多通道功能性電刺激在臨床康復(fù)中的應(yīng)用及研究進(jìn)展

功能性電刺激(functional electrical stimulation,FES)是使用低頻電刺激手段、精確的刺激順序及刺激強(qiáng)度激活失神經(jīng)控制的輕癱或者癱瘓的肌肉群，達(dá)到改善或者恢復(fù)被刺激肌肉或者肌群功能，來幫助病患提高日常生活活動能力[1]。其工作原理：微量低頻脈沖電流經(jīng)皮刺激由于高位中樞神經(jīng)障礙而引起的信號傳輸通路受到阻礙而失去中樞神經(jīng)控制的肌肉或者肌群，帶動相應(yīng)骨骼肌控制的關(guān)節(jié)按照常規(guī)的規(guī)律產(chǎn)生運(yùn)動功能。自二十世紀(jì)60年代開始，美國專家Liberson成功地使用低頻電流刺激腓總神經(jīng)支配的脛骨前肌，改善偏癱患者的足下垂提高步態(tài)功能之后，經(jīng)過50多年的技術(shù)創(chuàng)新及發(fā)展，F(xiàn)ES已經(jīng)成功的應(yīng)用到腦卒中患者運(yùn)動功能的提高及恢復(fù)，高位癱瘓患者的手功能、站立及行走等功能、輔助呼吸、排泄、心臟起搏及聾人聽覺功能等。而現(xiàn)今的臨床康復(fù)治療中應(yīng)用的FES多以單通道或雙通道為主，大量研究表明，F(xiàn)ES是安全、簡單、有效的可以恢復(fù)、重建癱瘓肢體神經(jīng)肌肉功能的一種治療方法[2-4]。但發(fā)現(xiàn)近年以來，關(guān)于康復(fù)中應(yīng)用多通道FES的文獻(xiàn)報告不斷遞增[5-7]。

1 多通道功能性電刺激的介紹

1.1 多通道功能性電刺激的概念 查閱國內(nèi)外FES相關(guān)的文獻(xiàn)，迄今尚未找到多通道FES的精準(zhǔn)概念[8]。多通道FES是應(yīng)用交替刺激時序的低頻脈沖電流刺激、集中、強(qiáng)化癱瘓的肌肉群，進(jìn)行肢體運(yùn)動功能訓(xùn)練的一種康復(fù)療法。近年來其在康復(fù)輔助治療中對中樞神經(jīng)肢體癱瘓類疾病預(yù)后改善、提高臨床療效方面取得了良好效果[9]。此文就多通道FES及其在臨床康復(fù)中的應(yīng)用及研究進(jìn)展做一綜述，為其在臨床康復(fù)中的應(yīng)用及機(jī)制機(jī)理研究提供參考依據(jù)。

1.2 多通道功能性電刺激的優(yōu)點(diǎn) 一般人體每個功能性動作產(chǎn)生需要多個關(guān)節(jié)及多組肌群的協(xié)調(diào)性控制和準(zhǔn)確性運(yùn)動，通常傳統(tǒng)FES所引起肢體產(chǎn)生的是針對一個關(guān)節(jié)或一組肌群的分離運(yùn)動模式[10-11]，而多通道FES是通過預(yù)先設(shè)定好的程序，實(shí)現(xiàn)對各肢體輸出通道的協(xié)調(diào)性控制[12]。工作時多通道FES各個輸出通道的刺激參數(shù)都可各自調(diào)整，可實(shí)現(xiàn)對多組肌群產(chǎn)生低頻電刺激，產(chǎn)生多組肌群、多個關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)性功能性活動，而且保證各個通道之間互不干擾，相互獨(dú)立；治療過程中，各通道都按照協(xié)調(diào)好的正常肌群收縮次序和時長刺激相應(yīng)的肌群，誘導(dǎo)肢體產(chǎn)生正常的協(xié)調(diào)性運(yùn)動。如基于人體正常行走模式的四通道FES，工作時按照人類正常的行走模式及調(diào)整好的正常時序刺激股四頭肌、腘繩肌、脛前肌、小腿三頭肌，使癱瘓的患肢產(chǎn)生正常的行走樣動作[13]。此種多通道FES產(chǎn)生多關(guān)節(jié)活動、刺激多組肌群的康復(fù)治療符合人體功能性活動規(guī)律，可以更好地提高癱瘓肢體的運(yùn)動功能[14]。

