多通道功能性電刺激在臨床康復中的應用及研究進展

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度激活失神經控制的輕癱或者癱瘓的肌肉群，達到改善或者恢復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皮刺激由于高位中樞神經障礙而引起的信號傳輸通路受到阻礙而失去中樞神經控制的肌肉或者肌群，帶動相應骨骼肌控制的關節按照常規的規律產生運動功能。自二十世紀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支配的脛骨前肌，改善偏癱患者的足下垂提高步態功能之后，經過50多年的技術創新及發展，FES已經成功的應用到腦卒中患者運動功能的提高及恢復，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。而現今的臨床康復治療中應用的FES多以單通道或雙通道為主，大量研究表明，FES是安全、簡單、有效的可以恢復、重建癱瘓肢體神經肌肉功能的一種治療方法[2-4]。但發現近年以來，關于康復中應用多通道FES的文獻報告不斷遞增[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 查閱國內外FES相關的文獻，迄今尚未找到多通道FES的精準概念[8]。多通道FES是應用交替刺激時序的低頻脈沖電流刺激、集中、強化癱瘓的肌肉群，進行肢體運動功能訓練的一種康復療法。近年來其在康復輔助治療中對中樞神經肢體癱瘓類疾病預后改善、提高臨床療效方面取得了良好效果[9]。此文就多通道FES及其在臨床康復中的應用及研究進展做一綜述，為其在臨床康復中的應用及機制機理研究提供參考依據。

1.2 多通道功能性電刺激的優點 一般人體每個功能性動作產生需要多個關節及多組肌群的協調性控制和準確性運動，通常傳統FES所引起肢體產生的是針對一個關節或一組肌群的分離運動模式[10-11]，而多通道FES是通過預先設定好的程序，實現對各肢體輸出通道的協調性控制[12]。工作時多通道FES各個輸出通道的刺激參數都可各自調整，可實現對多組肌群產生低頻電刺激，產生多組肌群、多個關節的協調性功能性活動，而且保證各個通道之間互不干擾，相互獨立；治療過程中，各通道都按照協調好的正常肌群收縮次序和時長刺激相應的肌群，誘導肢體產生正常的協調性運動。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，使癱瘓的患肢產生正常的行走樣動作[13]。此種多通道FES產生多關節活動、刺激多組肌群的康復治療符合人體功能性活動規律，可以更好地提高癱瘓肢體的運動功能[14]。

2 多通道功能性電刺激的作用機制

多通道FES的作用機制和傳統FES比較，兩者都要求治療的癱瘓肢體在解剖上周圍神經傳導通路具有完整性，即由中樞神經系統損傷引起的肢體運動功能障礙，而對周圍神經傳導通路不具備完整性的周圍神經損傷引起的肢體癱瘓，多不能發揮效果[15]。同時FES誘導癱瘓肢體產生的重復性、主動性、具有任務導向性及近于正常運動模式的活動，也可使關節本體感覺得到提高，使患肢肌肉信息的輸入得到增強，為機體提供更好的運動視覺反饋，提高靶肌肉群的運動能力，從而可促進大腦的可塑性[16-18]。FES誘導癱瘓肢體產生反復的功能性運動，符合“強制性使用”理論，癱瘓肢體的強制性運動療法可促進大腦相應區域的功能重組，使腦部運動活性增強，從而也可提高大腦的可塑性[19]。至于FES對骨骼、肌肉、神經、血管、內分泌的分子生物學機制研究有限[20]，有待開展更多的研究。

3 多通道功能性電刺激在相關疾病康復中的應用

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

3.1.1 多通道功能性電刺激在腦卒中上肢康復中的應用 通過多通道FES改善腦卒中患者偏癱上肢的運動功能，而對肩關節脫位或者半脫位的癥狀可以有效預防[24-25]。腦卒中后偏癱患者的上肢常通常表現為以屈肌痙攣為主的異常運動模式，嚴重影響患側手的抓握和上肢伸屈取物等功能性運動，且恢復過程較慢，甚至不能恢復。腦卒中患者的上肢運動功能要通過多通道FES達到正常的運動模式，從而進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上肢的控制。有學者正是基于此種正常運動模式的理念，設計了一款多通道FES，使其可以誘導癱瘓肢體產生功能性運動[26]。許多科研工作者應用FES對腦卒中患者偏癱側肢體功能重建進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、伸指等肌群進行低頻電刺激。研究表明多通道FES可以使肌肉收縮加強，協助調整主動肌、拮抗肌之間的收縮舒張能力，改善異常的肢體痙攣運動模式，促進正常運動模式的輸入，從而提高偏癱側肢體的運動功能。

