神經(jīng)肌肉刺激技術現(xiàn)狀的研究探索

神經(jīng)肌肉電刺激技術現(xiàn)狀的研究探索摘要：本文通過查閱國內(nèi)外相關文獻，綜述了近年來國內(nèi)外有關神經(jīng)肌肉刺激技術的發(fā)展狀況。文中對神經(jīng)肌肉刺激的兩種技術（TENS和FES）的原理及應用做了詳細的敘述，其中TENS主要用于鎮(zhèn)痛，F(xiàn)ES主要用于康復治療。同時介紹了現(xiàn)今研究較熱的FES的相關技術參數(shù)。最后通過對它們研究的現(xiàn)狀的總結和歸納，指出了神經(jīng)肌肉刺激技術的不足之處，并提出了對該技術的前景的展望。Abstract：Thispaperreviewedtherecentdevelopmentsconcerningthesituationaboutneuromuscularstimulationtechnologyathomeandabroadthroughaccesstorelevantliterature.AtfirstthearticleintroducedtheprinciplesandapplicationsaboutthetechniquesofneuromuscularstimulationwhichcontainsTENSandFES.AndtheTENStechnologyismainlyusedforpainrelief,theFESismainlyusedforrehabilitation.ThenintroducedtheparametersaboutFEStechnologywhichispopularnow.Atlast,pointedoutthelackofneuromuscularstimulationtechnology,andmadetheprospectsfortechnologythroughstudiedandsummarizedthestateofthetechnology.1、引言神經(jīng)肌肉電刺激（neuromuscularelectricalstimulation，NMES）是指利用低頻脈沖電流刺激神經(jīng)或肌肉引起肌肉收縮，從而提高肌肉功能或治療神經(jīng)肌肉疾患的一種治療技術。它常常應用于由于中風和脊髓損傷（SCI）等引起的癱瘓和肌無力的康復治療以及各種的疼痛的緩解治療中?，F(xiàn)今不少國內(nèi)外學者致力于各種治療設備、方法的研究工作中，以期望能達到修復患者日常生活中的正常運動和功能中?，F(xiàn)在廣泛應用的刺激方法有經(jīng)皮電神經(jīng)刺激（transcutaneouselectricalnervestimulation，TENS）和功能性電刺激（functionalelectricalstimulation，F(xiàn)ES），本文就是從這兩個方面介紹神經(jīng)肌肉電刺激技術的。2、經(jīng)皮電神經(jīng)刺激(TENS)2.1TENS鎮(zhèn)痛機制TENS是一種外周刺激，即將電極貼于皮膚表面作為一種醫(yī)療手段用于疼痛及康復治療。其作用機制目前公認有兩種學說：一是Melzack和Wall提出的閘門控制學說：在脊髓背角內(nèi)的膠質(zhì)(SG)細胞有一種類似閘門的神經(jīng)機制，它能減弱或增強來自外周上傳到中樞的神經(jīng)沖動。TENS可引起粗纖維的興奮，激活SG細胞，從而抑制同節(jié)段細纖維傳入的傷害感受信號對脊髓背角投射神經(jīng)元(T細胞)的興奮作用。二是TENS可使中樞釋放多種鎮(zhèn)痛物質(zhì)，其中以內(nèi)源性阿片肽最為重要。韓濟生研究證實，低頻(2Hz)電刺激可使中樞釋放內(nèi)啡肽和腦啡肽，而高頻(100Hz)刺激則引起強啡肽釋放增加，當2Hz和100Hz交替刺激時，三種阿片肽同時釋放，從而引起全身性的鎮(zhèn)痛作用。此外，5羥色胺、去甲腎上腺素等多種神經(jīng)遞質(zhì)，也參與了TENS的鎮(zhèn)痛作用。深入的研究表明，外周刺激可導致相應神經(jīng)遞質(zhì)的基因表達增強，羅非對單發(fā)佐劑關節(jié)炎模型大鼠行反復電針治療后發(fā)現(xiàn)關節(jié)炎大鼠脊髓中腦啡肽、膽囊收縮素和P物質(zhì)的自發(fā)釋放均有顯著變化，如P物質(zhì)自發(fā)釋放的增高延遲，腦啡肽釋放的增高提前出現(xiàn)，以及膽囊收縮素自發(fā)釋放的減少恢復正常，而這些變化均可緩解關節(jié)炎性疼痛。