功能性電刺激研究在中國(guó)的回顧、現(xiàn)狀與展望

張定國(guó),朱向陽(yáng)

功能性電刺激(functional electrical stimulation,FES)的概念起源于上世紀(jì)60年代,最早用于矯正足下垂[1]。目前FES尚無(wú)精準(zhǔn)的定義,狹義的FES可理解為利用人工弱電流脈沖信號(hào)刺激癱瘓患者的骨骼肌,以期恢復(fù)喪失或受損的運(yùn)動(dòng)功能。廣義FES的對(duì)象不止是骨骼肌,而包括了可以被刺激的各種機(jī)體組織,如平滑肌、括約肌、耳蝸神經(jīng)、視覺(jué)神經(jīng)等?；謴?fù)的功能也不只是運(yùn)動(dòng)功能,還有包括諸如排尿、聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)、性功能等[2]。廣義FES外延太廣,幾乎涉及了所有的人工神經(jīng)電刺激,本文討論內(nèi)容以狹義FES為主,即與肌肉有關(guān)的電刺激,也稱(chēng)功能性肌肉刺激(FNS)或神經(jīng)肌肉電刺激(NMES)。歸根結(jié)底,FES最終刺激的目標(biāo)其實(shí)是神經(jīng),主要是與肌肉相關(guān)的周?chē)窠?jīng)。

FES是一個(gè)跨學(xué)科的交叉研究領(lǐng)域,涉及了神經(jīng)科學(xué)、生物力學(xué)、康復(fù)醫(yī)學(xué)、控制科學(xué)和電子工程等。早期的FES應(yīng)用基本以理療為主,憑借一個(gè)簡(jiǎn)單的電刺激器就可以完成。近些年隨著電子科技的發(fā)展,高級(jí)智能的FES系統(tǒng)成為研究主流,其目標(biāo)是輔助癱瘓患者實(shí)現(xiàn)日常運(yùn)動(dòng),日益凸現(xiàn)“功能性”的特點(diǎn)。從工程的角度看,一套完整的FES系統(tǒng)一般包括控制器、刺激器、刺激界面(電極)、傳感器和受試對(duì)象(癱瘓患者的肌肉系統(tǒng))。控制器是核心,相當(dāng)于人體神經(jīng)系統(tǒng)的大腦,一些先進(jìn)的控制算法可以賦予控制器強(qiáng)大的功能?？刂破髡{(diào)節(jié)刺激器產(chǎn)生電脈沖,通過(guò)電極刺激肌肉。電極大體上可分為表面電極和植入電極兩種,表面電極簡(jiǎn)單、方便、經(jīng)濟(jì),應(yīng)用較廣,但是準(zhǔn)確度和選擇性比較差。肌肉在電刺激下收縮,帶動(dòng)肢體運(yùn)動(dòng)。傳感器檢測(cè)有關(guān)運(yùn)動(dòng)信息,比如關(guān)節(jié)角度,與期望的關(guān)節(jié)角度進(jìn)行比較,反饋更新控制器。

1 發(fā)展?fàn)顩r

1.1 內(nèi)地 中國(guó)內(nèi)地的FES研究開(kāi)始于20世紀(jì)80年代。最早的文獻(xiàn)出現(xiàn)在1983年,系由古希晨翻譯的一篇國(guó)外論文[3]。最早的研究成果是鄭定光于1984年發(fā)布的FES-1功能性電刺激器[4],它是由上海第二醫(yī)學(xué)院、上海無(wú)線(xiàn)電二十一廠和浙江象山儀器廠共同研制的。早期比較有代表性的研究工作是由戴克戎等開(kāi)展的[5]。他們對(duì)277例癱瘓患者進(jìn)行了FES康復(fù)效果評(píng)估,使用的電刺激器是自制的MFNS-6和MCC-1。這些患者包括外傷性截癱188例,大腦性癱瘓9例,腦卒中后偏癱47例,小兒麻痹癥21例,其他 12例;年齡5～76歲;病程40 d～36年。在如此大范圍內(nèi)臨床評(píng)估FES康復(fù)效果,至今在國(guó)內(nèi)外都是不多見(jiàn)的。同期,植入式電刺激是由蔣大宗主持開(kāi)展,其工作更接近于神經(jīng)刺激的范疇,比如選擇性等問(wèn)題[6],希望利用FES技術(shù)解決某些截癱患者的排尿功能障礙。在動(dòng)物(犬)上已經(jīng)做了一些比較成功的實(shí)驗(yàn)[7],大致原理是通過(guò)電刺激骶神經(jīng)來(lái)控制逼尿肌和括約肌,協(xié)調(diào)收縮膀胱和尿道,完成排尿功能。在當(dāng)時(shí)的技術(shù)環(huán)境下,蔣大宗小組的成果在國(guó)際上有一定的影響。

