基于電刺激的多模式康復系統設計和研究

歐道陽， 石 萍， 杜佳昊， 喻洪流， 王沛元， 張韋杰， 王 威

（上海理工大學 醫療器械與食品學院 ，上海 200093）

電刺激作為康復工程中一種重要技術，被廣泛用于改善人體功能的失調，或恢復喪失的功能[1]。臨床中常利用電刺激技術幫助腦卒中后偏癱患者恢復肢體功能，提高其生活自理能力[2-4]。功能性電刺激（FES）是常見的用于肢體功能康復的物理治療手段，通過低頻電流刺激單獨的肌肉或肌肉群，達到改善或恢復被刺激肌肉運動功能的目的。

此外，電刺激技術亦能通過電刺激脈沖激活人體組織，加快血流循環，治療腦卒中后患者由于癱瘓長期臥床而引發的輕度褥瘡[5-8]。也有研究表明，電刺激療法能改善對全身的營養供給和新陳代謝[9]，興奮神經，延緩肌肉萎縮[10]，從而對褥瘡進行預防或治療。

另外，電刺激技術通過對神經系統進行刺激，能觸發內源性神經調控系統的作用機制或疼痛閘門控制機制，從而產生鎮痛效果，提高人體的疼痛閾值。電刺激療法中的經皮神經電刺激療法（TENS）具有長期的研究歷史和理論基礎，且具有療效好、持續時間長、費用低、無創、非藥理性等特點，已經成為臨床鎮痛治療中的替代療法[11]。

本文針對腦卒中后遺癥，分析臨床上常用的治療參數，設計了多模式電刺激治療系統，可用于包括肢體功能障礙、褥瘡及疼痛在內的多種疾病的防治。

1 電刺激系統在康復中的應用

1.1 電刺激治療腦卒中后肢體功能障礙

臨床上常用來治療卒中后偏癱的方法有運動療法、作業療法和物理治療，物理治療中的電刺激技術以其使用簡單、便捷等特點，在臨床上得到廣泛應用。江征等[12]采用電刺激技術（刺激頻率為35 Hz，強度為10～50 mA，脈寬為200 μs 的方波）治療的患者相對于只使用常規康復方法的患者在Brunnstrom 上肢手分級、Fugl-Meyer 上肢功能評分有明顯提高。可見，電刺激療法可有效改善偏癱患者上肢功能障礙。鄭萍等[13]利用頻率為35 Hz、刺激強度20～30 mA、脈寬為200 μs 的單向方波對患者患側肌肉進行電刺激，刺激持續時間5～10 s，進行4 周治療后，患者上肢與手的運動功能明顯提高。陳鵬[14]采用NMES21 型神經肌電促通儀對患者偏癱側的上肢伸腕肌、肱三頭肌、三角肌等肌肉進行刺激。他們研究中的電刺激采用連續雙向對稱方波，頻率3～100 Hz，脈寬250～300 μs，刺激強度0～38 mA，治療3 周后，發現采用電刺激技術的治療組其運動功能評估量表（MAS）評分和SF-36 評分均高于未采用電刺激治療的患者。

1.2 電刺激在防治褥瘡中的應用

根據褥瘡發生部位以及程度的不同，臨床上常用的治療方法主要有藥物治療、物理治療、中藥外用治療和外科手術等。在電刺激進行防治褥瘡的治療中，王熠釗等[15]通過對40 名受試者采用4 Hz 的經皮神經電刺激療法后，發現一定的神經電刺激能明顯促進皮膚血流量的增加。Janssen等[16]發現利用35 Hz 電刺激脈沖引起肌肉強直收縮時，可顯著增加患者股動脈的血流量。同樣，Gerrits等[17]讓9 名脊髓損傷的男性患者使用功能性電刺激（450 μs，30 Hz，單向脈沖方波，140 mA）腿部測力計進行為期6 周的訓練后發現，此訓練能夠增加其大導管動脈的橫截面積以及提高了腿部的血流量。此外，相關研究表明，電刺激療法能加快創面愈合的速度。Franek 等[18]利用脈寬為0.1 ms、100 V、100 Hz 的單相雙峰脈沖波對小腿靜脈性潰瘍的患者進行治療后發現，經過電刺激的患者，其創面愈合速度最快。Houghton 等[19]對慢性小腿部位壓力性潰瘍的患者施加150 V、100 Hz 的電刺激脈沖進行治療，治療4 周后發現，經過電刺激后患者的潰瘍面積比未經過電刺激患者的潰瘍面積明顯縮小。從Sara Ud-Din 的實驗比較中得出，在高壓脈沖電流（HVPC）、TENS、頻率節律電調制系統（FREMS）、直流電流（DC）這4 種常用的褥瘡治療方法中，HVPC 是褥瘡治療的最佳方法，利用的治療參數為電壓0～200 V，脈寬0～100 μs，頻率0～120 Hz[20]。

