神经肌肉刺激技术现状的研究探索

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：Thispaperreviewedtherecentdevelopmentsconcerningthesituationaboutneuromuscularstimulationtechnologyathomeandabroadthroughaccesstorelevantliterature.AtfirstthearticleintroducedtheprinciplesandapplicationsaboutthetechniquesofneuromuscularstimulationwhichcontainsTENSandFES.AndtheTENStechnologyismainlyusedforpainrelief,theFESismainlyusedforrehabilitation.ThenintroducedtheparametersaboutFEStechnologywhichispopularnow.Atlast,pointedoutthelackofneuromuscularstimulationtechnology,andmadetheprospectsfortechnologythroughstudiedandsummarizedthestateofthetechnology.1、引言神经肌肉电刺激（neuromuscularelectricalstimulation，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（transcutaneouselectricalnervestimulation，TENS）和功能性电刺激（functionalelectricalstimulation，FES），本文就是从这两个方面介绍神经肌肉电刺激技术的。2、经皮电神经刺激(TENS)2.1TENS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288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。术中疼痛的缓解Toyota等选择45例ASA1~2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(1~1.5%)笑气(66%)和氧气(33%)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。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。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。神经生长实时预测颤抖特性，同时把颤抖运动与自主运动分离出来。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。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，采用电刺激治疗女性尿失禁的有效率在60%~80%之间。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。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。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。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(PulseWidth)，PA表示脉冲的幅度(PulseAmplitude)。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(Pulsewidthmodulation，PWM)原理即可进行精确实时有效的调整。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。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力和时间，其成果也必将是巨大的。参考文献[1]BarbaraM.Doucet,AmyLam,LisaGriffin.Neuromuscularelectricalstimulationforskeletalmusclefunction[J].American:USNationalLibraryofMedicine,2012.[2]DirkG.Everaert,RichardB.Stein,etal.EffectofaFoot-DropStimulatorandAnkle–FootOrthosisonWalkin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