神经肌肉刺激概述

1、神经肌肉电刺激技术现状的研究探索摘要：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 stimula

2、tion 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 reh

3、abilitation.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、引言神经肌肉电刺激（neuromuscular electrical stimulatio

4、n，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

5、皮电神经刺激(TENS)2.1 TENS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

6、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28

7、8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ASA12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(11.5%)笑气(66%)和氧气(3

8、3%)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

9、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(ne

10、rve 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TE

11、NS，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(FES)3.1 FES作用原理FES是利用一定强度的低频脉冲电流(100Hz以下，多为2050Hz)，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

12、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FE

13、S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Ba

14、rhtel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

15、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

16、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1545mA，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

17、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

18、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

19、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

20、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

21、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

22、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

23、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

24、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

25、力和时间，其成果也必将是巨大的。参考文献1Barbara M.Doucet,Amy Lam,Lisa Griffin.Neuromuscular electrical stimulation for skeletal muscle functionJ.American:US National Library of Medicine,2012.2Dirk G. Everaert, Richard B. Stein,etal.Effect of a Foot-Drop Stimulator and AnkleFoot Orthosis on Walking Performance After St

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