1.3 電刺激治療疼痛

臨床治療疼痛的方法眾多，包括藥物治療、手術療法、電刺激療法等。但藥物療法易產生依賴性[21]，而手術鎮痛恢復速度緩慢[22]。電刺激療法中的經皮神經電刺激療法（TENS）具有長期的研究歷史和理論基礎，已經成為臨床鎮痛治療中的替代療法[11]，其主流的鎮痛機理包含閘門控制學說和內源性嗎啡樣物質釋放假說。大量的臨床試驗得出利用2 Hz，脈寬為100 μs 的方波，電流強度逐漸增強的TENS 可以輔助或者獨立用于分娩時鎮痛[23]，其機理為2 Hz 的電刺激治療能夠促使腦釋放內啡肽，從而起到提高疼痛閾值的作用。韓濟生院士的團隊[24]經過研究得出，若使用頻率為2 Hz、100 Hz 交替的電脈沖波作用于人體則能促使腦啡肽、強啡肽、內啡肽及內嗎啡肽的釋放，加強鎮痛的效果。此外，基于閘門控制學說的TENS 療法認為高頻低強度的電刺激（一般為80～110 Hz，脈寬為0.1～0.2 ms）可興奮傳導外周觸覺和壓力感覺的粗纖維（Aβ 纖維），進而興奮T 細胞周圍的膠質細胞（SG 細胞），抑制細纖維的疼痛刺激上傳。李小梅[11]使用韓氏穴位神經刺激儀對18 例包括頸、腰、骶部疾患在內的慢性疼痛患者進行2 Hz、100 Hz 疏密波經皮電刺激，發現對慢性疼痛的短期療效顯著。楊宗林等[25]對60 例ASA 1-2 級擇期行腹腔鏡下卵巢囊腫切除術患者使用經皮穴位電刺激（經皮穴位電刺激為TENS 與針灸穴位相結合的療法）復合全麻療法，其刺激頻率為2～100 Hz，電流強度為30～80 mA，每次刺激30 min。并且觀察該療法鎮靜藥異丙酚和阿片類鎮痛藥瑞芬太尼用量、術后蘇醒時間及對內源性阿片肽樣介質β-內啡肽及細胞因子白介素-2 水平的影響，發現血漿中β-內啡肽和細胞因子白介素-2 水平升高，顯著增強了鎮痛作用，并且減少了全麻藥物的用量，縮短了術后蘇醒的時間。經皮穴位電刺激也被用于緩解中樞性神經痛。歐海寧等[26]利用波寬150 μs、頻率100 Hz、電療強度0～10 mA 可調的雙向方波對中樞性神經痛患者進行治療后發現，患者的疼痛程度得到減輕，并改善了患者的焦慮情緒。

在肢體功能障礙恢復時，由于刺激的目標為較大的肌肉組織且可能是深層肌肉組織，在治療時應該選擇較大的電刺激脈寬200～500 μs 進行刺激且電刺激頻率為0～100 Hz。褥瘡常見的表現為皮膚局部潰爛或者壞死，是屬于有創性的病癥。因此應選用的脈寬較小，即0～100 μs，且選用0～120 Hz 的電脈沖有助于皮膚血流量的增加，加速創傷面的愈合。鎮痛研究結果表明，利用2 Hz、100 Hz 電脈沖交替對人體進行刺激治療時，能促進體內嗎啡樣鎮痛物質的釋放，而且利用80～100 Hz 的高頻低強度電脈沖波能夠抑制細纖維疼痛刺激的上傳。在鎮痛治療時應選擇適宜的單位刺激時間，刺激時間過長易造成皮膚灼傷，因此選用的電刺激脈寬普遍為100～200 μs。

