磁刺激治療綜述

磁刺激治療綜述1生物組織磁刺激研究的發(fā)生發(fā)展磁刺激(magnetic)或非電極電刺激(electrodelesselectricalstimulation)外周神經(jīng)技術(shù)首先由Kolin于1945年從青蛙的肌肉神經(jīng)標(biāo)本得到證明［1］，他展示了用帶磁的磁極片包裹坐骨神經(jīng)會(huì)使其產(chǎn)生搏動(dòng)，并在肌肉處可記錄出收縮。1956年Bickford和Fremming［2］在混合神經(jīng)上獲得了類似的興奮現(xiàn)象，從而將這種模式發(fā)展到人體得到了證明。遺憾的是這種儀器非常笨重，因而并沒有迅速地在臨床被推廣使用。然而 Barker等對神經(jīng)磁刺激器(magneticneuronalstimulator)進(jìn)行現(xiàn)代電子改造設(shè)計(jì)后，對大腦皮層神經(jīng)中樞進(jìn)行了有效刺激［3］，1987年Amassian等［4］、1990年Cohen等［5］分別用實(shí)驗(yàn)證明了不同方向放置的磁刺激線圈對大腦皮層的作用引起不同手指活動(dòng)。1990年Ueno等［6］設(shè)計(jì)了“8”字形線圈，在實(shí)驗(yàn)室條件下實(shí)現(xiàn)75mm空間分辨率的局部大腦皮層磁刺激［7］。近10年來，對腦神經(jīng)的磁刺激研究及其作用作了大量報(bào)道，成為一個(gè)研究熱點(diǎn)［8、9］。磁刺激技術(shù)將為人類實(shí)現(xiàn)對某些腦生理活動(dòng)的人為調(diào)控，探索腦疾病的診斷、治療方法提供新的手段［10］。在臨床上，磁刺激可應(yīng)用于研究大腦皮層神經(jīng)分布、檢測多發(fā)性硬化病患者的中樞神經(jīng)傳導(dǎo)延遲以及退化性運(yùn)動(dòng)失調(diào)，也可用來檢測外周神經(jīng)傳導(dǎo)速度，監(jiān)測中樞神經(jīng)系統(tǒng)機(jī)能狀態(tài)。2磁刺激的物理原理人體可興奮細(xì)胞可以在外界用時(shí)變（time-varying）的電磁場以無創(chuàng)的方式加以刺激［11］。這種刺激可用直接驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)入組織，對組織直接刺激（電刺激）或用電磁誘發(fā)的方式（磁刺激）實(shí)施?？慨a(chǎn)生一個(gè)可控制的，即磁通量可以迅速增加的磁場，在所經(jīng)過的組織誘發(fā)一個(gè)電場。如果強(qiáng)度和延遲可調(diào)，誘發(fā)的電場會(huì)引起生物電流在組織中均衡地傳導(dǎo)，而這傳導(dǎo)會(huì)使得神經(jīng)纖維、神經(jīng)元和肌肉去極化，這包括誘發(fā)刺激和磁刺激。誘發(fā)的電流不需流過神經(jīng)的疼痛受體，所以不舒服的感覺是很小的甚至沒有感覺。誘發(fā)的場進(jìn)入組織中并不衰減，對4?5厘米深的組織進(jìn)行刺激是有可能的。磁電刺激是無創(chuàng)性的。這是由于生物組織磁導(dǎo)率基本均勻，磁場容易透過皮膚和顱骨而達(dá)到腦內(nèi)深層組織，因而磁刺激技術(shù)可無創(chuàng)性應(yīng)用于腦神經(jīng)刺激以及深部神經(jīng)組織中；頭皮和顱骨電阻率很大（顱骨比頭皮還大80倍［12］），而感生電流與組織電阻率成反比，所以磁刺激腦部神經(jīng)時(shí)只有微小電流通過頭皮和顱骨，基本無不適感；磁刺激線圈不與身體有任何接觸，不需要對皮膚進(jìn)行任何預(yù)處理就可以直接刺激受損傷部位和暴露部位，不會(huì)或只會(huì)引起輕微疼痛；機(jī)體與外界無電聯(lián)系，因而安全性好。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，一個(gè)隨時(shí)間變化的均勻磁場B在它所通過的空間內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電場E,而與該空間的電導(dǎo)率無關(guān)。在該空間中沿任意閉合圓周（設(shè)圓周半徑為r）上的感應(yīng)電勢e為［13］：其中，S是圓周面積，則電場強(qiáng)度E為圓周上總電勢除以圓周周長：是磁場變化率，r是圓周半徑，為矢量。如果該圓周上有導(dǎo)電的介質(zhì)，便會(huì)形成感生電流（渦電流），假設(shè)圓周上具有均勻?qū)щ姷纳锝M織，則生物組織內(nèi)產(chǎn)生的感生電流可表示為：。是生物組織電導(dǎo)率。當(dāng)感生電流值超過神經(jīng)組織興奮閾值時(shí)，便會(huì)象電刺激一樣達(dá)到刺激相應(yīng)部位神經(jīng)組織的效果。