低頻電刺激在腦卒中后肢體運動功能障礙治療中的應(yīng)用*

張淑君，張亞男，2，3，4，劉 健，2，3，4，李 禮，2，5，王 舒，2，3，4

1.天津中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院，天津 300381；2.國家中醫(yī)針灸臨床醫(yī)學研究中心，天津 300381；3.天津市針灸學重點實驗室，天津 300381；4.國家中醫(yī)藥管理局腦病針刺療法重點實驗室，天津 300381；5.北京大學前沿交叉學科研究院，北京 1000871

腦卒中是影響我國居民健康的重要因素，2017年我國城市居民卒中患病率達6.3%［1］，全球新發(fā)卒中患者中我國占比40%［2］，隨著醫(yī)療水平提高，腦卒中的致死率不斷減低，但是研究顯示仍有3/4 的幸存者遺留肢體運動功能障礙［3］，其中僅有5%～34%的患者上肢運動功能可以完全康復(fù)［4］，下肢經(jīng)過康復(fù)能輔助步行的僅占50%，完全恢復(fù)獨立步行的占7%［5］。卒中后的肢體功能康復(fù)是臨床研究的重點。

低頻電刺激，即低頻電脈沖療法（Low frequency impulse electrotherapy），是應(yīng)用頻率1 000 Hz 以下的脈沖電流治療疾病的方法，從上世紀80年代開始，低頻電刺激逐漸用于腦卒中后的肢體運動功能康復(fù)，具有興奮神經(jīng)、肌肉，促進局部血液循環(huán)、緩解疼痛等作用［6］。近年來低頻電刺激療法與新興科技相結(jié)合，提供了更加豐富的電刺激治療手段?；诖?，本文對當前國內(nèi)外常見低頻電刺激治療的功用、研究進展進行總結(jié)，報告如下。

1 卒中后運動功能康復(fù)及低頻電刺激治療機制

1.1 腦卒中后運動功能康復(fù)機制

腦卒中的運動功能障礙早期表現(xiàn)為肌力、肌張力減低，靈活性喪失，后期常出現(xiàn)肌肉痙攣伴異常運動模式，其一系列癥狀屬于“上運動神經(jīng)元損傷綜合征”，肌張力、肌力、運動模式、發(fā)育性反射等所有與運動功能相關(guān)的內(nèi)容均參與評定。中樞受損后對肢體運動控制障礙的機制，可以用經(jīng)典的“反射—等級模型”及后來逐漸興起的“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論”“多系統(tǒng)理論”來解釋。

反射—等級模型是最經(jīng)典也是最廣泛接受的中樞運動控制理論，強調(diào)大腦皮層、腦干、脊髓按照由高到低的級別控制人體運動，正常情況下較高級水平的運動中樞會抑制較低水平的反射，腦卒中后高級中樞受損對下位中樞的原始反射系統(tǒng)失去控制，因而出現(xiàn)脊髓、腦干水平的低級反射。反射—等級模型還指出肢體精確的運動來自中樞對外周感覺輸入的控制、調(diào)整，感覺傳入與處理的障礙影響肢體運動功能［7］。傳統(tǒng)的Bobath康復(fù)理論就是以反射—等級模型作為基礎(chǔ)解釋癥狀的產(chǎn)生，其治療強調(diào)對異常運動進行“反射性抑制”，盡最大可能向中樞傳送正常的運動、感覺刺激，使高級中樞對低級中樞逐漸形成新的抑制，切斷低級中樞與肢體形成的異?！岸搪费h(huán)”，從而在腦卒中后促進正常姿勢反射的出現(xiàn)［7-8］。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論和多系統(tǒng)理論從另一個方面闡釋了大腦對運動的控制，其認為過去的等級模型降低了運動中下位中樞、外周的作用。大量的神經(jīng)元之間相互連接組成復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)體系，連接的牢固性因反復(fù)使用而加強因廢用而減弱，運動的產(chǎn)生是多系統(tǒng)間相互作用的綜合效應(yīng)，人類的實踐活動在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)體系中形成了快速、優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)，直接對運動產(chǎn)生程序化的控制［9］。然而腦卒中使優(yōu)化運動路線遭到破壞，產(chǎn)生運動功能障礙。這種理論是“運動再學習”康復(fù)方法的理論基礎(chǔ)，“運動再學習”治療強調(diào)大腦的可塑性，通過任務(wù)為中心的訓練使患者對具體任務(wù)的動作形成正確認知并熟練完成，進而使神經(jīng)元之間以新的連接方式完成“功能重建”。當前對于卒中后出現(xiàn)運動功能障礙的原因并沒有定論，但是以上主流的假說為治療提供了一定理論基礎(chǔ)，其理論也在臨床實踐中不斷發(fā)展、豐富。

