FES介绍.ppt

采用表面阵列电极的功能性电刺激系统研究 硕士学位论文 学位申请人 黄涛 目录 一、功能性电刺激相关概念介绍 二、国内外研究现状 三、功能性电刺激原理 四、FES 系统设计 五、人体试用实验 六、采用表面阵列电极的电刺激仿真研究 一、功能性电刺激相关概念介绍 功能性电刺激（Functional Electrical Stimulation，FES）通过小电流刺激患者肌肉组织，引起肌肉收缩,从而使肢体产生动作，使瘫痪或衰退的肌肉重建或恢复功能，达到治疗和功能康复与重建的目的。 狭义的 FES 定义为利用低频电脉冲信号对刺激患者的一组或多组肌肉，由于瘫痪患者肌肉中的运动神经元是完整的，肌肉还是具有运动收缩的能力，因此通过刺激能使得肌肉收缩或者模拟正常肌肉自主运动，以期恢复丧失或受损的运动功能。 广义 FES 的对象较宽泛,除肌肉外还包括耳蜗神经、视觉神经等可以被刺激的各种机体组织。恢复的功能也不只是运动功能, 还有包括诸如听觉、视觉等[1]。 FES 是一个涉及到康复医学、神经科学、控制科学等的跨学科交叉研究领域，一个完整的 FES 系统如图 1-1 所示，包括了控制器，刺激器，刺激电极以及反馈系统（关节角度传感器、肌电信号检测）。刺激器主要用于产生刺激信号，刺激信号通过刺激电极输入至人体，反馈系统的作用是将刺激效果反馈至控制器。 图 1-1 FES 系统用于人体前臂康复的实验平台 在通过 FES 进行康复治疗的过程中，使用的电极对刺激效果有着重要的影响。目前使用的刺激电极大体分为两类：表面式和植入式。由于植入式电极在使用时需要进行手术，这一定程度上限制了植入式电极的适用性。 表面式电极具有无创、使用简单方便等优点，因此应用较广泛。但是表面式电极同时也有明显的缺陷：刺激准确度和选择性较差，容易激活目标神经周围的神经，产生不必要的刺激。并且在实际应用中将表面电极贴在最佳刺激位置的难度较大，而且运动训练过程中随着刺激部位姿态的改变，刺激靶点与表面电极会产生相对移动，从而影响刺激效果。 近来，为了改善表面电刺激的刺激效果，提高刺激的选择性，研究者发明了表面阵列电极[2,3]。 由多个电极触点组成的表面阵列电极在改进刺激选择性和控制能力方面具有一定的优越性能，随着不同电极触点被激活，能在阵列电极的基底形成不同形状的刺激电场，从而形成不同形状的虚拟刺激电极，通过改变激活的电极触点，虚拟电极的位置和尺寸将发生变化，实现刺激位置以及刺激范围的动态调整。 另一方面，阵列电极触点的大小、间距及排列模式都会影响刺激电流的分布，从而影响到刺激效果[4~6]。目前，阵列电极的设计多是通过反复试验的方法，机理并不清楚。 二、国内外研究现状 国外对 FES 的研究起步较早，美国医生 Liberson[7]在 1961 年首先使用脚踏开关控制电流刺激腓神经控制的肌肉，使踝关节背屈，成功矫正足下垂，帮助患者行走，为电刺激在脑卒中偏瘫后运动功能恢复方面的应用开创了先河。次年，该方法正式定名为功能性电刺激（FES）。 此后，在 Liberson 的基础上，各国学者纷纷展开研究。 早期的 FES 刺激器都是单通道的，最为典型的是 Philips 腓神经功能性电刺激器，如图 1-2 所示，只有一对电极：D（非作用电极）E（刺激电极）。 图 1-2 Philips 腓神经功能性电刺激器。（A-刺激器盒,B-橡皮导管,C-前方有气囊的鞋垫,D-非作用极,E-刺激电极,F-湿海棉） 1975 年 Takebe[8]等使用该刺激器做了 3 例临床实验，在经过 5 周的训练后，偏瘫患者的背屈肌力量都得到改善，其中一例患者的踝关节主动活动范围由 6 度增至 20 度。 日本医科大学的 Hara[9]等认为 FES 治疗时刺激本体感觉反馈是其不可忽视的作用。该研究小组自主开发了一种由肌电信号控制的刺激器，该刺激器的特点在于： 仅装配有一对表面电极 对电极在输出刺激信号同时记录肌电信号 通过反馈的肌电信号调节刺激信号的强度 在临床上，研究小组对 16 例发病 1 年以上脑卒中患者进行了 4 个月的电刺激治疗，每周治疗次数为 1~2 次，每次治疗时间为 40 分钟，最终的治疗结果证明 FES 对慢性脑卒中患者上肢功能改善有明显疗效，能改善上肢的痉挛及腕、指关节的活动度。 FES 脚踏车系统是 FES 技术与康复训练的结合，是 FES 技术在康复领域的应用研究。1983 年,Glaser[10]等在实验中通过对患者的腿部肌肉进行电刺激，使其能蹬踏二轮车实现运动。他们成功地帮助偏瘫患者实现了预期的运动,提出该运动在提高患者运动能力、增强心肺功能、防止肌肉萎缩等方面具有积极作用。验证了 FES 脚踏车系统应用于康复训练的可行性。在此之后，国外各种不同的 F