3磁刺激的物理特性圓形線圈與刺激強(qiáng)度分布】40］。進(jìn)行腦神經(jīng)刺激研究，應(yīng)首先研究線圈放電時(shí)，線圈耦合人腦內(nèi)的時(shí)變磁場及相應(yīng)的感應(yīng)電場的分布特性，及其與磁刺激線圈、磁刺激器的電參數(shù)的關(guān)系，這樣才能有針對性地設(shè)計(jì)線圈及進(jìn)行刺激，使之有選擇性地在被刺激部位產(chǎn)生適當(dāng)?shù)母袘?yīng)電場，引起腦神經(jīng)興奮?？臻g任何一點(diǎn)的感應(yīng)電場是沿著勵(lì)磁線圈回路各電流元在該點(diǎn)產(chǎn)生感應(yīng)電場迭加的結(jié)果，因此空間感應(yīng)電場的分布與線圈形狀以及相對該點(diǎn)位置有關(guān)。不同結(jié)構(gòu)、在空間不同位置的線圈產(chǎn)生不同磁場，進(jìn)而形成不同的空間感應(yīng)電場分布。進(jìn)行腦部神經(jīng)刺激時(shí)，應(yīng)使被刺激點(diǎn)產(chǎn)生超過神經(jīng)組織興奮閾值的電場強(qiáng)度，而非靶組織位置的感應(yīng)電場盡量少，以減小其他神經(jīng)受刺激的可能。設(shè)計(jì)線圈的目標(biāo)是使感應(yīng)電場聚焦性好，提高磁刺激神經(jīng)的選擇性。空間磁場分布在對應(yīng)線圈邊緣與中心之間區(qū)域幅值最大，邊緣外反向；感應(yīng)電場分布在對應(yīng)線圈邊緣幅值最大；在緊貼線圈的表面處感生電流分布隨線圈形狀，由于磁力線相互抵消的結(jié)果，隨著與線圈距離增大感生電流分布趨向于圓形線圈的分布［13］。圓形線圈的優(yōu)勢在于易制造，方便身體多部位使用，并且在線圈平均直徑圓周的切線方向具有最大的感生電流幅值，位于線圈平均直徑圓周的切線方向的神經(jīng)容易被刺激。但是圓形線圈刺激范圍大，進(jìn)行刺激時(shí)會(huì)造成大面積非靶組織受刺激而興奮。減小線圈尺寸能提高聚焦性。線圈的作用深度。感應(yīng)電場值在線圈表面處的磁刺激線圈，離線圈的垂直距離越大，感應(yīng)電場值衰減越多。使用半徑50mm的圓形線圈，放電電流變化率為100A/us時(shí)，在頭皮表面以下感生電場的幅值隨深度變化表明，頭皮表面處感生電場幅值為104V/m，10mm處下降了38%，感生電場幅值為65V/m。磁刺激線圈的作用深度與線圈半徑密切相關(guān),Barker等［13］人認(rèn)為由于空間某點(diǎn)感應(yīng)電場值是線圈回路各電流元在該點(diǎn)產(chǎn)生感應(yīng)電場值迭加的結(jié)果，所以在相同激勵(lì)電流、相同距離下，感應(yīng)電場與線圈的電流元積分路徑（周長）基本成正比，因而直徑大的線圈作用深度深，直徑小的線圈作用域淺。另外，放電電流流過線圈產(chǎn)生的磁場隨距離增大而更加發(fā)散，線圈的感應(yīng)電場分布曲線隨距離增大過零點(diǎn)加寬，聚焦能力降低，并且感應(yīng)電場負(fù)峰值增高，負(fù)峰引起副作用刺激幾率增大。磁場產(chǎn)生的感應(yīng)電場穿透頭部組織時(shí)的衰減相比由表面電極進(jìn)行電刺激產(chǎn)生的電場值相同的情況下，40mm深處磁感應(yīng)電場值比表面電刺激產(chǎn)生電場值大10倍［14］,因而磁刺激不僅能刺激淺表神經(jīng)，更可以用于腦部神經(jīng)、中樞神經(jīng)和較深部位的外周神經(jīng)的刺激。線圈放置方向。在對神經(jīng)組織進(jìn)行磁刺激時(shí)，線圈的放置要考慮受刺激神經(jīng)的走向，受刺激位置并不等于神經(jīng)興奮的位置［15］。Barker在1987年曾經(jīng)提出磁刺激位置發(fā)生在感應(yīng)電場最大值處，但是Roth、Basser等在1990年隨之提出長軸神經(jīng)的興奮位置發(fā)生在沿神經(jīng)軸向電場梯度最大值處［16］。目前腦神經(jīng)刺激興奮位置還沒有確切答案［41］。刺激的位置一般約為一個(gè)與線圈平行的圓圈范圍，而實(shí)際應(yīng)用上，線圈圓圈的切線垂直到想要刺激的神經(jīng)上，就可以得到良好的效果，這時(shí)導(dǎo)入電流方向是離開神經(jīng)的。為避免刺激范圍擴(kuò)大，可使線圈平面垂直于體表，而線圈的邊沿置于所要刺激的神經(jīng)上，但這樣就大大減弱了刺激強(qiáng)度】17］。4磁刺激與電刺激的差別磁刺激與傳統(tǒng)的電刺激技術(shù)相比，在腦神經(jīng)刺激以及深部神經(jīng)刺激中較之傳統(tǒng)電刺激具有明顯優(yōu)勢。