1.2 低頻電刺激治療機制

低頻電刺激能影響肌肉神經(jīng)營養(yǎng)因子的生成和分泌，加速神經(jīng)軸突的側(cè)支發(fā)芽和新突觸產(chǎn)生，使Ⅱ型肌纖維（易疲勞）轉(zhuǎn)變成Ⅰ型肌纖維（不易疲勞），直接緩解肌肉疲勞，提高肌力［10］。此外，還增強外周血管反應(yīng)性，促進血管擴張，減輕組織水腫［11］。對痙攣肢體的電刺激，能興奮拮抗肌下方的感覺、運動神經(jīng)纖維，從而增加中樞對痙攣肌肉的交互抑制與突觸前抑制，以起到緩解痙攣的效果［12-13］。有研究顯示，電刺激還增強患側(cè)大腦血流，提高大腦可塑性［14-15］。需要說明的是，上述的機制主要是對于被動的電刺激［如神經(jīng)肌肉電刺激（NMES）、經(jīng)皮神經(jīng)電刺激（TENS）］產(chǎn)生的效果，而使患者主動參與運動的電刺激，如功能性電刺激（FES）系統(tǒng)在以上機制的基礎(chǔ)上，還通過輔助肢體完成具體任務(wù)，促進殘留部分的功能重建和非損傷組織的代償來實現(xiàn)卒中后的“運動再學習”［16］。

2 低頻電刺激療法的分類及應(yīng)用

低頻電刺激發(fā)展至今，種類逐漸增多。本文根據(jù)電刺激與患者的交互特點，將低頻電刺激分為NMES、TENS和FES系統(tǒng)。

2.1 NMES

NMES在國內(nèi)外治療卒中后癱瘓已有40多年歷史，一般的刺激頻率以能引起肌肉收縮而不造成過度疲勞為標準，常選擇12～50 Hz，通過調(diào)節(jié)波幅（0～100 mA）、波寬（0～300 us）來控制肌肉收縮的力量［17］。

Cinara Stein 的Meta 分析［18］表明，NMES 結(jié)合其他治療有效地緩解卒中后痙攣，增加關(guān)節(jié)的活動范圍，并指出在增強患者對運動的控制和提高肢體運動功能方面也有獲益。當前許多臨床試驗肯定了NMES在卒中后急性期、亞急性期對肢體運動功能的康復(fù)作用［19-21］，且有殘余運動能力的肢體會獲得更好的治療效果，療效持續(xù)2～6個月［19，21］。

2.2 TENS

TENS 是上世紀70 年代由Long 和Shealy 發(fā)明并申請專利，最初是基于“閘門控制學說”，以感覺閾上的強度（不引起肌肉收縮）刺激感覺神經(jīng)纖維以減輕、消除疼痛，常用的治療參數(shù)為頻率100 Hz、波寬100 us 的方波［5］。上世紀80年代以來生物工程以及信息技術(shù)的發(fā)展，使其強度、波形、頻率的變化更為多樣，TENS 的概念不再局限于使用固定的參數(shù)治療疼痛，凡是體表電刺激均屬于廣義TENS 的范疇，衍生出針刺型、調(diào)制型、混合型等多種類型，在卒中肢體康復(fù)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

