應用小面積體表電極對穴位進行功能電刺激實現(xiàn)五指屈曲的實驗研究

高玉潔 張 兵 錢琴琴 高建蕓 呂曉迎? 王志功

1（東南大學生物電子學國家重點實驗室，南京 210096）

2（東南大學附屬中大醫(yī)院針灸科，南京 210009）

3（東南大學射頻與光電集成電路研究所，南京 210096）

應用小面積體表電極對穴位進行功能電刺激實現(xiàn)五指屈曲的實驗研究

高玉潔1張 兵1錢琴琴2高建蕓2呂曉迎1?王志功3?

1（東南大學生物電子學國家重點實驗室，南京 210096）

2（東南大學附屬中大醫(yī)院針灸科，南京 210009）

3（東南大學射頻與光電集成電路研究所，南京 210096）

為肢體癱瘓這一重大殘障疾病的康復治療探索一種生物醫(yī)學工程技術。根據(jù)首次提出的針灸結合肌電橋治療中風偏癱的新思路，采用小面積體表電極，選取10名健康志愿者（5男5女），通過對每位志愿者上肢216組穴位組合進行功能電刺激，確定控制五指屈動作的最佳刺激穴位組合。實驗發(fā)現(xiàn)，5對實現(xiàn)五指屈曲的最佳穴位組合，其電流閾值均小于10 mA，指屈動作完成率為100%，舒適率在90%以上，其他指屈無反應率在80%以上。相對于傳統(tǒng)在肌肉上進行功能電刺激控制五指指屈的方法，對穴位進行功能電刺激，刺激電流小，動作純凈度更高，刺激位點定位更容易，為進一步開展偏癱患者以自身健康五指動作帶動癱側五指動作的臨床試驗打下基礎。

體表電極；經(jīng)絡穴位；微電子肌電橋；功能電刺激；癱瘓康復治療

引言

根據(jù)第六次全國人口普查以及第二次全國殘疾人抽樣調(diào)查結果，推算出2010年末我國殘疾人總人數(shù)為8 502萬人，其中肢體殘疾2 472萬人，約占總殘疾人數(shù)的30%［1-2］。如何盡快幫助這類患者恢復或部分恢復癱瘓肢體的運動功能，提高癱瘓肢體的運動能力，對于提高他們的生活質(zhì)量、減輕家庭和社會負擔，都具有極其重要的科學意義與臨床實際應用價值。

本課題組基于信號再生和功能重建原理在國際上首次提出“肌電橋”的發(fā)明專利，并自行研制出了一套“微電子肌電橋”肢體運動功能重建系統(tǒng)——MENB-II-02型癱瘓肢體運動功能重建儀［3］。臨床試驗表明，使用肌電橋系統(tǒng)，可以實現(xiàn)肢體癱瘓患者自身健康肢體或其家屬輔助帶動癱瘓肢體進行運動，達到癱瘓肢體運動功能直接現(xiàn)場重建的療效［4-5］。但要實現(xiàn)癱瘓肢體的多自由度受控動作，需要發(fā)現(xiàn)探測和刺激電極在體表的定位方法。

針灸是我國傳統(tǒng)醫(yī)學的重要組成部分，治療肢體癱瘓的歷史源遠流長［6］。而電針作為針刺和現(xiàn)代科技融合的產(chǎn)物，在我國及韓國、日本等東亞國家已被廣泛應用于腦卒中及其后遺癥偏癱的治療。臨床研究表明，針灸及電針能夠有效促進癱瘓肢體運動功能的康復［7-10］。

傳統(tǒng)的針刺技術具有微創(chuàng)、精準的特點，同時對于人體各條經(jīng)絡、各個穴位的空間位置已有國家和國際標準，得到廣泛接受和應用，然而，傳統(tǒng)針灸對癱瘓肢體的治療缺乏“針進肢動”的現(xiàn)場效果。

因此，將電針與肌電橋的優(yōu)勢相結合，采用針刺穴位的方式，將肌電橋系統(tǒng)再生的信號輸送到癱瘓肢體，實現(xiàn)癱瘓患者的健側肢體帶動癱瘓肢體運動，達到癱瘓肢體運動功能重建的目的，是一條完全創(chuàng)新的思路。目前，該思路的可行性已在動物實驗上取得了初步的驗證。