3.1.2 多通道功能性電刺激在腦卒中下肢康復中的應用 腦卒中后患側下肢的運動功能障礙是影響患者功能恢復及生活質量最主要因素[29]。腦卒中患者通常伴有肌力、肌張力、感覺、運動異常，主動控制、平衡協調功能較差，由此產生多種異常的運動模式，從而致使腦卒中患者無法實現正常步態[30]。二十世紀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下肢足下垂[31]，使患者的站立、行走運動功能得到提高，但研究對象最初大多是恢復期患者。大量文獻研究報道，發病后最初3個月的腦卒中患者，由于人體的自我恢復及康復治療干預作用，患側的運動功能得到較快恢復。由此較多專家學者提出在患者生命體征平穩后就可及早介入康復治療，這也符合人體疾病的恢復規律。由此FES逐步被用于腦卒中急性期病情平穩后下肢運動功能恢復的康復臨床研究[32-33]。隨著多通道FES臨床康復研究的開展[34-37]，腦卒中患者偏癱側多通道FES聯合運動訓練，患者的功能性活動能力和肢體的運動控制能力得到改善及提高。由此可見多通道FES具有強力改善異常步態，且療效持續時間較長的優勢。國內有研究表明[38]，多通道FES輔助踏車系統對腦卒中后的患肢運動功能恢復有顯著療效。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網絡損害對患側下肢運動功能的影響和特點，研究發現強化、早期的多通道FES配合早期康復治療，能明顯改善腦卒中患側下肢的運動功能及平衡功能。也有研究對恢復期腦卒中患者采用多通道FES四肢聯動結合常規康復訓練進行康復治療[40]，提出多通道FES結合四肢聯動訓練可有效改善腦卒中患側下肢運動功能，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對腦卒中步行試驗和核磁共振彌散張力成像(DTI)掃描結果的影響[41]，發現DTI掃描可見腦部病灶區域水腫范圍明顯減小，可見到增大增粗、顏色加深的白質纖維束，并指出多通道FES是目前康復治療腦卒中偏癱側肢體運動功能障礙較為操作方便的新型康復方法，對提高患側肢體運動能力，改善日常生活質量效果顯著。近期符合運動控制理論的研究亦發現[42]，具有持續治療效果時間長，改善步態能力強等優勢特點的多通道FES配合早期康復訓練，符合功能性運動的要求，使癱瘓側下肢產生行走樣動作，能使腦卒中偏癱患者下肢的運動功能得到顯著改善，而下肢的運動功能改善有助于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，達到強制性應用及運動再學習的目的。多通道FES結合減重平板訓練可顯著提高腦卒中患者的平衡協調、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中的應用 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構損傷及功能的喪失，從而導致損傷平面及以下的運動、感覺及自主神經功能發生了異常改變，是臨床上有嚴重危害的中樞神經系統急性病損，醫學的進步，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。現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癥的措施也十分有限。所以探索用不同的康復方法及新技術去替代或修復損傷后的脊髓是脊髓功能重建的發展趨勢。脊髓損傷之后軸突正確連接是中樞神經功能恢復的前提，軸突的生長朝向正確的方向，由此建立功能性連接，需要聯系的結構性及重新學習獲得信息通路，也需要適當的物理性外部刺激來模擬局部神經發育過程以及生長的微環境狀態。模擬再生環境的FES對脊髓損傷有顯著的治療作用。目前在中樞神經系統損傷不可逆的情況下，FES是改善提高脊髓損傷患者運動功能的途徑之一[44]。國內有研究利用多通道FES并結合運動療法對截癱患者進行康復運動訓練的需要開發設計了多通道FES刺激模型骨骼肌產生肌力[45]，進而實現特定的康復訓練動作的康復踏車。FES踏車系統是截癱患者應用于肢體運動功能提高較為有效的機電設備系統[46]，在最近二、三十年的發展中，全球相關領域的專家學者從不同的角度，設計了大量臨床實驗，證實了該類系統的康復效果。因此，開展多通道FES踏車相關技術的科學研究，具有強大的現實及理論意義，而且具有相當的臨床應用價值。

3.3 多通道功能性電刺激在腦癱康復中的應用 腦性癱瘓(cerebral palsy CP)即腦癱，是從受孕開始到嬰兒期的非進行性腦部損傷及發育性缺陷所致的一種綜合征，主要表現有運動功能障礙及活動姿勢異常，通常伴感覺、言語、認知、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系其未來是否能夠具有生活自理能力及能否進入社會，同時也是患者家屬最關心的，更是腦癱康復治療的長遠目標，這更是腦癱康復的重點難點。絕大多數腦癱患者都具有本體感覺功能障礙，此種障礙影響到運動控制的傳入通路，而低頻功能性電刺激所誘導產生的肌肉群運動可提高關節周圍的本體感覺，進而可以使機體的感覺、運動神經興奮性提高[47]，從而使腦癱患者靶肌肉的功能活動得到正確控制。在對腦癱的康復訓練中，姜艷等[48]將多通路程序化FES應用于青少年患者，模擬正常的主動運動配合并促進了康復訓練動作的實現，恢復了肌肉的部分運動功能，同時對中樞神經系統功能的代償性恢復及中樞傳導通路的重塑方面也具有促進作用。

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

4 小結

多通道FES是在傳統FES的基礎上發展起來的，使用多組電流輸出通道，可以誘導刺激多組肌肉群，誘發癱瘓肢體產生類似正常的功能性運動。但在臨床康復治療應用中，同樣也有情況產生，如通道過多致使研究、開發、使用比較繁瑣；電極種類的選擇、治療參數設置、介入治療時間、治療具體部位、治療療程及注意事項等方面暫無統一標準；電極與控制系統之間是線路連接，暫無無線傳輸；大多數的康復臨床研究缺乏多中心、大樣本的研究等；其作用的機制尚不是很明確，更有待加強進一步的研究。隨著科學技術的發展及設計日益精密，在未來，多種多樣的多通道FES必將產生，為康復醫學事業做出應有的貢獻。