為全面了解我國(guó)FES研究的發(fā)展歷史,我們利用“中國(guó)知識(shí)資源總庫(kù)(CNKI)”統(tǒng)計(jì)了從1980年以來(lái)發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn),包括期刊/會(huì)議論文、碩士/博士學(xué)位論文、專(zhuān)利,以及其他相關(guān)文章。檢索日期2010年4月,檢索式:“全文=功能性電刺激”,共檢索到1984篇;使用檢索式“關(guān)鍵詞=功能性電刺激”,共檢索到395篇。

統(tǒng)計(jì)顯示,1990年～2009年,每年發(fā)表的與FES相關(guān)的文獻(xiàn)數(shù)目分別為 30、16、20、33、21、28、30、34、42、48、83、88、102、102、124、139、197、249、248、233篇?？梢钥闯?FES 研究發(fā)展趨勢(shì)良好,尤其是近幾年文獻(xiàn)數(shù)目增長(zhǎng)很快。從2002年以后,FES相關(guān)的文獻(xiàn)基本穩(wěn)定在100篇以上。

中國(guó)的FES研究大部分以理療康復(fù)為主,即康復(fù)醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用研究占主流,如腦卒中康復(fù)[8-9]、截癱康復(fù)[10]、痙攣康復(fù)[11]、肌肉萎縮康復(fù)[12]等,這些研究基本都使用表面電刺激。我們比較關(guān)注FES系統(tǒng)的理論研究和設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。FES系統(tǒng)代表著科技發(fā)展水平,先進(jìn)的FES系統(tǒng)將會(huì)給醫(yī)院和患者帶來(lái)更大的方便和利益。當(dāng)然,FES系統(tǒng)不僅僅是作為一種單純的儀器設(shè)備在醫(yī)院里使用,最終目標(biāo)是要能輔助癱瘓患者實(shí)現(xiàn)在日常生活中的運(yùn)動(dòng),所以系統(tǒng)的研發(fā)和設(shè)計(jì)尤為重要。我國(guó)FES系統(tǒng)研發(fā)水平較低,文獻(xiàn)不多,近幾年明顯改善。

從2009年的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)來(lái)看,一共有233篇相關(guān)文獻(xiàn),真正與FES有密切關(guān)系的文獻(xiàn)大概有115篇,大體上包括4個(gè)研究方向:康復(fù)評(píng)估(63篇)、系統(tǒng)研發(fā)(23篇)、生理研究(12篇)和綜述(17篇)。其他類(lèi)文獻(xiàn)有118篇,包括了人工耳蝸、視覺(jué)假體、針灸電療等研究,這些都不是我們所指的FES。當(dāng)然還有其他大量誤檢索的文獻(xiàn)。我們發(fā)現(xiàn),FES系統(tǒng)研發(fā)的文獻(xiàn)占了總數(shù)的20%,幾乎是所占比例最高的一年。仍以2009年為例,這233篇文獻(xiàn)中,碩士和博士的學(xué)位論文有79篇,展示了FES擁有強(qiáng)大的科研新生力量和后備基礎(chǔ)。

同時(shí)我們專(zhuān)門(mén)調(diào)研了近些年關(guān)于FES系統(tǒng)的發(fā)明專(zhuān)利,這預(yù)示了FES系統(tǒng)未來(lái)走向產(chǎn)品化和市場(chǎng)化的潛力,檢索結(jié)果是大概有20個(gè)左右,而且全部都是近3年的發(fā)明專(zhuān)利。表明目前我國(guó)FES研究已經(jīng)從科研階段開(kāi)始走向市場(chǎng)應(yīng)用,前景廣闊。