2 多通道功能性電刺激的作用機(jī)制

多通道FES的作用機(jī)制和傳統(tǒng)FES比較，兩者都要求治療的癱瘓肢體在解剖上周圍神經(jīng)傳導(dǎo)通路具有完整性，即由中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷引起的肢體運(yùn)動功能障礙，而對周圍神經(jīng)傳導(dǎo)通路不具備完整性的周圍神經(jīng)損傷引起的肢體癱瘓，多不能發(fā)揮效果[15]。同時FES誘導(dǎo)癱瘓肢體產(chǎn)生的重復(fù)性、主動性、具有任務(wù)導(dǎo)向性及近于正常運(yùn)動模式的活動，也可使關(guān)節(jié)本體感覺得到提高，使患肢肌肉信息的輸入得到增強(qiáng)，為機(jī)體提供更好的運(yùn)動視覺反饋，提高靶肌肉群的運(yùn)動能力，從而可促進(jìn)大腦的可塑性[16-18]。FES誘導(dǎo)癱瘓肢體產(chǎn)生反復(fù)的功能性運(yùn)動，符合“強(qiáng)制性使用”理論，癱瘓肢體的強(qiáng)制性運(yùn)動療法可促進(jìn)大腦相應(yīng)區(qū)域的功能重組，使腦部運(yùn)動活性增強(qiáng)，從而也可提高大腦的可塑性[19]。至于FES對骨骼、肌肉、神經(jīng)、血管、內(nèi)分泌的分子生物學(xué)機(jī)制研究有限[20]，有待開展更多的研究。

3 多通道功能性電刺激在相關(guān)疾病康復(fù)中的應(yīng)用

3.1 多通道功能性電刺激在腦卒中康復(fù)中的應(yīng)用 在中國每年大約有250余萬新發(fā)的腦卒中患者，而且發(fā)病率還呈現(xiàn)出逐年上升趨勢[21-22]。很多循證醫(yī)學(xué)研究表明，癱瘓后的肢體經(jīng)過重復(fù)的、主動的、任務(wù)導(dǎo)向性的運(yùn)動作用，對提高大腦的可塑性具有重要意義[11，23]。在二十世紀(jì)60年代，腦卒中臨床康復(fù)開始應(yīng)用FES，主要是為了替代中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷致使喪失對肢體運(yùn)動功能的支配，從某種意義上說把其當(dāng)做一種特殊的“支具”來使癱瘓肢體的功能性運(yùn)動提高、改善。

3.1.1 多通道功能性電刺激在腦卒中上肢康復(fù)中的應(yīng)用 通過多通道FES改善腦卒中患者偏癱上肢的運(yùn)動功能，而對肩關(guān)節(jié)脫位或者半脫位的癥狀可以有效預(yù)防[24-25]。腦卒中后偏癱患者的上肢常通常表現(xiàn)為以屈肌痙攣為主的異常運(yùn)動模式，嚴(yán)重影響患側(cè)手的抓握和上肢伸屈取物等功能性運(yùn)動，且恢復(fù)過程較慢，甚至不能恢復(fù)。腦卒中患者的上肢運(yùn)動功能要通過多通道FES達(dá)到正常的運(yùn)動模式，從而進(jìn)行正常的功能性活動的治療效果，就必須重新建立對偏癱側(cè)上肢的控制。有學(xué)者正是基于此種正常運(yùn)動模式的理念，設(shè)計(jì)了一款多通道FES，使其可以誘導(dǎo)癱瘓肢體產(chǎn)生功能性運(yùn)動[26]。許多科研工作者應(yīng)用FES對腦卒中患者偏癱側(cè)肢體功能重建進(jìn)行了大量的臨床研究[27-28]，多集中在對患肢伸肌肌群，如伸腕、伸肘、伸指等肌群進(jìn)行低頻電刺激。研究表明多通道FES可以使肌肉收縮加強(qiáng)，協(xié)助調(diào)整主動肌、拮抗肌之間的收縮舒張能力，改善異常的肢體痙攣運(yùn)動模式，促進(jìn)正常運(yùn)動模式的輸入，從而提高偏癱側(cè)肢體的運(yùn)動功能。