2 多模式電刺激系統設計

2.1 系統總體設計

本文研發了一款體積小、輕便、操作簡單的多模式電刺激系統。為了取得更好的刺激效果，需根據不同的刺激目標和治療模式選擇合適的電刺激參數。該系統設計的參數調節范圍如下：頻率1～500 Hz，脈寬1～500 μs，電壓1～100 V。系統將可以在上述較為寬松的參數模式下，實現多模式電刺激的目標。系統主要包括電源模塊、升壓模塊、極性轉換電路，通過觸摸屏上位機與主控制芯片STM32L152RCT6 相互通信，進而輸出各個模式的電刺激脈沖波，系統框圖如圖1 所示。下文主要對升壓模塊與極性轉換電路進行介紹。

圖1 系統框圖Fig.1 System block diagram

2.2 硬件系統

2.2.1 升壓模塊

整個系統的供電電壓僅為+3.3 V，由于每個人的皮膚阻抗都不相同，為了達到不同的電刺激效果，需要將電刺激電壓抬高至+100 V。因此，本系統采用了改進型的boost 升壓電路將+3.3 V 電壓調節至0～（+100 V）可調的電壓，并用電感代替了體積重量較大的變壓器，大大減小了整個系統的體積。電路如圖2 所示，圖中：R5，R6，R7 均為限流電阻；D3 為超快速恢復二極管；Q1，Q2 均為三極管；C5 為儲能電容；L1 為儲能電感。

圖2 升壓電路Fig.2 Boost circuit

升壓電路由主芯片發出的PWM1 波控制三極管Q1 的通斷，通過電感L1 的電流保持及儲能作用，配合二極管D3 的續流作用，達到升壓的效果，在儲能電容C5 端得到所需的電刺激電壓。當控制升壓電路的占空比達到1 時，輸出電壓V 達到最大值100 V，負載R 為人體阻抗約3 kΩ，則最大的輸出功率P 為

2.2.2 極性轉換電路

在電刺激治療中，使用的信號主要有單向脈沖電刺激和雙向脈沖電刺激。但由于長時間使用單向高壓電脈沖的刺激，容易使人體產生耐受性，并且單向脈沖刺激對神經纖維產生的電化學損傷高于雙向脈沖刺激。因此，由極性轉換電路將升壓電路產生的單向高壓脈沖轉換成雙向脈沖，從而減輕人體的耐受性及降低刺激對神經纖維的電化學損傷。極性轉換電路如圖3 所示，輸出結果如圖4 所示。

圖3 極性轉換電路Fig.3 Schematic diagram of the polarity conversion circuit

圖4 極性轉換電路輸出波形Fig.4 Output waveform of polarity conversion circuit schematic

電路中添加了限流電阻R10，R11，用于防止電刺激電極之間短路導致電流過大而造成人體損傷。主控芯片產生兩路頻率相同、脈寬相同、相位相差180°的PWM 波，即如圖3 所示的PWM2，PWM3，控制極性轉換電路輸出雙向電脈沖。當PWM2 為高電平時，PWM3 處于低電平狀態，電流從Uin 經Q4、R11、電極S2、電極S1、Q6 流向地端；相反，當PWM3 為高電平時，PWM2 為低電平狀態，電流由Uin、Q3、R10、電極S1、電極S2、Q7 流向地端；當PWM2 和PWM3 都為低電平時，電極兩端的電壓相同，無電流流過。刺激電極對一端分別連接在S1，S2 處，另外一端則貼附在人體皮膚表面進行電刺激。

2.3 軟件系統

由于本系統功能較多，為了方便老年患者使用，該系統采用了智能串口（USART232）觸摸屏與主控制芯片的相互通信。系統程序的流程如圖5 所示。

圖5 軟件控制流程Fig.5 Software control process

3 系統性能測試

設計的電刺激系統屬于恒壓型電刺激，其輸出電壓不受負載電阻的影響。當刺激電壓施加到目標組織后其電壓大小及波形等不會受到目標組織阻抗大小的影響，只與輸入的電刺激信號有關。下面將對系統的幅值、脈寬、頻率參數進行測試。