用表面電極進(jìn)行電刺激時(shí)，由于電場進(jìn)入組織內(nèi)很快發(fā)散，很難進(jìn)行深部刺激，植入式電刺激技術(shù)具有創(chuàng)傷性對研究有價(jià)值，但對臨床應(yīng)用有其不便。而由磁電刺激(MES：magneto-electricstimulator)產(chǎn)生電流使組織去極化，它除具有常規(guī)電刺激(CES:conventionalelectricalstimulation)同樣特征外，還有比其更顯著的其它特征。在電流分布密度差異性方面，磁電刺激可以放置到想要測試的部位。常規(guī)電刺激時(shí)，正極和負(fù)極處的電流密度是最高的，并隨著組織深度而迅速下降。在表皮因?yàn)榱鬟^疼痛感受器的電流密度極大且隨深度迅速下降，因此刺激深部神經(jīng)時(shí)，伴隨明顯的疼痛感，對肥胖者表現(xiàn)更為突出。磁刺激時(shí)，磁場是透過(transparent)機(jī)體的。誘發(fā)的電流沿著平行于刺激線圈的同一中心的圓形通路流動(dòng)。由于皮膚、骨骼和脂肪傳導(dǎo)性低，誘發(fā)的電流量在其中的傳導(dǎo)就比較少。神經(jīng)纖維、神經(jīng)元和肌肉具有比較高的的傳導(dǎo)性B］，電流量就比較大。以適當(dāng)?shù)碾娏魇股窠?jīng)纖維去極化，而疼痛感受器去極化電流尚未完成之前，除了外表的肌肉顫搐外，幾乎沒有任何感覺。常用的體表某些區(qū)域，例如坐骨神經(jīng)，因?yàn)榇蟮谋砻骐娏鳠o法忍受，所以用表面電極進(jìn)行刺激是不可行的，而磁電刺激卻能使深部的組織在無覺察而且表皮無任何不適的情況下，組織很好地產(chǎn)生去極化。常規(guī)電刺激的值是靠估算平均值的大小進(jìn)行傳導(dǎo)計(jì)算的，以兩個(gè)0.5cm為半徑的球型相接觸，空間為4cm2。象CadwellMES-10型磁線圈有效半徑為4cm，是由內(nèi)半徑為2cm外半徑為6cm,7匝纏繞線圈所組成，對檢測大范圍的神經(jīng)、肌肉就顯得特別有效。檢測組織的容積形狀方面的差異性。由常規(guī)電刺激(CES)所產(chǎn)生的刺激電場決定測試組織的體積大小，這一刺激電場是一個(gè)正極和負(fù)極處有最大電流的卵圓形。對磁刺激作用的體積而言僅僅是圓環(huán)形，它在線圈下面的真空環(huán)形狀的區(qū)域作用最強(qiáng)。表淺神經(jīng)纖維的磁刺激不足在于刺激的準(zhǔn)確點(diǎn)很難確定?？烤€圈形狀和放置的位置確定電場方面，常規(guī)電刺激的電場取決于電極位置，因而調(diào)節(jié)容易，磁刺激中的電流僅包含在磁場內(nèi)，它引起的電流強(qiáng)度與作用深度有一相對恒定的值，以線圈半徑一半的深度為最強(qiáng)，當(dāng)為一個(gè)半徑深度時(shí)會(huì)出現(xiàn)線性下降，之后隨半徑的3次方下降，2個(gè)以上的半徑深度時(shí)，電流流動(dòng)非常小以致于組織被刺激后，只發(fā)生局部電流流動(dòng)。磁刺激時(shí)患者不與電接觸，一些外界不經(jīng)意的(inadvertent)電子通道將不存在。5外周磁刺激的應(yīng)用臨床上對外周神經(jīng)系統(tǒng)的電刺激療效已有許多的報(bào)道［18］，而外周磁刺激(PMS:peripheralmagneticstimulation)的應(yīng)用至今報(bào)道甚少。雖然透過腦的磁刺激(TMS:transcranialmagneticbrainstimulation)在腦研究和臨床神經(jīng)生理學(xué)中已取得了可喜的成績［19］，但目前所用的外周神經(jīng)磁刺激設(shè)備對患者康復(fù)方面的性能與可控制程度尚不理想，主要是由于線圈聚焦能力和興奮程度控制能力不如理論研究，要使磁刺激的聚焦點(diǎn)集中在所要激活的點(diǎn)上和要獲得最大的運(yùn)動(dòng)反應(yīng)是很困難的，所以在某些方面阻礙了功能性磁刺激應(yīng)用的進(jìn)一步增長。然而，已經(jīng)有了新的處理技術(shù)，使得外周磁刺激的獨(dú)特應(yīng)用變得更加有效［20?21］。最明顯的有目前提出多信道、多線圈、多電極方法等對恢復(fù)動(dòng)作和治療神經(jīng)肌肉系統(tǒng)疾病的功能性磁刺激(FMS:functionalmagneticstimulation)設(shè)想，它是完全無創(chuàng)性的，不需要將電流直接與患者接觸，這一設(shè)想在臨床治療上應(yīng)用具有廣闊的前景［22?25］。多信道磁刺激對電刺激的模擬。在理論上JarmoRuohonen［26］檢驗(yàn)了多信道磁刺激(MMS:multichannelmagneticstimulation)模擬由單電極和雙電極刺激誘發(fā)的激活功能，發(fā)現(xiàn)多信道磁刺激(MMS)可用在產(chǎn)生相同于單電極和雙電極刺激誘發(fā)的激活功能，至少是小體積線圈時(shí)是這樣，這只限于圓柱形表面。