2.2臨床應用治療慢性疼痛Gadsby和Flowerdew對28個慢性背痛采用TENS、ALTENS治療進行系統(tǒng)評價，選擇了其中6個實驗共288例研究為對象，其中四個實驗的118例患者采用了TENS治療，兩個實驗的30例患者采用ALTENS，其它140例患者采用安慰性治療作為對照組。Meta分析結果顯示實驗組慢性背痛的患者疼痛明顯緩解，活動限度明顯改善，且TENS治療慢性背痛的有效性是安慰治療組的1.6倍。術中疼痛的緩解Toyota等選擇45例ASA1~2級，將微創(chuàng)喉內(nèi)窺鏡手術的患者隨機分為三組：對照組(全麻，n=15)，芬太尼組(全麻+芬太尼，n=15)，TENS組(全麻+TENS，n=15)。所有患者予硫噴妥鈉(4mg/kg)和維庫溴胺(0.1mg/kg)誘導后氣管插管，對照組予異氟醚(1~1.5%)笑氣(66%)和氧氣(33%)維持麻醉；其余兩組與對照組不同的是：芬太尼組麻醉誘導時加用芬太尼(2ug/kg)；TENS組麻醉誘導時加用TENS，直至手術結束。結果發(fā)現(xiàn)TENS組與對照組相比，HR，DAP和MAP的升高被顯著抑制，而且TENS組和芬太尼組的尼卡地平用量明顯少于對照組。因此Toyota等認為在微創(chuàng)喉內(nèi)窺鏡手術時TENS的效果可以等同于芬太尼。緩解內(nèi)臟疼痛Chauhan等分別觀察34例X綜合癥的患者(第一組)，15例冠狀動脈疾病的患者(第二組)，16例心臟移植的患者(第三組)，通過Judkins多普勒觀察靜息狀態(tài)下和TENS刺激5分鐘后左側(cè)冠脈系統(tǒng)的冠脈血流率(CBFV)，結果發(fā)現(xiàn)TENS治療可增加胸前區(qū)疼痛患者(第一組合第二組)的冠脈血流速率，但是對心臟移植患者沒有影響。TENS對三組患者體循環(huán)的血流動力學均無影響。所以他們認為TENS治療后可產(chǎn)生局部舒血管物質(zhì)或直接降低交感活性使血管擴張，冠脈血流增加。而前人研究也顯示TENS治療可以緩解心絞痛患者的疼痛，改善心肌乳酸代謝，改善ST段的降低，降低平均動脈壓和全身的血管阻力；在遠期研究中，TENS治療組患者運動耐力增加，心絞痛發(fā)作頻率下降，硝酸還原酶的消耗降低。對周圍神經(jīng)損傷后再生的影響多年來，國內(nèi)、外學者根據(jù)不同類型的電刺激、多種病理模型以及多種檢測手段得出的大量實驗結果證實，遠端負極電流有促進神經(jīng)再生的作用。神經(jīng)生長實時預測顫抖特性，同時把顫抖運動與自主運動分離出來。助呼吸儀利用刺激隔神經(jīng)維持呼吸大概算得FES臨床應用的最早嘗試。早前Glenn等研制的植人電極、無線聯(lián)系的隔神經(jīng)刺激系統(tǒng)。鉑絲電極纏在頸段或胸段隔神經(jīng)干上，植人皮下的接收器收到體外發(fā)射器發(fā)來的無線電信號后進行積分，變成刺激脈沖，刺激隔神經(jīng)引起吸氣，刺激停止則自然呼氣，節(jié)律可調(diào)。試用40例，其中32例平均使用2年10個月，效果良好。尿失禁治療儀功能性電刺激的治療作用主要體現(xiàn)在重建臟器的功能上。近年來，功能性電刺激在治療尿失禁和盆底器官脫垂時應用比較廣泛，但機制尚不完全明了。對尿失禁的治療可能從兩方面發(fā)揮作用，一是刺激尿道外括約肌收縮，通過神經(jīng)回路進一步增強尿道括約肌收縮，加強控尿能力；二是刺激神經(jīng)和肌肉，通過形成沖動，興奮交感通路并抑制副交感通路、抑制膀胱收縮和降低膀胱收縮能力。國內(nèi)外文獻報道，采用電刺激治療女性尿失禁的有效率在60%~80%之間。其他應用另外該技術還應用與其他地方，例如用于腦卒中后吞咽障礙患者的治療；脊彎曲的治療等應用，且經(jīng)過驗證，該方法有一定療效。功能性電刺激(FES)技術的概念于1961年被正式提出以后，在全世界范圍內(nèi)引起了廣泛關注，尤其是最近幾年來，隨著科學技術的迅猛發(fā)展，該項技術已被廣泛應用在各個領域。最近也是生物醫(yī)學工程領域研究的比較火熱的一個方向，國內(nèi)外的多支科研隊伍對FES本身及其相關的理論也一直在不斷地進行拓展和完善。這其中就包括了電極使用方式和構造、刺激方式、刺激波形等參數(shù)的研究，下面本文就功能性電刺激的技術參數(shù)作相應敘述。3.3功能性電刺激的技術參數(shù)功能性電剌激在實際應用中要根據(jù)應用目的、患者病情、耐受度以及病程長短等因素不斷調(diào)整刺激參數(shù)。包括刺激方式、刺激波形、刺激強度、刺激頻率、刺激包絡等。刺激方式根據(jù)功能性電刺激電路輸出信號的不同，可將功能性電刺激方式分為兩種：電壓刺激和電流刺激。電壓刺激的幅度一般為100V至200V之間。一般選擇100V或者150V，電流刺激的幅度一般為20rnA至100mA，可根據(jù)需要進行調(diào)整。