手是人類用以改造世界的工具，偏癱后手部功能的重建對患者康復十分重要。因此，本研究的目的是采用小面積體表電極對健康志愿者上肢相關穴位進行功能電刺激，以確定控制五指指屈動作的最佳刺激穴位組合，為進一步借助肌電橋和針灸療法開展患者自身健康肢體運動帶動癱側肢體五指動作的臨床試驗打下基礎。

1 原理與方法

1.1 實驗原理

針灸療法是建立在中醫(yī)經(jīng)絡穴位學說基礎上的治病方法。由于人體各條經(jīng)絡和各個穴位的空間位置已有國家和國際標準，針灸療法具有統(tǒng)一的規(guī)范。本課題組把肌電橋的生物醫(yī)學工程技術與已建立標準的針灸醫(yī)術相結合，一方面推動癱瘓肢體動作功能受控重建操作方法標準化的進程，另一方面為傳統(tǒng)的針灸療法注入新的活力，由此，提出了“一種基于穴位功能電刺激的癱瘓肢體運動功能重建方法”的發(fā)明專利思想［11］。為此，本研究采用小接觸面積的體表電極，按穴位定位粘貼，通過功能電刺激，確定控制五指指屈動作的最佳刺激穴位組合，達到受控手指和諧屈曲的效果。

1.2 電極選擇

本研究的前期實驗發(fā)現(xiàn)，體表電極面積越小，對穴位的選擇性和靈敏程度越高［12］。穴位的體表面積直徑為2～3.5 cm［13］，故體表電極選擇直徑約為2.2 cm的圓形無紡布自黏附電極，能夠覆蓋成人手臂上的單個穴位點且不易影響其他穴位點，電極照片如圖1所示。

圖1 直徑2.2 cm的圓形無紡布自黏附電極Fig.1 The 2.2 centimeter in diameter round non-woven hydrogel electrode

1.3 刺激脈沖信號波形

實驗采用如圖2所示的單向刺激脈沖信號，脈沖波形由可編程多通道刺激儀Master-9（以色列AMPI公司）生成，通過ISO-Flex刺激隔離器輸出恒流信號作用于人體。初始信號參數(shù)設定重復率為50 Hz，脈寬為400 μs，負向脈沖電流幅值為5 mA［14］（小于人體安全電流10 mA）。

圖2 刺激脈沖信號波形Fig.2 Stimulus pulse series

1.4 實驗對象

人體手臂共分布有6條經(jīng)絡，考慮到手少陰心經(jīng)穴位分布主要集中于手腕，故舍棄，因此實驗在剩余的5條經(jīng)絡上進行，對應到各個手指均分布有1條經(jīng)絡。由于實驗控制五指指屈，因此選擇受控手指對應經(jīng)絡上的小臂及手掌范圍的穴位作為刺激及參考位點，具體分布情況如圖3和表1所示［15］。共有10例健康志愿者參與實驗，5男5女，年齡范圍在23～26歲。

圖3 人體五指的經(jīng)絡分布。（a）左手正面，（b）右手反面Fig.3 The image of meridian distribution in five fingers.（a）palm side；（b）opisthenar side

表1 人體五指的經(jīng)絡穴位分布情況Tab.1 The meridian and points distribution of five fingers

2.5 實驗方法與步驟

步驟1：固定刺激電極的位置于小臂近心端，按照從小臂近心端到遠心端的順序，依次改變參考電極的位置。使用前述刺激脈沖信號，對各個穴位組合進行穴位電刺激，不斷改變刺激脈沖信號的電流幅值，觀察和記錄刺激脈沖信號的電流幅值、被控制手指的指屈動作情況、其他4個手指和手腕的反應以及志愿者被刺激時的舒適度感覺。

步驟2：按照從小臂近心端到遠心端的順序依次改變刺激電極的位置，重復進行步驟1。每改變一次刺激電極位置，休息一段時間，放松手指，避免連續(xù)實驗造成志愿者手指疲勞影響實驗結果。

在5條經(jīng)絡上，按照步驟1、2中穴位組合進行刺激。實驗選取了手太陰肺經(jīng)6個穴位、手陽明大腸經(jīng)9個穴位、手厥陰心包經(jīng)6個穴位、手少陽三焦經(jīng)7個穴位、手太陽小腸經(jīng)7個穴位，共5條經(jīng)絡上的35個穴位點，如表1所列，得到216組穴位組合。在每對穴位上施加不同幅值的刺激信號，記錄實驗結果。