3.1.2 多通道功能性電刺激在腦卒中下肢康復(fù)中的應(yīng)用 腦卒中后患側(cè)下肢的運(yùn)動功能障礙是影響患者功能恢復(fù)及生活質(zhì)量最主要因素[29]。腦卒中患者通常伴有肌力、肌張力、感覺、運(yùn)動異常，主動控制、平衡協(xié)調(diào)功能較差，由此產(chǎn)生多種異常的運(yùn)動模式，從而致使腦卒中患者無法實(shí)現(xiàn)正常步態(tài)[30]。二十世紀(jì)70年代后期，國外研究者開始使用FES改善腦卒中患者偏癱側(cè)下肢足下垂[31]，使患者的站立、行走運(yùn)動功能得到提高，但研究對象最初大多是恢復(fù)期患者。大量文獻(xiàn)研究報道，發(fā)病后最初3個月的腦卒中患者，由于人體的自我恢復(fù)及康復(fù)治療干預(yù)作用，患側(cè)的運(yùn)動功能得到較快恢復(fù)。由此較多專家學(xué)者提出在患者生命體征平穩(wěn)后就可及早介入康復(fù)治療，這也符合人體疾病的恢復(fù)規(guī)律。由此FES逐步被用于腦卒中急性期病情平穩(wěn)后下肢運(yùn)動功能恢復(fù)的康復(fù)臨床研究[32-33]。隨著多通道FES臨床康復(fù)研究的開展[34-37]，腦卒中患者偏癱側(cè)多通道FES聯(lián)合運(yùn)動訓(xùn)練，患者的功能性活動能力和肢體的運(yùn)動控制能力得到改善及提高。由此可見多通道FES具有強(qiáng)力改善異常步態(tài)，且療效持續(xù)時間較長的優(yōu)勢。國內(nèi)有研究表明[38]，多通道FES輔助踏車系統(tǒng)對腦卒中后的患肢運(yùn)動功能恢復(fù)有顯著療效。陳丹鳳等[39]的研究探討了多通道FES對腦卒中患者腦部纖維束的定性改變來分析神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)損害對患側(cè)下肢運(yùn)動功能的影響和特點(diǎn)，研究發(fā)現(xiàn)強(qiáng)化、早期的多通道FES配合早期康復(fù)治療，能明顯改善腦卒中患側(cè)下肢的運(yùn)動功能及平衡功能。也有研究對恢復(fù)期腦卒中患者采用多通道FES四肢聯(lián)動結(jié)合常規(guī)康復(fù)訓(xùn)練進(jìn)行康復(fù)治療[40]，提出多通道FES結(jié)合四肢聯(lián)動訓(xùn)練可有效改善腦卒中患側(cè)下肢運(yùn)動功能，患者的站立、步行能力得到提高，對患者ADL的提高也有重要意義。研究多通道FES對腦卒中步行試驗(yàn)和核磁共振彌散張力成像(DTI)掃描結(jié)果的影響[41]，發(fā)現(xiàn)DTI掃描可見腦部病灶區(qū)域水腫范圍明顯減小，可見到增大增粗、顏色加深的白質(zhì)纖維束，并指出多通道FES是目前康復(fù)治療腦卒中偏癱側(cè)肢體運(yùn)動功能障礙較為操作方便的新型康復(fù)方法，對提高患側(cè)肢體運(yùn)動能力，改善日常生活質(zhì)量效果顯著。近期符合運(yùn)動控制理論的研究亦發(fā)現(xiàn)[42]，具有持續(xù)治療效果時間長，改善步態(tài)能力強(qiáng)等優(yōu)勢特點(diǎn)的多通道FES配合早期康復(fù)訓(xùn)練，符合功能性運(yùn)動的要求，使癱瘓側(cè)下肢產(chǎn)生行走樣動作，能使腦卒中偏癱患者下肢的運(yùn)動功能得到顯著改善，而下肢的運(yùn)動功能改善有助于ADL能力的提高，降低的致殘率。通過四通道FES治療可以使腦卒中患者重新喚起正確的步態(tài)，達(dá)到強(qiáng)制性應(yīng)用及運(yùn)動再學(xué)習(xí)的目的。多通道FES結(jié)合減重平板訓(xùn)練可顯著提高腦卒中患者的平衡協(xié)調(diào)、步行及ADL能力，有效改善患肢功能[43]。

