Функционална електрическа стимулация
ФУНКЦИОНАЛНА ЕЛЕКТРИЧЕСКА СТИМУЛАЦИЯ
Функционална електрическа стимулация (FES): медицинска техника за възстановяване, която използва импулси
ниско напрежение и електрически ток, прилагани за подобряване или напълно възстановяване на загубени функции
в резултат на злополука или заболяване. Примери за това са слух, зрение, конвулсии
(епилепсия) или тремор при Паркинсон. Устройствата, използвани на FES, са някои невропротеза,
защото модулира възбудимостта на нервната тъкан. Например при инсулт
(Инсулт) или при наранявания на гръбначния мозък (SCI) моторни неврони аксони
непокътнати се възбуждат от електрически полета, въведени в тялото от повърхностни електроди или
имплант. Произведените потенциали за действие се разпространяват по аксона и когато достигнат връзките
Синаптичният край на скелетните мускулни влакна генерира мускулна сила, както в случая
здрави нерви. FES е много полезен клинично при активиране на парализирани мускули, например при
възстановяване на функцията за хващане на ръцете при пациенти с тетраплегия. FES с електроди
Перкутанното приложение при пациенти с увреждания на гръбначния мозък може да възстанови капацитета
да ходи или да стои.
Невромускулно функционално стимулиране (FNS) се прилага изключително за нервно-мускулната система.
1. FES УСТРОЙСТВА И СИСТЕМИ
Фиг. 1: всички съвременни FES устройства съдържат: (1) електроди повърхностна или имплантирана; (2) а
регулируем генератор на импулси на напрежение или ток, които ги подават към електродите; (3) а
климатична верига на импулсите, което произвежда желаната форма, амплитуда и продължителност; (4) o
контролен блок със или без реакция; (5) а изчислителна микросистема или а интерфейс с
компютър. Устройствата FES могат да бъдат имплантирани изцяло или частично в тялото.
Избор на електроди. Критериите за избор на електроди са анатомични, хирургични,
механична, електрохимична, биосъвместимост, време и икономическа стабилност. Анатомични фактори
и хирургически се отнася до лекотата на идентифициране на мястото на стимулация, повърхността на кожата или през нея
имплантация. В случай на повреда на електрода, зоната на имплантиране трябва да е лека
достъпни. Механичната якост е важна за дългосрочната употреба на FES (години).
Гъвкавите електроди с малък диаметър причиняват по-малко болка по време на движение. Спиралите са
по-надеждни и намаляват механичното напрежение. Биосъвместимост и намаляване на локалните наранявания, които могат
възниква при високи нива на ток се осигурява от използването на инертни материали (например платина,
платина - иридий или сплав от неръждаема стомана).
Имплантирани електроди могат да се поставят върху или в мускулите (епимизиални електроди, съответно
интрамускулно). Те могат да са в пряк контакт с мускул или периферен нерв вътре в мускула
или отделени от двигателните нерви чрез мускулна тъкан, или могат да бъдат имплантирани в гръбначния мозък.
По-близо до двигателните нерви, отколкото повърхностните електроди, имплантируемите позволяват a
селективност и по-добра повторяемост. Те също могат да бъдат монополярни или биполярни и
той действа много по-дълго от повърхностните електроди.
Фигура 1. Система FES съдържа управляващи сигнали, контролер, под
импулсно кондициониране/формиране, изходен етап в ток или напрежение, на един или
многоканална и електродна система
Фигура 2. Пример за епимизиални (отдолу) и интрамускулни (отгоре) имплантируеми електроди.