2 結果

實驗中發(fā)現(xiàn)，有的穴位組合不能實現(xiàn)指屈動作，有的穴位組合使志愿者有嚴重的刺痛感，因此舍棄上述穴位組合，記錄能實現(xiàn)指屈動作且沒有嚴重刺痛感的這部分穴位組合。由于篇幅所限，這里僅列出人體5個手指中最重要的兩個手指——拇指及食指的實驗結果，剩余中指、無名指及小指實驗方法和分析方法均與拇指和食指相同。

表2、3分別為具有代表性的某一志愿者控制拇指和食指進行指屈動作的部分實驗結果，其中指屈動作的角度在均為10及以上。在表2中，首先刺激的部位為魚際穴，參考部位分別為尺澤、孔最、列缺、經(jīng)渠、太淵，依次測量記錄出對應指屈動作閾值、其他手指反應、受試者感覺情況。對比表2中各個穴位組合可知，當刺激為魚際、參考為尺澤時，指屈效果最佳；后將尺澤與魚際的小電極位置互換，此時刺激閾值增大，其他指標并無變化，因此選擇魚際和尺澤作為拇指最佳穴位組合。在表3中，刺激部位為合谷穴，參考部位分別為曲池、手三里、上廉、下廉、溫溜、偏歷、陽溪，后將參考部位選為合谷，刺激部位依次為陽溪、溫溜；對比各個穴位組合可知，當刺激選為為陽溪、參考為合谷時，對應的指屈指標最佳，互換陽溪和合谷電極位置，除刺激閾值增大外其他指標均無變化，因此選擇陽溪和合谷作為食指最佳穴位組合。按照刺激脈沖信號電流閾值、指屈動作的成功率、其他肢體（包括其他4個手指和手腕）在手指進行指屈動作時的反應以及刺激時志愿者的舒適度感覺等4項評價標準，將10例志愿者控制五指進行指屈動作的實驗數(shù)據(jù)進行了匯總整合。

表2 某一志愿者控制拇指進行指屈動作的部分實驗結果Tab.2 The results of controlling a volunteer’s thumb to flex

表3 某一志愿者控制食指進行指屈動作的部分實驗結果Tab.3 The results of controlling a volunteer’s forefinger to flex

表4所示的是10例志愿者控制拇指進行指屈動作的部分匯總統(tǒng)計結果，即在刺激部位為魚際、尺澤，參考部位分別為尺澤、孔最、列缺、經(jīng)渠、太淵、魚際穴等穴位時，對應的平均刺激電流脈沖閾值、動作成功率、其他肢體無反應率、舒適率4項指標（動作成功率為10例志愿者在對應刺激脈沖信號的控制下能夠實現(xiàn)拇指指屈動作的成功率，其他肢體無反應率為10例志愿者在控制拇指進行指屈動作時其他4個手指和手腕不發(fā)生反應的成功率，舒適率為控制拇指進行指屈動作時受試者無明顯不舒適感覺的成功率）。按照4項評價標準進行比較，當刺激穴位選取魚際、參考穴位選取尺澤（穴位配對編號1）時，可以使用較小電流閾值的刺激脈沖信號來控制人體拇指進行指屈動作，且控制拇指指屈動作的成功率較高，其他4個手指和手腕均不會被動產(chǎn)生反應，志愿者也不會因脈沖刺激產(chǎn)生明顯不舒適的感覺。

表4 10例志愿者控制拇指進行指屈動作的匯總統(tǒng)計結果Tab.4 Thestatisticalresultsofcontrolling 10 volunteers’thumb to flex

表5所示的為10例志愿者控制食指進行指屈動作的部分匯總統(tǒng)計結果，即刺激部位為合谷、陽溪、溫溜，參考部位分別為曲池、手三里、上廉、下廉、溫溜、偏歷、陽溪、合谷所對應的平均刺激電流脈沖閾值、動作成功率、其他肢體無反應率、舒適率4項指標。

表5 10例志愿者控制食指進行指屈動作的匯總統(tǒng)計結果Tab.5 The statistical results of controlling 10 volunteers’forefinger to flex