Kyoungsim［22］應(yīng)用頻率100 Hz，脈寬200 us 的TENS對卒中患者患側(cè)腓神經(jīng)進行電刺激，并結(jié)合坐立訓練，6周治療后患者下肢痙攣改善，步行能力、平衡能力均高于假TENS 結(jié)合坐立訓練的對照組。Maclinco［23］關(guān)于TENS治療痙攣的Meta分析顯示TENS能有效減少卒中后下肢痙攣，增強下肢步行能力。

2.3 FES系統(tǒng)

FES 是用低頻脈沖電流刺激結(jié)構(gòu)完整的下運動神經(jīng)元，模擬肢體功能性活動，治療神經(jīng)肌肉疾患的一種方法。FES產(chǎn)生特定動作的原理在于電刺激引起運動神經(jīng)纖維興奮，其軸突的興奮電位到達脊髓后傳導至相應(yīng)的肌肉（順向傳遞），引起特定肌肉收縮［24-25］。同時FES系統(tǒng)在輔助完成具體動作的過程中，還可實現(xiàn)視覺、觸覺等感覺輸入，增強大腦的反饋、判斷能力，使運動功能不斷調(diào)整、整合。同時增加了患者完成任務(wù)的興趣。前期研究［26-27］認為，F(xiàn)ES伴特定運動訓練模式，是感覺反饋與運動輸出的結(jié)合，能促進神經(jīng)系統(tǒng)可塑性，建立優(yōu)化的運動通路。

FES 參數(shù)設(shè)置類似NMES，頻率多在20～60 Hz，為防止肌肉疲勞，刺激強度和刺激脈寬一般低于100mA 和600～700 us，通 電／斷 電 比 一 般 設(shè) 置 為1:5～1:1FES 與NMES 的主要的區(qū)別在于FES 是通過提前編程的低頻電流誘發(fā)肌肉運動，完成一個任務(wù)，而NMES則更側(cè)重于引起肌肉收縮而作為一種物理治療［24］。當前FES 與機械技術(shù)、計算機技術(shù)和機器人技術(shù)相結(jié)合，在傳統(tǒng)的功能性電刺激基礎(chǔ)上衍生出的肌電觸發(fā)FES、肌電控制FES、腦-機接口控制的FES等，不僅拓寬了FES的治療方法，更為其應(yīng)用開辟了新的領(lǐng)域。

2.4 傳統(tǒng)FES

傳統(tǒng)FES是指開/關(guān)控制的FES，以人為設(shè)定的強度刺激相關(guān)肌肉，完成設(shè)定的動作，Khan等［28］設(shè)計的隨機對照試驗，治療組患者FES結(jié)合物理治療，對照組為物理治療，治療4 周后發(fā)現(xiàn)FES 結(jié)合物理治療更有助于上肢運動功能恢復(fù)，并且經(jīng)過隨訪肯定了傳統(tǒng)FES 的長期療效。Marquezchin［29］應(yīng)用FES 治療卒中后較重的上肢癱瘓（FMA-UE＜15），1 月治療后，結(jié)果顯示FES 加常規(guī)康復(fù)的治療組上肢運動功能和日常生活能力均優(yōu)于單純康復(fù)的對照組。雖然傳統(tǒng)FES 已由最初為單通道發(fā)展為多通道FES，仍然難以準確地控制復(fù)雜運動，常用于卒中早期完成患者對正確運動姿勢的認知。