3.1 系統輸出試驗測試

首先使用阻值為3 kΩ 的電阻代替人體組織，來測試幅值為10，20，···，90，100 V 的方波電刺激信號的輸出結果。緊接著使用刺激信號頻率為100 Hz，脈寬為200 μs，最大幅值為100 V 的雙相方波電脈沖，將測試電阻的阻值分別設為0 K 至30 K（遞增5 K），使用示波器測得不同電阻上的電刺激電壓是否一致。頻率是電刺激重要的治療參數之一，本文將不同頻率的電刺激脈沖施加于3 kΩ的測試電阻，檢測實際輸出脈沖的頻率與理論頻率是否一致。

3.2 人體試驗測試

本試驗以16 位健康成人（23～26 歲）作為試驗對象，男女各8 名。測試前確保測試者均無肌肉、骨骼和關節類疾病，近期全身無疼痛，并未使用止痛藥物。試驗中選用了Wagner Instruments公司研制的FDK20 手持式壓力測痛儀來測試人體能夠忍受的疼痛強度[27]，該測痛儀是由一頂端面積為1 cm2的壓力棒，通過內置帶活塞裝置的連接桿與另一端的圓形壓力刻度表連接而成，刻度表上每小格為100 g，以kg/cm2為單位，測量范圍為1～10 kg/cm2。通過比較經過本系統治療前后疼痛閾值的大小，來驗證本系統對疼痛的緩解是否有療效。試驗設計如下：

a. 選擇測試者左右肩關節周圍岡上肌和岡下肌作為疼痛閾值的測試點。測試時利用測痛儀垂直按壓測試點，緩慢增加壓力，待測試者能感受到疼痛時馬上停止加壓，并記錄此時的疼痛閾值。對每個測試點進行5 次測試并取出平均值，每次測試時間間隔60 s，隨后讓測試者在安靜環境中休息15 min。

b. 休息結束后，使用本系統進行治療，刺激位點的選擇根據中醫腕踝針的臨床經驗，選擇能治療肩關節痛的上5 區[28]，施加臨床中常用鎮痛頻率2 Hz 和100 Hz 的電脈沖交替刺激，交替間隔時間為30 s，脈沖幅度為測試者所能忍受的最大幅度但不能引發疼痛。治療3 min 后再對4 個測試點進行疼痛閾值的測量，每個測試點進行5 次重復測量并取出平均值，每次測量間隔60 s，在進行過程中需要保持電刺激治療。

4 結 果

4.1 輸出電壓測試結果

輸出電壓測試結果如表1 所示。利用示波器觀測不同電阻上的輸出電壓結果如表2 所示。經測試，所得出的最大脈寬（500 μs）方波電刺激脈沖波如圖6 所示。

表1 不同幅值的刺激信號在阻值為3 kΩ 的測試電阻上測試結果Tab.1 Test results of different amplitude stimulation signals on a 3 kΩ resistor

表2 幅值為100 V 的刺激信號在不同阻值的測試電阻上測試結果Tab.2 Test results of 100 V stimulation signals on different resistors

圖6 電刺激脈沖Fig.6 Electrical stimulation pulse

表3 不同頻率的刺激信號在阻值為3 kΩ 的測試電阻上測試結果Tab.3 Test results of different frequency stimulation signals on a 3 kΩ resistor

4.2 人體試驗測試結果

圖7 疼痛閾值比較Fig. 7 Pain threshold comparison

將男性和女性測試者經過本系統治療前后的疼痛閾值求平均值，得出圖7 結果。從圖中可看出，男性受試者與女性受試者在治療后的平均疼痛閾值明顯要高于治療前的閾值，這是因為利用2 Hz 和100 Hz 電脈沖進行治療時，促使體內的腦啡肽、內啡肽、強啡肽及內嗎啡肽釋放，產生了鎮痛的效果。由于同等頻率下男性受試者的皮膚阻抗普遍高于女性受試者，因此圖中呈現出男性受試者治療前后的平均疼痛閾值均高于女性受試者的現象。

5 總 結

系統通過觸摸屏上位機與主控制芯片進行通信，控制升壓電路和極性轉換電路產生不同頻率、幅值、脈寬的雙極性電刺激脈沖波，避免了單一刺激帶來的局限性，適用于腦卒中后偏癱患者的功能恢復、疼痛以及褥瘡的治療與緩解。系統使用電阻代替人體組織用于驗證電路的準確性，通過對正常人進行疼痛閾值實驗得出，電刺激技術能夠緩解人體疼痛，提高人體閾值，但后期還需要通過臨床試驗整個系統是否能夠防治褥瘡以及治療腦卒中后偏癱患者的功能。