電壓刺激與電流刺激各有優(yōu)劣。電壓刺激的優(yōu)點是可控性好，實現(xiàn)電路簡單。電流刺激強度一致性好，但實現(xiàn)復雜。刺激波形刺激波形有單向和雙向之分。單向刺激波形是指刺激的電流或者電壓只有一個極性，永遠大于0(或者小于0)。雙向剌激波形是指剌激的電流或電壓有兩個極性，在大于0的刺激相結束后,緊跟著一個小于0的刺激相，或者相反。單向刺激和雙向剌激各有利弊。單向剌激的電路實現(xiàn)簡單，可控性好，電路穩(wěn)定性好，故障率低。但有文獻報道單向刺激可能會造成電荷在組織中的積累效應，容易導致疲勞；雙向剌激電路實現(xiàn)復雜,穩(wěn)定性較差。但其優(yōu)點是無電荷累積效應,肌肉不易疲勞。本文所述方法采用實現(xiàn)起來更為簡單的單向波形。刺激強度功能性電刺激的強度是指刺激波形對時間的積分。其中PW表示脈沖的寬度(PulseWidth)，PA表示脈沖的幅度(PulseAmplitude)。通過不斷改變這兩個參數(shù)的值就可以實現(xiàn)對功能性電刺激強度的實時調(diào)整。理論上講，無論如何調(diào)整，只要脈沖的面積相等，即視為刺激強度相等。但在實際應用中，脈沖的幅度(PA)需要大于一定的閾值才能夠?qū)δ繕思∪庑纬捎行У拇碳みM而導致收縮。這個閾值視不同的被試以及不同的肌肉而不同，因此不宜作為調(diào)整參數(shù)。但當脈沖幅度大于閾值的前提下，兩者的調(diào)整對誘發(fā)肌肉收縮的效果是一致的。調(diào)整脈沖幅度的方法實現(xiàn)電路復雜，調(diào)整時間長，實時性差；調(diào)整脈沖寬度的方法實現(xiàn)電路簡單，利用脈寬調(diào)制(Pulsewidthmodulation，PWM)原理即可進行精確實時有效的調(diào)整。刺激頻率刺激頻率是指單位時間內(nèi)出現(xiàn)的電剌激脈沖個數(shù)。例如，電刺激頻率為40Hz是指，1秒鐘產(chǎn)生40個脈沖波形。由于需要考慮到刺激肌肉的疲勞特性，刺激頻率會有一定上限，否則肌肉容易疲勞，效果不好。5、刺激包絡線刺激包絡或刺激包絡線(Envelope)是指功能性電刺激強度隨時問變化的曲線。注意此概念要與刺激波形區(qū)分開。其中強度是波幅和脈寬的乘積，一般我們采用定幅值刺激，通過改變脈寬來調(diào)節(jié)刺激強度。由此可見，脈沖寬度越寬，則刺激強度越大；脈沖寬度越窄，則刺激強度越小。總結和展望本文對神經(jīng)肌肉刺激(NMS)的兩個方面：經(jīng)皮電神經(jīng)刺激(TENS)和功能性電刺激(FES)展開綜述，介紹了他們各自的作用機制和現(xiàn)如今的研究現(xiàn)狀。從中我們發(fā)現(xiàn)經(jīng)皮電神經(jīng)刺激技術現(xiàn)今主要用于各種疼痛抑制治療，同時也有學者發(fā)現(xiàn)該技術也可改善局部組織微循環(huán)，促進神經(jīng)再生的作用；功能性電刺激技術應用范圍相對比較廣，特別是在提高肢體功能障礙患者(腦卒中患者和脊髓損傷患者)肢體活動能力方面作為一種常用手段，除此之外，近年來，F(xiàn)ES技術還被廣泛的應用在泌尿輔助系統(tǒng)、呼吸輔助功能的應用中。由此可以看出，神經(jīng)肌肉刺激廣大的研究價值和發(fā)展前景，特別是在康復治療這一領域有著舉足輕重的地位。當然也存在著諸多需要進一步加強的地方，比如電極材料的選取、電刺激參數(shù)的最佳搭配、功能性刺激儀的微型化和可植入式等需要我們?nèi)ミM一步完善?？傊窠?jīng)肌肉電刺激技術作為醫(yī)療康復領域中年輕而富有朝氣的一個重要研究方向，需要廣大科研工作者往里面投入更多的精力和時間，其成果也必將是巨大的。參考文獻[1]BarbaraM.Doucet,AmyLam,LisaGriffin.Neuromuscularelectricalstimulationforskeletalmusclefunction[J].American:USNationalLibraryofMedicine,2012.[2]DirkG.Everaert,RichardB.Stein,etal.EffectofaFoot-DropStimulatorandAnkle–FootOrthosisonWalkingPerformanceAfterStroke:AMulticenterRandomizedControlledTrial[J].AmericanSocietyofNeurorehabilitation,2013,27(7):579-591.