2.5 肌電觸發(fā)FES

肌電觸發(fā)FES是生物反饋治療技術(shù)中的一個分支，能檢測、轉(zhuǎn)換骨骼肌主動興奮時產(chǎn)生的肌電活動，當患者自主嘗試肢體活動的肌電信號達到閾電位，系統(tǒng)產(chǎn)生固定參數(shù)的周期性刺激脈沖使肌肉收縮［24］。沈娟［30］應(yīng)用肌電觸發(fā)FES 聯(lián)合rood 技術(shù)治療腦卒中后足下垂，連續(xù)干預(yù)6 周后治療組患者的下肢運動功能、踝關(guān)節(jié)活動、平衡能力都較單純Rood 治療的對照組提高。Young Kim［31］的系統(tǒng)回顧指出肌電觸發(fā)FES作為輔助治療對卒中后手和上肢功能的恢復(fù)是有積極意義的，且肌電觸發(fā)FES的療效優(yōu)于傳統(tǒng)FES治療。

肌電觸發(fā)FES可以在傳統(tǒng)FES治療基礎(chǔ)上，調(diào)動患者的注意力和想象力，增強患者自主參與意識，結(jié)合視覺和感官的反饋進一步加強康復(fù)效果。但是和傳統(tǒng)FES 一樣，難以對患者的復(fù)雜運動實現(xiàn)精確控制，進一步發(fā)展出肌電控制的FES 與腦—機接口控制的FES 對此問題進行了改進［32］。

2.6 肌電控制的功能性電刺激（EMG-controlled FES）

肌電控制的FES產(chǎn)生的刺激脈沖強度與所探測的EMG信號成正比，即刺激產(chǎn)生的肌肉收縮力量與自主意愿發(fā)力成比例，從而增加了運動控制的精確性，避免了傳統(tǒng)開環(huán)FES過度刺激的缺點，減少能量消耗和肌肉疲勞［33］。當前對于肌電控制的FES 研究多集中在上肢，Mayo［34］報道了肌電控制的FES治療上肢痙攣，在痙攣患者注射肉毒素后進行4個月的治療可以有效地降低上肢痙攣、提高運動功能，并肯定肌電控制的FES對患側(cè)肢體精準的運動控制作用。Hara［25］的綜述中提到肌電控制的FES 增加患側(cè)大腦血流和運動感覺區(qū)域的興奮性，認為肌電控制的FES對上肢及手運動功能的康復(fù)優(yōu)于簡單的電刺激。

2.7 腦—機接口控制的功能性電刺激（BCI-controlled FES）

腦—機接口技術(shù)（Brain-Computer Interface， BCI）是通過計算機提取并解碼人體運動意圖信息，并將其編碼。BCI 通過功能性電刺激技術(shù)（FES）代替大腦發(fā)出的神經(jīng)控制命令來激發(fā)相關(guān)肌肉活動、驅(qū)動受損肢體完成預(yù)期動作，達到恢復(fù)或替代肢體運動功能目的［35］，BCI 控制的FES實現(xiàn)了患者自主運動與電刺激治療、運動精確控制的結(jié)合，常被稱為“神經(jīng)假體技術(shù)”，除了康復(fù)作用以外，更重要的是幫助失去康復(fù)意義的肢體重新獲得運動功能。但是因其成本較大，技術(shù)尚未完全成熟，當前只是散在病例報告［36］，并未在臨床廣泛應(yīng)用。

肌電控制的FES 和腦-機接口控制的FES 是對肢體運動的閉環(huán)反饋，能實現(xiàn)對患者的運動產(chǎn)生更精確的調(diào)節(jié)［24，37］，尤其是腦—機接口控制的FES在康復(fù)治療中能使患者的運動意圖與相應(yīng)動作緊密連接，已不僅是肢體康復(fù)訓練的工具，更作為“神經(jīng)假體”技術(shù)輔助癱瘓肢體實現(xiàn)重新運動。McGie等［38］研究認為肌電控制FES與腦機接口控制的FES在短期內(nèi)比傳統(tǒng)FES治療能更有助于促進中樞神經(jīng)可塑性，產(chǎn)生更好療效。

