神經(jīng)肌肉刺激技術(shù)現(xiàn)狀的研究探索

神經(jīng)肌肉電刺激技術(shù)現(xiàn)狀的研究探索摘要：本文通過查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，綜述了近年來國(guó)內(nèi)外有關(guān)神經(jīng)肌肉刺激技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r。文中對(duì)神經(jīng)肌肉刺激的兩種技術(shù)（TENS和FES）的原理及應(yīng)用做了詳細(xì)的敘述，其中TENS主要用于鎮(zhèn)痛，F(xiàn)ES主要用于康復(fù)治療。同時(shí)介紹了現(xiàn)今研究較熱的FES的相關(guān)技術(shù)參數(shù)。最后通過對(duì)它們研究的現(xiàn)狀的總結(jié)和歸納，指出了神經(jīng)肌肉刺激技術(shù)的不足之處，并提出了對(duì)該技術(shù)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(shù)。它常常應(yīng)用于由于中風(fēng)和脊髓損傷（SCI）等引起的癱瘓和肌無力的康復(fù)治療以及各種的疼痛的緩解治療中?，F(xiàn)今不少國(guó)內(nèi)外學(xué)者致力于各種治療設(shè)備、方法的研究工作中，以期望能達(dá)到修復(fù)患者日常生活中的正常運(yùn)動(dòng)和功能中?，F(xiàn)在廣泛應(yīng)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(gè)方面介紹神經(jīng)肌肉電刺激技術(shù)的。2、經(jīng)皮電神經(jīng)刺激(TENS)2.1TENS鎮(zhèn)痛機(jī)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(fù)治療。其作用機(jī)制目前公認(rèn)有兩種學(xué)說：一是Melzack和Wall提出的閘門控制學(xué)說：在脊髓背角內(nèi)的膠質(zhì)(SG)細(xì)胞有一種類似閘門的神經(jīng)機(jī)制，它能減弱或增強(qiáng)來自外周上傳到中樞的神經(jīng)沖動(dòng)。TENS可引起粗纖維的興奮，激活SG細(xì)胞，從而抑制同節(jié)段細(xì)纖維傳入的傷害感受信號(hào)對(duì)脊髓背角投射神經(jīng)元(T細(xì)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(jì)生研究證實(shí)，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(qiáng)啡肽釋放增加，當(dāng)2Hz和100Hz交替刺激時(shí)，三種阿片肽同時(shí)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(dǎo)致相應(yīng)神經(jīng)遞質(zhì)的基因表達(dá)增強(qiáng)，羅非對(duì)單發(fā)佐劑關(guān)節(jié)炎模型大鼠行反復(fù)電針治療后發(fā)現(xiàn)關(guān)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(fù)正常，而這些變化均可緩解關(guān)節(jié)炎性疼痛。2.2臨床應(yīng)用治療慢性疼痛Gadsby和Flowerdew對(duì)28個(gè)慢性背痛采用TENS、ALTENS治療進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)價(jià)，選擇了其中6個(gè)實(shí)驗(yàn)共288例研究為對(duì)象，其中四個(gè)實(shí)驗(yàn)的118例患者采用了TENS治療，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的30例患者采用ALTENS，其它140例患者采用安慰性治療作為對(duì)照組。Meta分析結(jié)果顯示實(shí)驗(yàn)組慢性背痛的患者疼痛明顯緩解，活動(dòng)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(shù)中疼痛的緩解Toyota等選擇45例ASA1~2級(jí)，將微創(chuàng)喉內(nèi)窺鏡手術(shù)的患者隨機(jī)分為三組：對(duì)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(kù)溴胺(0.1mg/kg)誘導(dǎo)后氣管插管，對(duì)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(duì)照組不同的是：芬太尼組麻醉誘導(dǎo)時(shí)加用芬太尼(2ug/kg)；TENS組麻醉誘導(dǎo)時(shí)加用TENS，直至手術(shù)結(jié)束。結(jié)果發(fā)現(xiàn)TENS組與對(duì)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(duì)照組。因此Toyota等認(rèn)為在微創(chuàng)喉內(nèi)窺鏡手術(shù)時(shí)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(dòng)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(jié)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(duì)心臟移植患者沒有影響。TENS對(duì)三組患者體循環(huán)的血流動(dòng)力學(xué)均無影響。所以他們認(rèn)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(kuò)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(dòng)脈壓和全身的血管阻力；在遠(yuǎn)期研究中，TENS治療組患者運(yùn)動(dòng)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(duì)周圍神經(jīng)損傷后再生的影響多年來，國(guó)內(nèi)、外學(xué)者根據(jù)不同類型的電刺激、多種病理模型以及多種檢測(cè)手段得出的大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，遠(yuǎn)端負(fù)極電流有促進(jìn)神經(jīng)再生的作用。神經(jīng)生長(zhǎng)實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)顫抖特性，同時(shí)把顫抖運(yùn)動(dòng)與自主運(yùn)動(dòng)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(yīng)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(hào)后進(jìn)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(gè)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(shí)應(yīng)用比較廣泛，但機(jī)制尚不完全明了。