清華大學(xué)的畢勝和竇惠英等研究了迭代算法來(lái)設(shè)計(jì)FES控制器,目的是控制下肢的往復(fù)循環(huán)運(yùn)動(dòng)[13-14]。哈工大姜洪源等在英國(guó)格拉斯哥大學(xué)Prof.Hunt小組的協(xié)助下開(kāi)展了FES腳踏車(chē)的研究,主要研究工作是關(guān)于FES控制算法(比如模糊PID算法和魯棒PID算法)和肌肉系統(tǒng)建模仿真,取得了一些成果[15-17]。天津大學(xué)明東等設(shè)計(jì)了一套基于12導(dǎo)聯(lián)應(yīng)變片電橋網(wǎng)絡(luò)的FES步行器測(cè)力系統(tǒng),利用危勢(shì)軌跡圖技術(shù)檢測(cè)步行器傾翻指數(shù),作為評(píng)估因子來(lái)直觀顯示截癱患者在行走過(guò)程中的步態(tài)穩(wěn)定性[18-19]。目前,腦機(jī)接口(brain-computer interface,BCI)技術(shù)發(fā)展迅猛,BCI與FES的結(jié)合應(yīng)用是研究的熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)與時(shí)俱進(jìn),也有了一些相關(guān)研究,如天津大學(xué)的王明時(shí)小組[20]、清華大學(xué)的高上凱小組[21]和上海交通大學(xué)的朱向陽(yáng)小組[22]已經(jīng)分別利用BCI對(duì)FES進(jìn)行控制,其基本原理是對(duì)腦電(EEG)信號(hào)進(jìn)行處理(特征提取、模式識(shí)別等技術(shù)手段),檢測(cè)癱瘓患者的想象運(yùn)動(dòng),作為觸發(fā)信號(hào)來(lái)控制FES。

近幾年海外回歸的學(xué)者,比如藍(lán)寧[23]、何際平[24]、張定國(guó)[25]、沙寧[26-27]等,在FES領(lǐng)域各自都有一些研究成果和貢獻(xiàn)。前3位主要是在FES的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及神經(jīng)肌肉系統(tǒng)建模與控制上有深入研究,后1位則在FES表面電極的設(shè)計(jì)上有貢獻(xiàn)。但這些成果大部分都是以前在國(guó)外取得的。

1.2 香港和臺(tái)灣 相比內(nèi)地來(lái)說(shuō),臺(tái)灣和香港的FES研究,尤其是系統(tǒng)研發(fā)方面,相對(duì)比較成熟。香港理工大學(xué)有比較深厚的基礎(chǔ),湯啟宇從20世紀(jì)90年代末開(kāi)始一直從事FES技術(shù)方面的相關(guān)研究[28],在香港理工大學(xué)成立了FES研究中心[29],與清華大學(xué)高上凱小組和浙江大學(xué)鄭筱祥小組分別有相關(guān)的合作。另外,Eric Cheng等研發(fā)了FES刺激器的硬件設(shè)計(jì)[30]。還有一些學(xué)者在FES康復(fù)效果評(píng)估進(jìn)行了比較出色的臨床研究[31-32]。

在臺(tái)灣,代表性的工作也不少。如張國(guó)清等利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計(jì)FES系統(tǒng)控制膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)[33];陳家軍等利用模糊邏輯控制FES腳踏車(chē)[34];陳健智等利用肌電(EMG)信號(hào)控制FES腳踏車(chē)[35];Chen等研發(fā)了一種多功能通用的 FES系統(tǒng)[36];Chen等研發(fā)了閉環(huán)控制的FES下肢步態(tài)訓(xùn)練系統(tǒng)[37]等。對(duì)于這兩個(gè)地區(qū)FES研究發(fā)展的總體情況,由于缺乏合適的數(shù)據(jù)庫(kù)支持,暫時(shí)無(wú)法獲取更為全面的信息。

2 總結(jié)與展望

本文回顧了近30年中國(guó)FES研究的發(fā)展情況,總體上發(fā)展勢(shì)頭良好,尤其是近幾年高級(jí)智能的FES系統(tǒng)研發(fā)實(shí)力日益增強(qiáng),技術(shù)上的進(jìn)步與提高將會(huì)促進(jìn)FES更為廣泛和有效的應(yīng)用。根據(jù)2006年第二次中國(guó)殘疾人抽樣檢查,我國(guó)大概有2412萬(wàn)肢體殘疾患者。而且我國(guó)已經(jīng)邁入了老齡化社會(huì),對(duì)于先進(jìn)的康復(fù)系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)的需求日益增加。研發(fā)面向醫(yī)院的FES康復(fù)理療系統(tǒng)是比較容易實(shí)現(xiàn)的目標(biāo),但研發(fā)面向生活、輔助癱瘓患者日常運(yùn)動(dòng)的FES系統(tǒng)卻是個(gè)長(zhǎng)期的目標(biāo),在國(guó)際上一直都是個(gè)難題。FES系統(tǒng)的控制源是關(guān)鍵,蓬勃發(fā)展的腦機(jī)接口技術(shù)為其提供了一個(gè)契機(jī)[38]。單純的FES系統(tǒng)有很多局限,最大的問(wèn)題是患者肌肉萎縮,難以產(chǎn)生足夠的力量支持運(yùn)動(dòng),所以與康復(fù)機(jī)器人相結(jié)合是未來(lái)發(fā)展的一個(gè)方向[39]。

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