磁和電刺激的深度穿透特性是不同的，即使用很小的線圈也是一樣。如磁刺激不能刺激位于同類圓柱形中心的神經(jīng)［27］，而電刺激可以做到這一點(diǎn)。電和磁刺激之間還存在著其它一些內(nèi)部差異，其中包括幾何導(dǎo)體作用和不同的脈沖形式。用大量的小體積線圈可以模擬電刺激所實(shí)現(xiàn)的刺激區(qū)的形態(tài)。由于它是無創(chuàng)性的，所以功能性磁刺激是肌肉神經(jīng)障礙患者進(jìn)行治療和恢復(fù)動(dòng)作的好手段，多信道功能性磁刺激在大大地改進(jìn)刺激的選擇性和控制能力方面也具有它的優(yōu)越性。功能性磁刺激在神經(jīng)肌肉恢復(fù)的臨床作用已越來越受到人們的關(guān)注。用每個(gè)線圈中輸入電流的改變，使在不移動(dòng)線圈列陣的條件下，改變最大興奮性的軌跡。驅(qū)動(dòng)電流最佳值的數(shù)據(jù)估算需要誘導(dǎo)一設(shè)定的刺激場模式，這模式對透過腦的磁刺激［29］所采用的是最小模方估算(MNE:minimum-normestimation)理論］28］。采用多電極和多線圈方法的技術(shù)優(yōu)勢。功能性電刺激(FES:functionalelectricalstimulation是利用電流以增進(jìn)或恢復(fù)動(dòng)作障礙患者功能的一項(xiàng)非常重要的技術(shù)［30］。在進(jìn)行功能性電刺激(FES)時(shí)，電流通過植入或經(jīng)過表皮的電極而起作用［31］。復(fù)合性功能電刺激(multipleFES)的電極使用可使電刺激的選擇性得到改進(jìn)，如3電極電刺激比雙電極刺激能提供更準(zhǔn)確更佳的部位［29、32］。從各種電級結(jié)構(gòu)形態(tài)的研究也表明，電極數(shù)量的增加可使選擇性得到改進(jìn)。特別是3電極刺激比單電極和雙電極刺激具有明顯的優(yōu)越性［33］。也就是說，增加電極的耗費(fèi)能夠提高選擇性［29］。與外周磁刺激不同，電刺激使脈沖波形改變，這對提高刺激效果是重要的［34］。多線圈可在不移動(dòng)線圈的情況下，能做到對刺激的部位和形狀進(jìn)行電子的空間調(diào)節(jié)。這一新特性可使外周磁刺激在神經(jīng)肌肉疾病患者的恢復(fù)中得到前所未有的應(yīng)用。從刺激定向目標(biāo)靶位(targeting)理論和類似于多信道(multichannel)腦部磁刺激理論的多信道外周磁刺激(PMS)形成理論［35］來講，外周與腦刺激間卻存在著一個(gè)本質(zhì)性的差別：即皮層神經(jīng)被認(rèn)為在電場最大的軸突彎(bend)處興奮［30］,而外周神經(jīng)絕大多數(shù)的激活是沿著神經(jīng)在電場變化最大的部位上發(fā)生］36］。當(dāng)今的磁刺激設(shè)備一般是用通電的(energizing)圓形和“8”字形(figure-eight-shaped)刺激線圈刺激組織的］11］,操作時(shí)用人工移動(dòng)線圈，停留在要刺激的目標(biāo)組織上方，直到誘發(fā)所期待的反應(yīng)。用復(fù)合性小線圈(multiplesmallcoils)代替大的單線圈進(jìn)行外周神經(jīng)刺激，其效果可以提高對興奮的控制和興奮區(qū)的集中。從理論上講，線圈體積小，線圈排列密指向靶目標(biāo)就精確?？衫梅蔷€性最佳化方法改進(jìn)指靶過程，為尋找起始點(diǎn)可采用最小模方估算(MNE)解(solution)來疊代漸進(jìn)(iteration)［28］。磁刺激所需要的功率。影響功能磁刺激實(shí)際應(yīng)用的一個(gè)重要因素是要使神經(jīng)興奮所要求的能量，為總能量的1/100000。約有20%的線圈能量作為線圈的熱能而消失，剩余80%的能量可在電容量中得到恢復(fù)。因?yàn)閺泥徑€圈形成的場會(huì)部分消失，所以多信道磁刺激要求附加功率輸入［37］。6磁刺激的臨床應(yīng)用外周磁刺激在神經(jīng)康復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用。人們對外周磁刺激在神經(jīng)康復(fù)領(lǐng)域應(yīng)用的興趣正日趨增高，有關(guān)將外周磁刺激(PMS)應(yīng)用到功能磁刺激(FMS)的可能性研究也成為熱點(diǎn)之一［38］。