當刺激穴位選取合谷穴、參考穴位選取陽溪穴（位點組合7）時，可以使用較小電流閾值的刺激脈沖信號來控制人體食指進行指屈運動，且控制食指指屈運動的成功實現(xiàn)率較高，其他4個手指和手腕均不會被動產(chǎn)生反應，志愿者也不會因為脈沖刺激產(chǎn)生明顯不舒適的感覺。相比較而言，其他位點組合均存在一定的劣勢。

按照與拇指和食指相同的數(shù)據(jù)處理分析方法，可以得到中指、無名指及小指的控制人體進行指屈動作的最佳刺激穴位組合。表6匯總了實驗結果以及各個穴位組合的位置照片，表7匯總了10例志愿者RF五指指屈最佳組合位點對應的4項評價指標統(tǒng)計結果。日常生活中使用率較高的拇指、食指及無名指的動作實現(xiàn)成功率、其他肢體無反應率及舒適率都達到100%，具有普適性；中指和小指的動作實現(xiàn)率為100%，其他肢體無反應率分別為90%及80%，即少數(shù)志愿者出現(xiàn)無名指和小指帶動其他手指運動，考慮平時健康人無名指和小指運動亦會出現(xiàn)這種現(xiàn)象，因此實驗中刺激單個手指運動的純凈度相對較高，亦具有普適性；舒適率分別為90%及100%，即少數(shù)志愿者在刺激無名指最佳組合穴位運動時會感到不適?？刂迫梭w五指進行指屈運動的刺激脈沖信號的平均電流閾值在4～7mA之內(nèi)，具體實驗時由于各個志愿者肢體組織結構的差異，刺激脈沖信號電流閾值會有一定的差別，但由前述統(tǒng)計數(shù)據(jù)證實，能夠成功控制人體五指進行指屈運動 的最高刺激脈沖信號電流閾值小于10mA。

表6 控制人體五指進行指屈動作的最佳刺激位點組合匯總Tab.6 The summary table of the best stimulation points about five fingers′flexion

表7 10例志愿者五指指屈最佳組合位點對應的4項評價指標統(tǒng)計結果Tab.7 The statistic results of 4 indicators correspongding to the best stimulation sites of five fingers’flexion from 10 volunteers

3 討論

由于實驗需要在每位志愿者的216對組合穴位上進行多次刺激，因此選擇小面積體表電極作為刺激電極代替針灸針，避免了對志愿者造成傷害，同時兼顧了實驗中穴位要求的選擇性和特異性。

最終通過對10名志愿者小臂上穴位組合進行刺激，根據(jù)運動成功實現(xiàn)率、其他肢體無反應率、舒適率、平均刺激脈沖電流閾值這4項指標，挑選出5組最佳穴位刺激組合，能分別控制拇指、食指、中指、無名指及小指的指屈動作。

對以上4個指標進行分析討論。由運動實現(xiàn)成功率指標可知，五指對應的5組穴位組合均能良好地實現(xiàn)指屈動作；其他肢體無反應率則表明，在拇指、中指及無名指均可特異性彎曲而不影響其他手指動作，少數(shù)志愿者會出現(xiàn)小指或中指運動帶動無名指的動作（正常人運動也可能會出現(xiàn)這種情況）；舒適度的統(tǒng)計反映，極少數(shù)的志愿者在刺激中指時會出現(xiàn)不舒適感；五指的平均刺激脈沖電流閾值均小于10mA。

除了食指對應的合谷和陽溪這一穴位組合外，在其余4指分別對應的4組穴位組合中，刺激電極越是靠近手指末梢的穴位點，所需控制指屈的刺激電流閾值越小，舒適度和無其他動作率越高，可參照表4中拇指的穴位組合魚際和尺澤進行比較。在食指對應的最佳穴位組合位點中，刺激位點為合谷時的舒適度要高于陽溪為刺激位點的舒適度，但是前者刺激閾值高于后者，可能是合谷穴處于控制指屈的神經(jīng)，或者肌肉處于較深層的位置。

完成指屈動作的電流刺激要高于刺激閾值，但同時要避免刺激電流過大。因為實驗發(fā)現(xiàn)，隨著刺激電流的增大，表面電極電流密度增大，穴位會逐漸出現(xiàn)痛感。