[3]WeberDJ,SteinRB,ChanKM,etal.Functionalelectricalstimulationusingmicrostimulatorstocorrectfootdrop:acasestudy[M].CanJPhysiolPharmacol,2004,82(8-9):784-792.[4]ScottWB,Binder-MacleodSA.Changingstimulationpatternsimprovesperformanceduringelectricallyelicitedcontractions.MuscleNerve,2003,28(2):174-180.[5]KimCS,EomGM,Hasek.StimulationPattern-FreeControlofFESCycling:SimulationStudy.SystemsManandCyberneticsPartC:ApplicationsandReviews,2008,38(1):125-134.[6]AlonG,LevittAF,McCarthyPA.Functionalelectricalstimulationenhancementofupperextremityfunctionalrecoveryduringstrokerehabilitation:Apilotstudy.NeurorehabilitationandNeuroRepair,2007,21(3).[7]RagnarssonKT.Functionalelectricalstimulationafterspinalcordinjury:currentuse,therapeuticeffectsandfuturedirections.SpinalCord,2007,46:255-274..[8]KesarTM,PerumalR,ReismanDS,etal.Functionalelectricalstimulationofankleplantarflexoranddorsiflexormuscleseffectsonpoststrokegait.Stroke,2009.[9]EveraertDG,ThompsonAK,ChongSL.Doesfunctionalelectricalstimulationforfootdropstrengthencorticospinalconnections.NeurorehabilitationandNeuralRepair,2010.[10]PrabhakaranS，ZarahnE,RileyC,etal.Inter-individualvariabilityinthecapacityformotorrecoveryafterischemicstroke[J].NeurorehabilNeuralRepair,2008,22(1):64-71.[11]YOkozukaM,NamimaT,NakagawaH,etal.EffectsandindicationsofsacralSurfacetherapeuticelectricalstimulationinrefractoryurinaryincontinence[J].ClinRehabil,2004,18(8):899-907.[12]FerrarinM,PedottiA.Therelationshipbetweenelectricalstimulusandjointtorque:Adynamicmodel[J].IEEETran.onRehab.Eng.2000,8(3):342-351.[13]JohanssonBB,HakerE,ArbinM,etal1Acupunctureandtranscutaneousneverstimulationinstrokerehabilitation:arandomizedcontrolledtrial[J].Stroke,2010,32:707-713.[14]ChurchC,PriceC1Randomizedcontrolledtrialtoevaluatetheeffectofsurfaceneuromuscularelectricalstimulationtotheshoulderafteracutestroke[J].Stroke,2006,37:2995-3001.[15]HaraY,YukihiroS,OgawaY,etal.HybridPower-AssistedFunctionalElectricalStimulationtoImproveHemipareticUpper-ExtremityFunction[J].AmJPhysMedRehabil,2009,85(12):977-985.[16]LynchCL,PopovicMR.Closed-loopcont