Lin等用功能磁刺激以幫助排尿和脊柱損傷者的訓(xùn)練［23］,以及四肢麻木(tetraplegia)者的咳嗽恢復(fù)［24］；Craggs等人討論了膈神經(jīng)的功能磁刺激對呼吸肌功能的作用［32］；Sheriff等人報(bào)道了對患逼尿亢進(jìn)反射(detrusorhyper-reflexia)的脊柱損傷患者的骶骨外進(jìn)行功能磁刺激的有效作用［25］；另外Pujol等用重復(fù)性的外周磁刺激對消除骨骼肌疼痛最近獲得成功［39］。磁刺激在運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中的作用［17］。刺激周圍神經(jīng)，肌肉、神經(jīng)、皮膚等都可以傳導(dǎo)電流，神經(jīng)纖維上的郎飛結(jié)節(jié)可作為有泄漏的電容器，當(dāng)沒有充足的外源電流使之超過放電閾值，就不會(huì)有沖動(dòng)形成，而磁場引導(dǎo)的電流通過組織導(dǎo)電組織到肢體，其電流走向與刺激線圈上的電流走向相反，當(dāng)通過郎飛結(jié)節(jié)引起神經(jīng)沖動(dòng)，就可以在其所支配的肌肉中得到肌肉誘發(fā)電位，在肢體的任何神經(jīng)走行的部位可以測定，特別是對深部(臂叢、腰神經(jīng)根、橈神經(jīng)和坐骨神經(jīng))，肌肉動(dòng)作電位或感覺神經(jīng)動(dòng)作電位都可以測到。周圍神經(jīng)測定只要用100%為2.5Tesla的60%?65%強(qiáng)度就可以了。電刺激時(shí)，強(qiáng)電流在表皮和附近的頭皮有較大的擴(kuò)散而引起疼痛。電刺激通過顱骨時(shí)的阻抗比通過軟組織大8?15倍，這就造成了大多數(shù)電流停留在顱骨和頭皮上，引起不適應(yīng)感。而磁刺激時(shí)因?yàn)橛写艌鲋鷮?dǎo)，電流可以在幾乎沒有阻抗的情況下通過各種生物組織(骨骼、脂肪)。導(dǎo)入的電流是呈水平于線圈的平面上流動(dòng)，不受頭顱阻抗的影響，不會(huì)引起磁刺激大腦運(yùn)動(dòng)區(qū)的不適應(yīng)。90mm直徑線圈刺激時(shí)，線圈下5mm處受磁量為1.4Tesla，軸心處為1.1Tesla，英美做MRI的人體受磁量警戒線為2.5Tesla。磁刺激是一個(gè)很短暫的磁場而不是穩(wěn)定的磁場，1987年WHO報(bào)告短程受磁量在2T以下沒有任何不良效應(yīng)。磁刺激運(yùn)動(dòng)誘發(fā)電位是一種新的臨床測定方法，已經(jīng)有人發(fā)現(xiàn)當(dāng)靶肌肉處于輕微收縮狀態(tài)時(shí)，經(jīng)顱刺激所獲得的電位波幅較高，潛伏期縮短［19］，這是否與中樞神經(jīng)系統(tǒng)的易化作用對肌肉收縮和肌肉放松時(shí)的電位有影響等一些具體問題，以及對于中樞運(yùn)動(dòng)通路和深部的近端的周圍神經(jīng)功能狀態(tài)診斷，象多發(fā)性硬化、頸椎病性神經(jīng)根脊髓病、周圍神經(jīng)病和格林-巴利綜合癥都是很有價(jià)值的。磁刺激技術(shù)是一項(xiàng)有發(fā)展前景的無創(chuàng)性技術(shù)，腦神經(jīng)磁刺激可用于無創(chuàng)性腦功能檢查、中樞神經(jīng)傳導(dǎo)檢測、改善腦功能等方面［19］。在外界用時(shí)變（time-varying）的電磁場以無創(chuàng)的方式可以對人體可興奮細(xì)胞進(jìn)行刺激。這種刺激可直接驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)入組織，對組織直接刺激（電刺激）或用電磁誘發(fā)的方式（磁刺激）實(shí)施。一個(gè)磁通量迅速變化的磁場，在所經(jīng)過的組織可誘發(fā)一個(gè)電場。如果強(qiáng)度和延遲可調(diào)，那么誘發(fā)的電場會(huì)引起生物電流在組織中傳導(dǎo)，進(jìn)而會(huì)使得神經(jīng)纖維、神經(jīng)元和肌肉去極化。近十年來，磁（magnetic）刺激或非電極電刺激(electrodelesselectricalstimulation)在腦神經(jīng)方面的研究是一個(gè)研究熱點(diǎn)。磁刺激技術(shù)將為人類實(shí)現(xiàn)對某些腦生理活動(dòng)的人為調(diào)控、探索腦疾病的診斷及治療提供新的手段［1］。在臨床上，磁刺激可應(yīng)用于研究大腦皮層神經(jīng)分布、檢測多發(fā)性硬化病患者的中樞神經(jīng)傳導(dǎo)延遲以及退化性運(yùn)動(dòng)失調(diào)，也可用來檢測外周神經(jīng)傳導(dǎo)速度，監(jiān)測中樞神經(jīng)系統(tǒng)機(jī)能狀態(tài)。磁脈沖刺激的原理根據(jù)電磁感應(yīng)原理，一個(gè)隨時(shí)間變化的均勻磁場B在它所通過的空間內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電場E,而與該空間的電導(dǎo)率無關(guān)。