功能性電刺激研究在中國的回顧、現狀與展望

張定國,朱向陽

功能性電刺激(functional electrical stimulation,FES)的概念起源于上世紀60年代,最早用于矯正足下垂[1]。目前FES尚無精準的定義,狹義的FES可理解為利用人工弱電流脈沖信號刺激癱瘓患者的骨骼肌,以期恢復喪失或受損的運動功能。廣義FES的對象不止是骨骼肌,而包括了可以被刺激的各種機體組織,如平滑肌、括約肌、耳蝸神經、視覺神經等。恢復的功能也不只是運動功能,還有包括諸如排尿、聽覺、視覺、性功能等[2]。廣義FES外延太廣,幾乎涉及了所有的人工神經電刺激,本文討論內容以狹義FES為主,即與肌肉有關的電刺激,也稱功能性肌肉刺激(FNS)或神經肌肉電刺激(NMES)。歸根結底,FES最終刺激的目標其實是神經,主要是與肌肉相關的周圍神經。

FES是一個跨學科的交叉研究領域,涉及了神經科學、生物力學、康復醫學、控制科學和電子工程等。早期的FES應用基本以理療為主,憑借一個簡單的電刺激器就可以完成。近些年隨著電子科技的發展,高級智能的FES系統成為研究主流,其目標是輔助癱瘓患者實現日常運動,日益凸現“功能性”的特點。從工程的角度看,一套完整的FES系統一般包括控制器、刺激器、刺激界面(電極)、傳感器和受試對象(癱瘓患者的肌肉系統)。控制器是核心,相當于人體神經系統的大腦,一些先進的控制算法可以賦予控制器強大的功能。控制器調節刺激器產生電脈沖,通過電極刺激肌肉。電極大體上可分為表面電極和植入電極兩種,表面電極簡單、方便、經濟,應用較廣,但是準確度和選擇性比較差。肌肉在電刺激下收縮,帶動肢體運動。傳感器檢測有關運動信息,比如關節角度,與期望的關節角度進行比較,反饋更新控制器。

1 發展狀況

1.1 內地 中國內地的FES研究開始于20世紀80年代。最早的文獻出現在1983年,系由古希晨翻譯的一篇國外論文[3]。最早的研究成果是鄭定光于1984年發布的FES-1功能性電刺激器[4],它是由上海第二醫學院、上海無線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展的[5]。他們對277例癱瘓患者進行了FES康復效果評估,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。在如此大范圍內臨床評估FES康復效果,至今在國內外都是不多見的。同期,植入式電刺激是由蔣大宗主持開展,其工作更接近于神經刺激的范疇,比如選擇性等問題[6],希望利用FES技術解決某些截癱患者的排尿功能障礙。在動物(犬)上已經做了一些比較成功的實驗[7],大致原理是通過電刺激骶神經來控制逼尿肌和括約肌,協調收縮膀胱和尿道,完成排尿功能。在當時的技術環境下,蔣大宗小組的成果在國際上有一定的影響。

為全面了解我國FES研究的發展歷史,我們利用“中國知識資源總庫(CNKI)”統計了從1980年以來發表的相關文獻,包括期刊/會議論文、碩士/博士學位論文、專利,以及其他相關文章。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“關鍵詞=功能性電刺激”,共檢索到395篇。

統計顯示,1990年～2009年,每年發表的與FES相關的文獻數目分別為 30、16、20、33、21、28、30、34、42、48、83、88、102、102、124、139、197、249、248、233篇。可以看出 FES 研究發展趨勢良好,尤其是近幾年文獻數目增長很快。從2002年以后,FES相關的文獻基本穩定在100篇以上。

中國的FES研究大部分以理療康復為主,即康復醫學方面的應用研究占主流,如腦卒中康復[8-9]、截癱康復[10]、痙攣康復[11]、肌肉萎縮康復[12]等,這些研究基本都使用表面電刺激。我們比較關注FES系統的理論研究和設計開發。FES系統代表著科技發展水平,先進的FES系統將會給醫院和患者帶來更大的方便和利益。當然,FES系統不僅僅是作為一種單純的儀器設備在醫院里使用,最終目標是要能輔助癱瘓患者實現在日常生活中的運動,所以系統的研發和設計尤為重要。我國FES系統研發水平較低,文獻不多,近幾年明顯改善。

