulation，VNS）是神经外科手术将线圈放在左颈部内的迷走神经上，并且将刺激装置埋在胸前，再调整装置参数与模式，使刺激器自动刺激迷走神经达到治疗目的。VNS主要用于治疗癫痫，最近研究表明还可治疗肥胖病及减轻大鼠心肌缺血/再灌注损伤等。1988年，Penry等采用VNS 治疗4 例难治性复杂部分性癫痫发作的患者,其中2 例患者的癫痫发作得到完全控制,1例发作次数减少40%,1 例无效。随后，Uthman 等也对5 例难治性癫痫患者进行长期、间断性VNS 的临床观察,其中3 例发作次数减少50%以上,另外2 例发作次数无明显改变,但

13、发作持续时间和强度均有明显降低。之后,他们又观察了14例难治性癫痫患者,经1435个月的VNS治疗后,患者发作次数平均下降46.6%。4 神经电刺激的发展4. 1刺激方式的发展功能性电刺激的刺激方式目前主要有3 种：表面刺激式、经皮刺激式及全植入式。这3种刺激方式各有其优缺点。表面刺激式的优点避免了体内埋置电极的烦琐操作、需再次手术取出及针电极造成的创伤，具有方便、无痛和适应证广泛等特点，同时也无经皮刺激入式有上述缺点，但由于其良好的效果，患者耐受性好，多数学者还是偏向于使用全植入式。但是表面刺激式目前出现BIONs可注射微刺激器，克服了其缺点而有选择性控制的优点。4. 2刺激时间选择对于刺激

14、时间的选择，观点不一。Kerns 等(1991)认为直流电刺激只促进神经再生的早期过程。Zanakis(1990)研究表明: 一旦神经再生开始,去除电场后对神经再生无影响。Shen等动物实验表明: 20d后甚至60d电刺激对周围神经再生仍有促进作用,所有电生理、形态学及神经功能指标呈明显上升趋势。对于失神经肌肉的刺激, Bowden 等(1944)认为最佳刺激时间是失神经后立即开始刺激。同时Mokrusch等(1990)发现在失神经后28d开始刺激仍可使72%86% 的肌纤维有功能。Eberstein等认为失神经开始时间与刺激开始时间间隔越长，效果越差。Lundborg等(1988)研究表明:

15、失神经肌肉在1 年内重新获得神经支配,功能恢复良好；在1218个月重新获得神经支配,其功能恢复很差；如果失神经支配时间延迟至1824个月,肌肉将不可能再恢复其运动功能。因此在神经损伤后, 对神经和肌肉的功能性电刺激应同时且尽早进行。但最佳刺激时间仍需进一步探讨。4. 3刺激电流、强度和参数的选择对刺激电流的选择,大多学者的实验都是应用直流电。概括起来有以下几种: 恒定弱直流电、脉冲电流、电场与电磁场、驻极体和压电聚合物膜。对电流强度的选择, Sisken等(1993)认为: 低强度的电刺激与各种生长因子的作用相当。与Paterson 的观点是一致的,即基本的电刺激方法为恒定弱直流电刺激,当电流

16、强度为1. 5 mA 时最适用于刺激周围神经。徐建光等在术中用超强电刺激刺激损伤的神经,也获得较好的效果。然而Hanson等(1994)研究却表明低强度的直流电刺激会抑制损伤周围神经的再生。最佳刺激参数的选择是一直在探讨的问题,由于在不同组织结构、不同表面积及不同电极材料相关参数差异较大, 同时现有评价电流强度的标准不一，使得现有资料缺乏可比性。Eberstein等(1996)认为:刺激的效果不仅与刺激参数有关,而且和刺激模式有关,他认为刺激参数不但要包括刺激振幅、刺激持续时间、脉冲频率，还要包括两次刺激的间隔。5参考文献1 赵少珩,赵睿,张航,丛锐. 神经肌肉电刺激在周围神经损伤修复中的研究

17、进展J.医学综述,2014,20(14):2586-2588.2 周晓平.神经电刺激治疗神经精神疾病的应用进展J.中华神经外科疾病研究杂志,2009,8(3):193-197.3 郝斌, 周晓平.脑深部电刺激治疗帕金森病研究进展 J .中华医学杂志, 2008, 88(7):493-495.4 杨辉. 神经电刺激技术在癫痫治疗中的应用J.第三军医大学学报,2012, 34(22): 2235-2239.5 付王亮，冯珍齐. 神经电刺激的临床应用及机制研究进展J.中国康复医学杂志,2013,28(8):775-778.6 黄强，戴伟民.重型颅脑损伤昏迷患者持续右正中神经刺激促进复苏的临床研究J.

18、中国临床神经科学,2011,19(3):314316,320.7 Peri CV, Shaffrey ME, Farace E，etal. Pilot study of electrical stimulation on median nerve in comatose severe brain injured patients:3-month outcomeJ.Brain Inj,2001,15(10):903910.8 Jeon Y, Huh BK.Spinal Cord Stimulation for Chronic PainJ.Annals Academy of Medicine, 2009