在該空間中沿任意閉合圓周（設(shè)圓周半徑為r）上的感應(yīng)電勢e為［2］：其中，S是圓周面積，是磁場變化率，則電場強(qiáng)度E為圓周上總電勢除以圓周周長：式中r是圓周半徑，為矢量。如果該圓周上有導(dǎo)電的介質(zhì)，便會(huì)形成感生電流（渦電流）。假設(shè)圓周上具有均勻?qū)щ姷纳锝M織，則生物組織內(nèi)產(chǎn)生的感生電流可表示為：J二其中。是生物組織電導(dǎo)率。當(dāng)感生電流值超過神經(jīng)組織興奮閾值時(shí)，便會(huì)象電刺激一樣達(dá)到刺激相應(yīng)部位神經(jīng)組織的效果。圓形線圈與刺激強(qiáng)度分布［3］進(jìn)行腦神經(jīng)刺激研究，應(yīng)首先研究線圈放電時(shí)線圈耦合人腦內(nèi)的時(shí)變磁場及相應(yīng)的感應(yīng)電場的分布特性，及其與磁刺激線圈、磁刺激器的電參數(shù)的關(guān)系，這樣才能有針對性的設(shè)計(jì)線圈及進(jìn)行刺激，使之有選擇性地在被刺激部位產(chǎn)生適當(dāng)?shù)母袘?yīng)電場，引起腦神經(jīng)興奮?？臻g任何一點(diǎn)的感應(yīng)電場是沿著勵(lì)磁線圈回路各電流元在該點(diǎn)產(chǎn)生感應(yīng)電場迭加的結(jié)果，因此空間感應(yīng)電場的分布與線圈形狀及相對該點(diǎn)位置有關(guān)，不同結(jié)構(gòu)、在空間不同位置產(chǎn)生不同磁場，進(jìn)而形成不同的空間感應(yīng)電場分布。進(jìn)行腦部神經(jīng)刺激時(shí)，應(yīng)使被刺激點(diǎn)產(chǎn)生超過神經(jīng)組織興奮閾值的電場強(qiáng)度，而非靶組織位置的感應(yīng)電場盡量少，以減小其他神經(jīng)受刺激的可能。設(shè)計(jì)線圈的目標(biāo)是使感應(yīng)電場聚焦性好，提高磁刺激神經(jīng)的選擇性?？臻g磁場分布在對應(yīng)線圈邊緣與中心之間區(qū)域幅值最大，邊緣外反向；感應(yīng)電場分布在對應(yīng)線圈邊緣幅值最大；在緊貼線圈的表面處感生電流分布隨線圈形狀，由于磁力線相互抵消的結(jié)果，隨著與線圈距離增大感應(yīng)電流分布趨向于圓形線圈的分布［2］。圓形線圈的優(yōu)勢在于易制造，方便身體多部位使用，并且在線圈平均直徑圓周的切線方向具有最大的感生電流幅值，位于線圈平均直徑圓周的切線方向的神經(jīng)容易被刺激。但是圓形線圈刺激范圍大，進(jìn)行刺激時(shí)會(huì)造成大面積非靶組織受刺激而興奮，減小線圈尺寸能提高聚焦性。線圈的作用深度感應(yīng)電場值在線圈表面處的磁刺激線圈，離線圈的垂直距離越大，感應(yīng)電場值衰減越多。使用半徑50mm的圓形線圈，放電電流變化率為100A/ms時(shí)，在頭皮表面以下感應(yīng)電場的幅值隨深度變化表明，頭皮表面處感生電場幅值為104V/m，10mm處下降了38%，感生電場幅值為65V/m。磁刺激線圈的作用深度與線圈半徑密度相關(guān),Barker等［2］認(rèn)為由于空間某點(diǎn)感應(yīng)電場值是線圈回路各電流元在該點(diǎn)產(chǎn)生感應(yīng)電場值迭加的結(jié)果，所以在相同激勵(lì)電流、相同距離下，感應(yīng)電場與線圈的電流元積分路徑（周長）基本成正比，因而直徑大的線圈作用深度深，直徑小的線圈作用域淺。另外，放電電流流過線圈產(chǎn)生的磁場隨距離增大而更加發(fā)散，線圈的感應(yīng)電場分布曲線隨距離增大過零點(diǎn)加寬，聚焦能力降低，并且感應(yīng)電場負(fù)峰值增高，負(fù)峰引起副作用刺激幾率增大。磁感應(yīng)電場穿透頭部組織時(shí)的衰減相比由表面電極電刺激產(chǎn)生的在表面電場值相同的情況下，40mm深處磁感應(yīng)電場值比表面電刺激產(chǎn)生電場值大10倍，因而磁刺激不僅能刺激淺表神經(jīng)，更可以用于腦部神經(jīng)、中樞神經(jīng)和較深部位的外周神經(jīng)的刺激。線圈放置方向在對神經(jīng)組織進(jìn)行磁刺激時(shí)，線圈的放置要考慮受刺激神經(jīng)的走向，受刺激位置并不等于神經(jīng)興奮的位置。Barker在1987年曾經(jīng)提出磁刺激位置發(fā)生在感應(yīng)電場最大值處，但是Roth、Basser等在1990年隨之提出長軸神經(jīng)的興奮位置發(fā)生在沿神經(jīng)軸向電場梯度最大值處。目前腦神經(jīng)刺激興奮位置還沒有確切答案［4］。