從2009年的文獻數據統計來看,一共有233篇相關文獻,真正與FES有密切關系的文獻大概有115篇,大體上包括4個研究方向:康復評估(63篇)、系統研發(23篇)、生理研究(12篇)和綜述(17篇)。其他類文獻有118篇,包括了人工耳蝸、視覺假體、針灸電療等研究,這些都不是我們所指的FES。當然還有其他大量誤檢索的文獻。我們發現,FES系統研發的文獻占了總數的20%,幾乎是所占比例最高的一年。仍以2009年為例,這233篇文獻中,碩士和博士的學位論文有79篇,展示了FES擁有強大的科研新生力量和后備基礎。

同時我們專門調研了近些年關于FES系統的發明專利,這預示了FES系統未來走向產品化和市場化的潛力,檢索結果是大概有20個左右,而且全部都是近3年的發明專利。表明目前我國FES研究已經從科研階段開始走向市場應用,前景廣闊。

清華大學的畢勝和竇惠英等研究了迭代算法來設計FES控制器,目的是控制下肢的往復循環運動[13-14]。哈工大姜洪源等在英國格拉斯哥大學Prof.Hunt小組的協助下開展了FES腳踏車的研究,主要研究工作是關于FES控制算法(比如模糊PID算法和魯棒PID算法)和肌肉系統建模仿真,取得了一些成果[15-17]。天津大學明東等設計了一套基于12導聯應變片電橋網絡的FES步行器測力系統,利用危勢軌跡圖技術檢測步行器傾翻指數,作為評估因子來直觀顯示截癱患者在行走過程中的步態穩定性[18-19]。目前,腦機接口(brain-computer interface,BCI)技術發展迅猛,BCI與FES的結合應用是研究的熱點。國內與時俱進,也有了一些相關研究,如天津大學的王明時小組[20]、清華大學的高上凱小組[21]和上海交通大學的朱向陽小組[22]已經分別利用BCI對FES進行控制,其基本原理是對腦電(EEG)信號進行處理(特征提取、模式識別等技術手段),檢測癱瘓患者的想象運動,作為觸發信號來控制FES。

近幾年海外回歸的學者,比如藍寧[23]、何際平[24]、張定國[25]、沙寧[26-27]等,在FES領域各自都有一些研究成果和貢獻。前3位主要是在FES的控制系統設計以及神經肌肉系統建模與控制上有深入研究,后1位則在FES表面電極的設計上有貢獻。但這些成果大部分都是以前在國外取得的。

1.2 香港和臺灣 相比內地來說,臺灣和香港的FES研究,尤其是系統研發方面,相對比較成熟。香港理工大學有比較深厚的基礎,湯啟宇從20世紀90年代末開始一直從事FES技術方面的相關研究[28],在香港理工大學成立了FES研究中心[29],與清華大學高上凱小組和浙江大學鄭筱祥小組分別有相關的合作。另外,Eric Cheng等研發了FES刺激器的硬件設計[30]。還有一些學者在FES康復效果評估進行了比較出色的臨床研究[31-32]。

在臺灣,代表性的工作也不少。如張國清等利用神經網絡技術設計FES系統控制膝關節運動[33];陳家軍等利用模糊邏輯控制FES腳踏車[34];陳健智等利用肌電(EMG)信號控制FES腳踏車[35];Chen等研發了一種多功能通用的 FES系統[36];Chen等研發了閉環控制的FES下肢步態訓練系統[37]等。對于這兩個地區FES研究發展的總體情況,由于缺乏合適的數據庫支持,暫時無法獲取更為全面的信息。

2 總結與展望

本文回顧了近30年中國FES研究的發展情況,總體上發展勢頭良好,尤其是近幾年高級智能的FES系統研發實力日益增強,技術上的進步與提高將會促進FES更為廣泛和有效的應用。根據2006年第二次中國殘疾人抽樣檢查,我國大概有2412萬肢體殘疾患者。而且我國已經邁入了老齡化社會,對于先進的康復系統和輔助系統的需求日益增加。研發面向醫院的FES康復理療系統是比較容易實現的目標,但研發面向生活、輔助癱瘓患者日常運動的FES系統卻是個長期的目標,在國際上一直都是個難題。FES系統的控制源是關鍵,蓬勃發展的腦機接口技術為其提供了一個契機[38]。單純的FES系統有很多局限,最大的問題是患者肌肉萎縮,難以產生足夠的力量支持運動,所以與康復機器人相結合是未來發展的一個方向[39]。

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