3 低頻電刺激臨床應(yīng)用與展望

因為FES在電刺激基礎(chǔ)上結(jié)合運動導向的訓練，其與被動電刺激相比或許更有臨床治療優(yōu)勢，但是當前在臨床試驗中對FES 的治療優(yōu)勢并沒有取得一致的結(jié)論。Shin-Jun Park［39］比較TENS與FES在單次30 min治療后對步行康復(fù)的療效，TENS 治療后步行相關(guān)參數(shù)沒有改變，而FES 起到了康復(fù)效果。Sharif［40］對比了傳統(tǒng)FES 與NMES對于卒中后步行的治療效果，F(xiàn)ES在TUGT、肢體運動、平衡能力、步行恢復(fù)方面要優(yōu)于NMES。而Wilson［41］對比NMES、肌電觸發(fā)FES與TENS對卒中后上肢運動功能的恢復(fù)效果，進行多中心、單盲、平行對照試驗，治療頻次2 次/周，8 周后3 組均較前提高，而三組之間的療效差異并沒有統(tǒng)計學意義。同樣Boyaci的試驗顯示［42］，患者主動參與的肌電觸發(fā)FES對上肢運動功能康復(fù)的效果與被動的NMES 相比，并沒有明顯優(yōu)勢，原因可能是肌電觸發(fā)FES難以精確調(diào)節(jié)上肢肌肉收縮以完成動作從而影響治療效果。

目前臨床上低頻電刺激的類型多樣，不論療效優(yōu)劣，其在臨床應(yīng)用中有各自的治療特點。TENS 作為被動的低頻電刺激，對穴位產(chǎn)生的“類針刺”效果一直是研究熱點，作為針刺的替代治療更易被患者接受。在卒中后肢體康復(fù)方面，F(xiàn)ES、NMES 引起特定肌肉收縮，易增加卒中后肢體痙攣［43］，而TENS作為感覺閾上的刺激，避免了肌肉的過度收縮與疲勞，現(xiàn)常應(yīng)用高頻TENS（100Hz）與康復(fù)結(jié)合用于痙攣的防治［44］。NMES因治療無需患者過多參與，急性期、意識障礙以及嚴重運動損害的患者均可使用，可以在腦卒中早期促進患者運動功能恢復(fù)。還應(yīng)當指出，TENS、NMES 等被動的電刺激因操作簡單、費用較低、患者易接受，更適宜在社區(qū)、家庭推廣。對于FES因為包含肢體康復(fù)和輔助患者實現(xiàn)肢體運動的作用，療效可能有一定優(yōu)勢，但是仍存在痙攣患者常難以形成有效的肌肉收縮和難以準確興奮目標肌肉的問題［43］，在未來，F(xiàn)ES作為“神經(jīng)假體”的應(yīng)用將進一步發(fā)展，實現(xiàn)便攜化、網(wǎng)絡(luò)化并更加逼近自然肢體功能［35］。

低頻電刺激的療效受許多因素的影響，如患者病情的嚴重程度、治療參數(shù)的選擇等，在臨床中常常針對患者實際病情和耐受程度來確定合適的刺激參數(shù)，同時也需要更多的研究來確定治療的最優(yōu)參數(shù)使參數(shù)設(shè)置更加規(guī)范化、專業(yè)化［10］。另外，雖然低頻電刺激有改善卒中后運動功能的作用，但是在許多大型的臨床試驗中［45-46］電刺激治療并沒有優(yōu)于常規(guī)的康復(fù)治療。針對低頻電刺激有限的治療作用，現(xiàn)在有越來越多的研究認識到?jīng)]有哪一種單獨的治療方式可以實現(xiàn)卒中后肢體運動的完全恢復(fù)，低頻電刺激療法在臨床應(yīng)更多地是與其他康復(fù)治療相結(jié)合共同發(fā)揮作用。