刺激的位置一般約為一個(gè)與線圈平行的圓圈范圍，而實(shí)際應(yīng)用上，如果說線圈圓圈的切線垂直到想要刺激的神經(jīng)上，就可以得到良好的效果，這時(shí)導(dǎo)入電流方向是離開神經(jīng)的。為避免刺激范圍擴(kuò)大，可使線圈平面垂直于體表，而線圈的邊沿置于所要刺激的神經(jīng)上，但這樣就大大減弱了刺激強(qiáng)度［5］。外周磁刺激的應(yīng)用臨床上對外周神經(jīng)系統(tǒng)的電刺激療效已有許多的報(bào)道［6］,而外周磁刺激(PMS：peripheralmagneticstimulation)的應(yīng)用直到目前為止也只有極少數(shù)的報(bào)道。雖然透過腦的磁刺激(TMS：transcranialmagneticbrainstimulation)在腦研究和臨床神經(jīng)生理學(xué)中已取得了可喜的成績，但目前所用的外周神經(jīng)磁刺激設(shè)備的康復(fù)性能與可控制程度尚不理想，主要是由于線圈聚焦能力和興奮程度控制能力達(dá)不到理論研究的水平，要使磁刺激的聚焦點(diǎn)集中在所要激活的點(diǎn)上和要獲得最大的運(yùn)動(dòng)反應(yīng)是很困難的，所以在某些方面阻礙了功能性磁刺激應(yīng)用的進(jìn)一步增長。然而，已經(jīng)有了新的處理技術(shù)，使得外周磁刺激的獨(dú)特應(yīng)用變得有效［7］。最明顯的有目前提出多信道、多線圈、多電極等方法對恢復(fù)動(dòng)作和治療神經(jīng)肌肉系統(tǒng)疾病的功能性磁刺激(FMS：functionalmagneticstimulation)設(shè)想，它是完全無創(chuàng)性的，不需要將電流直接與患者接觸，這一設(shè)想在臨床治療上應(yīng)用具有很廣闊的前景［8?11］。多信道磁刺激對電刺激的模擬在理論上JarmoRuohonen［12］檢驗(yàn)了多信道磁刺激(MMS：multichannelmagneticstimulation)模擬由單電極和雙電極刺激誘發(fā)的激活功能，發(fā)現(xiàn)多信道磁刺激可用在產(chǎn)生相同于單電極和雙電極刺激誘發(fā)的激活功能，至少是小體積線圈時(shí)是這樣，這只限于圓柱形表面。磁和電刺激的深度穿透特性是不同的，即使用很小的線圈也是一樣。如磁刺激不能刺激位于同類圓柱形中心的神經(jīng)［13］,而電刺激可以做到這一點(diǎn)。電和磁刺激之間還存在著其它一些內(nèi)部差異，其中包括幾何導(dǎo)體作用和不同的脈沖形式。用大量的小體積線圈可以模擬電刺激所實(shí)現(xiàn)的刺激區(qū)的形態(tài)。由于它是無創(chuàng)性的，所以功能性磁刺激是肌肉神經(jīng)障礙患者進(jìn)行治療和恢復(fù)動(dòng)作的好手段，多信道功能性磁刺激在大大地改進(jìn)刺激的選擇性和控制能力方面也是具有它的優(yōu)越性。功能性磁刺激在神經(jīng)肌肉恢復(fù)的臨床作用已越來越受到人們的關(guān)注。用每個(gè)線圈中輸入電流的改變，使在不移動(dòng)線圈列陣的條件下，改變最大興奮性的軌跡。驅(qū)動(dòng)電流最佳值的數(shù)據(jù)估算需要誘導(dǎo)一設(shè)定的刺激場模式，這模式對透過腦的磁刺激所采用的是最小模方估算(MNE：minimum-normestimation)理論［14］。采用多電極和多線圈方法的技術(shù)優(yōu)勢 功能性電刺激(FES：functionalelectricalstimulation)是利用電流以增進(jìn)或恢復(fù)運(yùn)動(dòng)障礙患者功能的一項(xiàng)非常重要的技術(shù)。在進(jìn)行功能性電刺激時(shí)，電流通過植入或經(jīng)過表皮的電極而起作用。復(fù)合性功能電刺激(multipleFES)的電極使用可使電刺激的選擇性得到改進(jìn)，如三電極刺激比雙電極刺激能提供更準(zhǔn)確的部位［15］。電極數(shù)量的增加可使選擇性得到改進(jìn)。特別是三電極刺激比單電極和雙電極刺激具有明顯的優(yōu)越性［16］。也就是說，增加電極電流的耗費(fèi)能夠提高選擇性。與外周磁刺激不同，電刺激使脈沖波形改變，這對提高刺激效果是重要的。多線圈可在不移動(dòng)線圈的情況下，能做到對刺激的部位和形狀進(jìn)行電子的空間調(diào)節(jié)。這一新特性可使外周磁刺激在神經(jīng)肌肉疾病患者的恢復(fù)中得到應(yīng)用。從刺激定向目標(biāo)靶位理論和類似于多信道腦部磁刺激理論的多信道外周磁刺激形成理論來講［17］,外周與腦刺激間卻存在著一個(gè)本質(zhì)性的差別：即皮層神經(jīng)被認(rèn)為在電場最大的軸突彎(bend)處興奮，而外周神經(jīng)絕大多數(shù)的激活是沿著神經(jīng)在電場變化最大的部位上發(fā)生。