3.2 多通道功能性電刺激在脊髓損傷康復(fù)中的應(yīng)用 脊髓損傷(spinal cord injury,SCI)是指由于外力或者疾病等因素所造成的脊髓結(jié)構(gòu)損傷及功能的喪失，從而導(dǎo)致?lián)p傷平面及以下的運(yùn)動、感覺及自主神經(jīng)功能發(fā)生了異常改變，是臨床上有嚴(yán)重危害的中樞神經(jīng)系統(tǒng)急性病損，醫(yī)學(xué)的進(jìn)步，科技的提高，使SCI治療后存活率及存活時間顯著增加，從而提高了此病的致殘率?，F(xiàn)今尚無脊髓損傷完全治愈的有效手段，防治脊髓損傷后的并發(fā)癥的措施也十分有限。所以探索用不同的康復(fù)方法及新技術(shù)去替代或修復(fù)損傷后的脊髓是脊髓功能重建的發(fā)展趨勢。脊髓損傷之后軸突正確連接是中樞神經(jīng)功能恢復(fù)的前提，軸突的生長朝向正確的方向，由此建立功能性連接，需要聯(lián)系的結(jié)構(gòu)性及重新學(xué)習(xí)獲得信息通路，也需要適當(dāng)?shù)奈锢硇酝獠看碳砟M局部神經(jīng)發(fā)育過程以及生長的微環(huán)境狀態(tài)。模擬再生環(huán)境的FES對脊髓損傷有顯著的治療作用。目前在中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷不可逆的情況下，F(xiàn)ES是改善提高脊髓損傷患者運(yùn)動功能的途徑之一[44]。國內(nèi)有研究利用多通道FES并結(jié)合運(yùn)動療法對截癱患者進(jìn)行康復(fù)運(yùn)動訓(xùn)練的需要開發(fā)設(shè)計(jì)了多通道FES刺激模型骨骼肌產(chǎn)生肌力[45]，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)特定的康復(fù)訓(xùn)練動作的康復(fù)踏車。FES踏車系統(tǒng)是截癱患者應(yīng)用于肢體運(yùn)動功能提高較為有效的機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)[46]，在最近二、三十年的發(fā)展中，全球相關(guān)領(lǐng)域的專家學(xué)者從不同的角度，設(shè)計(jì)了大量臨床實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了該類系統(tǒng)的康復(fù)效果。因此，開展多通道FES踏車相關(guān)技術(shù)的科學(xué)研究，具有強(qiáng)大的現(xiàn)實(shí)及理論意義，而且具有相當(dāng)?shù)呐R床應(yīng)用價值。