對(duì)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(jìn)一步增強(qiáng)尿道括約肌收縮，加強(qiáng)控尿能力；二是刺激神經(jīng)和肌肉，通過形成沖動(dòng)，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(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)報(bào)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(yīng)用另外該技術(shù)還應(yīng)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(yīng)用，且經(jīng)過驗(yàn)證，該方法有一定療效。功能性電刺激(FES)技術(shù)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(guān)注，尤其是最近幾年來，隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，該項(xiàng)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域。最近也是生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域研究的比較火熱的一個(gè)方向，國(guó)內(nèi)外的多支科研隊(duì)伍對(duì)FES本身及其相關(guān)的理論也一直在不斷地進(jìn)行拓展和完善。這其中就包括了電極使用方式和構(gòu)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(shù)參數(shù)作相應(yīng)敘述。3.3功能性電刺激的技術(shù)參數(shù)功能性電剌激在實(shí)際應(yīng)用中要根據(jù)應(yīng)用目的、患者病情、耐受度以及病程長(zhǎng)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(qiáng)度、刺激頻率、刺激包絡(luò)等。刺激方式根據(jù)功能性電刺激電路輸出信號(hào)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(jìn)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(diǎn)是可控性好，實(shí)現(xiàn)電路簡(jiǎn)單。電流刺激強(qiáng)度一致性好，但實(shí)現(xiàn)復(fù)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(gè)極性，永遠(yuǎn)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(gè)極性，在大于0的刺激相結(jié)束后,緊跟著一個(gè)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(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，可控性好，電路穩(wěn)定性好，故障率低。但有文獻(xiàn)報(bào)道單向刺激可能會(huì)造成電荷在組織中的積累效應(yīng)，容易導(dǎo)致疲勞；雙向剌激電路實(shí)現(xiàn)復(fù)雜,穩(wěn)定性較差。但其優(yōu)點(diǎn)是無電荷累積效應(yīng),肌肉不易疲勞。本文所述方法采用實(shí)現(xiàn)起來更為簡(jiǎn)單的單向波形。刺激強(qiáng)度功能性電刺激的強(qiáng)度是指刺激波形對(duì)時(shí)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(gè)參數(shù)的值就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)功能性電刺激強(qiáng)度的實(shí)時(shí)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(qiáng)度相等。但在實(shí)際應(yīng)用中，脈沖的幅度(PA)需要大于一定的閾值才能夠?qū)δ繕?biāo)肌肉形成有效的刺激進(jìn)而導(dǎo)致收縮。這個(gè)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(dāng)脈沖幅度大于閾值的前提下，兩者的調(diào)整對(duì)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(shí)現(xiàn)電路復(fù)雜，調(diào)整時(shí)間長(zhǎng)，實(shí)時(shí)性差；調(diào)整脈沖寬度的方法實(shí)現(xiàn)電路簡(jiǎn)單，利用脈寬調(diào)制(Pulsewidthmodulation，PWM)原理即可進(jìn)行精確實(shí)時(shí)有效的調(diào)整。刺激頻率刺激頻率是指單位時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的電剌激脈沖個(gè)數(shù)。例如，電刺激頻率為40Hz是指，1秒鐘產(chǎn)生40個(gè)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(huì)有一定上限，否則肌肉容易疲勞，效果不好。5、刺激包絡(luò)線刺激包絡(luò)或刺激包絡(luò)線(Envelope)是指功能性電刺激強(qiáng)度隨時(shí)問變化的曲線。注意此概念要與刺激波形區(qū)分開。其中強(qiáng)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(qiáng)度。由此可見，脈沖寬度越寬，則刺激強(qiáng)度越大；脈沖寬度越窄，則刺激強(qiáng)度越小?？偨Y(jié)和展望本文對(duì)神經(jīng)肌肉刺激(NMS)的兩個(gè)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(jī)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(shù)現(xiàn)今主要用于各種疼痛抑制治療，同時(shí)也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)該技術(shù)也可改善局部組織微循環(huán)，促進(jìn)神經(jīng)再生的作用；功能性電刺激技術(shù)應(yīng)用范圍相對(duì)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(dòng)能力方面作為一種常用手段，除此之外，近年來，F(xiàn)ES技術(shù)還被廣泛的應(yīng)用在泌尿輔助系統(tǒng)、呼吸輔助功能的應(yīng)用中。由此可以看出，神經(jīng)肌肉刺激廣大的研究?jī)r(jià)值和發(fā)展前景，特別是在康復(fù)治療這一領(lǐng)域有著舉足輕重的地位。當(dāng)然也存在著諸多需要進(jìn)一步加強(qiáng)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(jìn)一步完善。總之，神經(jīng)肌肉電刺激技術(shù)作為醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域中年輕而富有朝氣的一個(gè)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(shí)間，其成果也必將是巨大的。參考文獻(xiàn)[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