當(dāng)今的磁刺激設(shè)備一般用通電的(energizing)圓形和“8”字形(figure-eight-shaped)刺激線圈刺激組織的，操作時(shí)用人工移動(dòng)線圈，停留在要刺激的目標(biāo)組織上方，直到誘發(fā)所期待的反應(yīng)。用復(fù)合性小線圈(multiplesmallcoils)代替大的單線圈進(jìn)行外周神經(jīng)刺激，其效果可以提高對興奮的控制和興奮區(qū)的集中。從理論上講，線圈體積小，線圈排列密指向靶目標(biāo)就精確。可利用非線性最佳化方法改進(jìn)指靶過程，為尋找起始點(diǎn)，采用最小模方估算(MNE)解來提高疊代漸進(jìn)】14］。磁刺激所需要的功率影響功能磁刺激實(shí)際應(yīng)用的一個(gè)重要因素是要使神經(jīng)興奮所要求的能量，傳導(dǎo)到組織的能量的1/100000。約有20%的線圈能量作為線圈的熱能而消失，剩余80%的能量可在電容量中得到恢復(fù)。因?yàn)閺泥徑€圈形成的場會(huì)部分消失，所以多信道磁刺激要求附加功率輸入［18］。磁脈沖刺激與電刺激的比較磁刺激與傳統(tǒng)的電刺激技術(shù)相比，在腦神經(jīng)刺激以及深部神經(jīng)刺激中較之傳統(tǒng)電刺激具有明顯優(yōu)勢。用表面電極進(jìn)行電刺激時(shí)，由于電場進(jìn)入組織內(nèi)很快發(fā)散，很難進(jìn)行深部刺激，植入式電刺激技術(shù)具有創(chuàng)傷性對研究有價(jià)值，而對臨床應(yīng)用極其不便。而由磁電刺激(MES：magneto-electricstimulator)產(chǎn)生電流使組織去極化不僅具有常規(guī)電刺激(CES：conventionalelectricalstimulation)同樣特征，而且比常規(guī)電刺激還有更加顯著的特征。電流分布密度差異性磁電刺激可以放置到想要測試的部位。常規(guī)電刺激時(shí)，正極和負(fù)極處的電流密度是最高的，并隨著組織深度而迅速下降。在表皮因?yàn)榱鬟^痛覺感受器的電流密度極大且隨深度迅速下降，因此刺激深部神經(jīng)時(shí)，疼痛將明顯伴隨出現(xiàn)，尤其是肥胖者。磁刺激時(shí)，磁場實(shí)際上是透過機(jī)體的。誘發(fā)的電流沿著平行于刺激線圈的同一中心的圓形通路流動(dòng)。由于皮膚、骨骼和脂肪傳導(dǎo)性低，誘發(fā)的電流量在其中傳導(dǎo)就比較少。神經(jīng)纖維、神經(jīng)元和肌肉具有比較高的傳導(dǎo)性，電流量就比較大。以適當(dāng)?shù)碾娏魇股窠?jīng)纖維去極化，而疼痛感受器去極化電流尚未完成之前，除了外表的肌肉顫搐外，幾乎沒有任何感覺。常用的體表某些區(qū)域，例如坐骨神經(jīng)外側(cè)皮膚，因?yàn)榇蟮谋砻骐娏鳠o法忍受，所以用表面電極進(jìn)行刺激是不可行的，而磁電刺激卻能使深部的組織在無覺察而且表皮無任何不適的情況下，組織很好地產(chǎn)生去極化。常規(guī)電刺激的值是靠估算平均值的大小進(jìn)行傳導(dǎo)計(jì)算的，以兩個(gè)0.5cm為半徑的球型相接觸，區(qū)域?yàn)?cm2。象CadwellMES-10型磁線圈有效半徑為4cm，是由內(nèi)半徑為2cm外半徑為6cm，7匝纏繞線圈所組成，對檢測大范圍的神經(jīng)、肌肉就顯得特別有效。檢測組織的容積形狀方面的差異性由常規(guī)電刺激所產(chǎn)生的刺激電場決定測試組織的體積大小，這一刺激電場是一個(gè)正極和負(fù)極處有最大電流的卵圓形。對磁刺激作用的體積而言僅僅是圓環(huán)形，它在線圈下面的真空環(huán)形狀的區(qū)域作用最強(qiáng)。表淺神經(jīng)纖維的磁刺激不足在于刺激的準(zhǔn)確點(diǎn)很難確定?？烤€圈形狀和放置的位置確定電場方面常規(guī)電刺激的電場取決于電極位置，因而調(diào)節(jié)容易，磁刺激中的電流僅包含在磁場內(nèi)，它引起的電流強(qiáng)度與作用深度有一相對恒定的值，以線圈半徑一半的深度為最強(qiáng)，當(dāng)為一個(gè)半徑深度時(shí)會(huì)出現(xiàn)線性下降，之后隨半徑的3次方下降，2個(gè)以上的半徑深度時(shí)，電流流動(dòng)非常小以致于組織被刺激后，只發(fā)生局部電流流動(dòng)。磁刺激時(shí)患者不與電接觸，一些外界不經(jīng)意的電子通道將不存在。磁刺激的臨床應(yīng)用概況外周磁刺激在神經(jīng)康復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用人們對外周磁刺激在神經(jīng)康復(fù)領(lǐng)域應(yīng)用的興趣正日趨增