3.3 多通道功能性電刺激在腦癱康復(fù)中的應(yīng)用 腦性癱瘓(cerebral palsy CP)即腦癱，是從受孕開始到嬰兒期的非進(jìn)行性腦部損傷及發(fā)育性缺陷所致的一種綜合征，主要表現(xiàn)有運(yùn)動功能障礙及活動姿勢異常，通常伴感覺、言語、認(rèn)知、交流障礙以及其他異常癥狀。腦癱患者步行能力的提高及改善關(guān)系其未來是否能夠具有生活自理能力及能否進(jìn)入社會，同時也是患者家屬最關(guān)心的，更是腦癱康復(fù)治療的長遠(yuǎn)目標(biāo)，這更是腦癱康復(fù)的重點(diǎn)難點(diǎn)。絕大多數(shù)腦癱患者都具有本體感覺功能障礙，此種障礙影響到運(yùn)動控制的傳入通路，而低頻功能性電刺激所誘導(dǎo)產(chǎn)生的肌肉群運(yùn)動可提高關(guān)節(jié)周圍的本體感覺，進(jìn)而可以使機(jī)體的感覺、運(yùn)動神經(jīng)興奮性提高[47]，從而使腦癱患者靶肌肉的功能活動得到正確控制。在對腦癱的康復(fù)訓(xùn)練中，姜艷等[48]將多通路程序化FES應(yīng)用于青少年患者，模擬正常的主動運(yùn)動配合并促進(jìn)了康復(fù)訓(xùn)練動作的實(shí)現(xiàn)，恢復(fù)了肌肉的部分運(yùn)動功能，同時對中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能的代償性恢復(fù)及中樞傳導(dǎo)通路的重塑方面也具有促進(jìn)作用。

3.4 多通道功能性電刺激在其他相關(guān)疾病康復(fù)中的應(yīng)用 針對消化系統(tǒng)疾病賁門失弛緩癥的治療需求，有專家設(shè)計(jì)了一種基于多通道FES的食管起搏系統(tǒng)[49]，開展了多通道FES對于食管起搏功能的系統(tǒng)研究；有學(xué)者的基礎(chǔ)研究發(fā)現(xiàn)[50]，模擬人體正常運(yùn)動模式的多通道FES可以使腦卒中患者的運(yùn)動功能得到改善和提高，同時也可以使患者的運(yùn)動皮層及海馬區(qū)域的神經(jīng)營養(yǎng)因子濃度明顯提高。多通道FES可作為老年性長期臥床患者的一種輔助康復(fù)鍛煉方法，其可使此類患者的認(rèn)知功能、ADL能力得到提高，相關(guān)的并發(fā)癥如泌尿系感染、肺部感染的發(fā)生率減少，且認(rèn)為突觸的可塑性增強(qiáng)，海馬突觸、前額葉結(jié)構(gòu)及功能等的改善和其作用機(jī)制有相關(guān)性[51]。多通道FES通過刺激膀胱、骶神經(jīng)根、陰部神經(jīng)、脛后神經(jīng)、脊髓治療膀胱功能、性功能、腸道功能方興未艾，為藥物與手術(shù)之間開拓了一種新的治療選擇[52]。

4 小結(jié)

多通道FES是在傳統(tǒng)FES的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，使用多組電流輸出通道，可以誘導(dǎo)刺激多組肌肉群，誘發(fā)癱瘓肢體產(chǎn)生類似正常的功能性運(yùn)動。但在臨床康復(fù)治療應(yīng)用中，同樣也有情況產(chǎn)生，如通道過多致使研究、開發(fā)、使用比較繁瑣；電極種類的選擇、治療參數(shù)設(shè)置、介入治療時間、治療具體部位、治療療程及注意事項(xiàng)等方面暫無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)；電極與控制系統(tǒng)之間是線路連接，暫無無線傳輸；大多數(shù)的康復(fù)臨床研究缺乏多中心、大樣本的研究等；其作用的機(jī)制尚不是很明確，更有待加強(qiáng)進(jìn)一步的研究。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及設(shè)計(jì)日益精密，在未來，多種多樣的多通道FES必將產(chǎn)生，為康復(fù)醫(yī)學(xué)事業(yè)做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。