另外，在對穴位進行刺激時，多個靠近腕部的穴位（列缺、經(jīng)渠、太淵、大陵、陽谷等）容易出現(xiàn)刺痛感，由此可知表面電極正下方到骨頭的皮層越薄，越容易出現(xiàn)刺痛感，因此在實際操作中應盡量避免貼近骨頭的穴位。

研究表明，人體55%的穴位位于肌肉群，被或淺或深的筋膜包裹，71%的穴位是肌肉觸發(fā)點。在對8個成人尸體、49個上肢及24個下肢研究后得出結論：323個穴位和神經(jīng)相關，304個位于淺層皮膚神經(jīng)，170個穴位與深層神經(jīng)相關［16］。因此，通過刺激穴位來控制五指指屈，很大程度是因為影響了人體的神經(jīng)及肌肉群；刺激某些穴位會引發(fā)強烈的刺痛感，也可能與神經(jīng)及肌肉觸發(fā)點有關［17-18］。

相對于傳統(tǒng)在肌肉上進行功能電刺激控制五指指屈的方法［14］，對穴位進行功能電刺激基本可以單純實現(xiàn)單個手指的指屈；需用更小電極及刺激電流，有利于儀器的小型化；更易定位，易于推廣。因為穴位的確定是基于骨度折量定位法，在國家標準《經(jīng)穴部位》中有明確表示［12，14］。

4 結論

為推動癱瘓肢體運動功能受控重建操作方法的標準化，并為傳統(tǒng)的針灸療法注入新的活力，本課題組開展了利用小面積體表電極對穴位實施電刺激的人體五指屈曲動作實驗研究，確定了控制人體五指進行指屈動作的最佳刺激穴位組合。研究表明，利用小面積體表電極刺激相應的穴位，可以有效控制人體五指進行獨立的指屈動作。今后將會進一步結合“微電子肌電橋”系統(tǒng)，應用電針在指屈動作最佳刺激穴位組合上進行電刺激，實現(xiàn)五指指屈動作，并進行肢體癱瘓患者自身或其家屬的健康五指帶動患者五指進行指屈動作的臨床實驗，實現(xiàn)癱瘓患者控制自身五指完成部分精細手部抓握動作，幫助他們盡快恢復肢體運動功能。

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Experimental Research of Finger Flexion Control Based on Functional Electrical Stimulation（FES）with Small-Area Surface Electrodes on Acupoints

Gao Yujie1Zhang Bing1Qian Qinqin2Gao Jianyun2Lv Xiaoying1?Wang Zhigong3?

1（State Key Laboratory of Bioelectronics，Southeast University210096Nanjing，China）

2（Department of Acupuncture-Moxibustion，Zhongda Hospital，Southeast University，210009Nanjing，China）

3（Institute of RF-＆OE-ICs，Southeast University，210096Nanjing，China）

The aim of this research is to explore a biomedical engineering technique which can rebuild the flexion function of the five fingers of the paralyzed upper limb.Based on the patented concept of electromyographic bridge（EMGB）and combined the Chinese traditional medical skill of acupuncture，this study selects 10 volunteers（five men and five women）and uses small area surface electrodes on upper limb 216 pairs of acupoints of each healthy volunteer for functional electrical stimulation（FES）on skin surface to test the best stimulation sites of five fingers’flexion.The five pairs of acupoints found for five finger flexion in the experiment.The current threshold is less than 10mA，the success rate of finger flexion is 100%，the purity rate of single finger flexion is over 80%，and the rate of comfort degree is over 90%.Compared with traditional FES，this way needs less current，has higher purity of five finger flexion and has a standard location rule which lays a foundation for clinical trials of patients’healthy fingers driving paralytic fingers to flex.

surface electrode；acupuncture and acupoints；electromyographic bridge（EMGB）；functional electrical stimulation（FES）；paralysis rehabilitation

R318 文獻標志碼：A 文章編號：0258-8021（2017）05-0596-06

10.3969 /j.issn.0258-8021.2017.05.012

2016-04-15，錄用日期：2017-03-06

江蘇省2013年科技支撐計劃（社會發(fā)展）（BE2013706）

?通信作者（Corresponding author），E-mail：luxy@seu.edu.cn，zgwang@seu.edu.cn