Епимизиалният електрод има Pt-Ir диск в центъра и е капсулиран в силикон. на
интрамускулно е направен от неръждаема стомана и има някои фиксиращи нокти
Фигура 3. (а) Имплантируема FES система за невропротезиране на ръцете. Позиция на рамото
произвежда контролни входове; (б) външният блок за управление осигурява интерфейс
преобразувател, алгоритъм за управление, многоканална координация на стимули и захранване
електрически стимулатор-приемник; (в) имплантираният стимулатор-рецептор произвежда стимулация
многоканален и изпраща на контролния блок данни от сензора; той се захранва от a
двупосочен трансформатор без сърцевина
Фигура 4. Многоканален имплантируем стимулатор, който съдържа хибридна верига в капсулата на
титан. Приемната намотка (вляво) е капсулирана в епоксидна смола заедно с
2. ПАРАМЕТРИ ЗА СТИМУЛИРАНЕ
Типичната форма на вълната при FES е правоъгълен импулсен влак, приет в срок
ефективност на стимулиране и лекота на генериране. Всички параметри на този импулсен механизъм (честота,
амплитуда и ширина на пулса) имат отделни ефекти върху мускулната контракция.
Честотата на стимулация обикновено се намалява, за да се предотврати мускулната умора и
за запазване на стимулационната енергия. Мускулна честота на сливане е честотата при
което получава гладка мускулна реакция. Тази честота варира между 12 Hz и 50 Hz.
По време на стимулацията той се поддържа постоянен и за двата вида електроди.
Ако повърхностни електроди, модулация на мускулната сила се получава чрез вариация
амплитуда на стимулационни импулси, с постоянно поддържане на честота и ширина
импулси. Например, за перонеалния нерв амплитудата е 15 V, а ширината е 200
µdry и за стимулиране на по-големите мускули („gluteus maximus“) става мин. 120 V време
Ако имплантируеми електроди, параметрите на стимулация силно зависят от мястото на имплантиране
техен. Ако електродите са върху или около целевия нерв, амплитудата на стимулацията е от порядъка на a
няколко mA. Използват се епимизиални (на повърхността на мускула) или интрамускулни електроди
амплитуди от ок. 10 пъти по-голям. За контрол на мускулната сила, имплантируемите стимулатори го правят
покана за модулация на продължителността на импулса или амплитудна модулация. Например в случая
амплитуда на тока на горните крайници обикновено е 16-20 mA и мускулна сила
той се модулира с импулси между 0 и 200 µsec.
В допълнение към стимулирането на парализираните мускули е важно да контролирате движенията си
изкуствени продукти. Контролният блок се занимава с производството на някои форми на импулси
стимулация, за да се получат желаните движения, както и с модифицирането на тези форми във времето
функционира, за да коригира нежеланите промени в мускулното движение.
Основната пречка за развитието на системите за управление на FES е нелинейният характер
и вариращи във времето свойства на електрически активирани скелетни мускули. По време на FES умора
мускулите се намесват при по-ниски и по-ниски нива на стимулация.
Изходът на системата за управление на FES трябва да произвежда стабилни, повторяеми и
контролируема мускулна сила в широки области на мускулна дължина, движение на
умора от електрод и мускули. С течение на времето са изследвани различни мускулни характеристики (сила)
активиране, размер и скорост на сила) с помощта на мускулно моделиране и симулация.
Фигура 5. Системи за управление на FES (отворен контур, отрицателна обратна връзка и адаптивни)
Методите за контрол са от типа отворен цикъл, с отрицателна реакция и адаптивно управление (Фиг. 5).
Тип стратегия отворен цикъл изисква много информация за биомеханичното поведение на
стимулиран крайник. Алгоритмите за управление определят параметри на стимула (системни входове
скелетни мускули), които са необходими за постигане на желаните движения (изходи на системата). Обикновено,
за "отворен цикъл" параметрите се идентифицират по метода "проба и грешка"
грешка ”), а стимулът с определена форма на вълната за определено движение се съхранява в a
таблица за справки. Тук има три основни проблема: (i) процесът на уточняване
единична форма на вълната за конкретен пациент изисква трудоемка работа от своя страна
цял екип от специалисти (лекар, инженер, терапевт), а представянето често не
оправдава изразходваните усилия; (ii) формата на стимула fi xa може да не е подходяща след
възниква мускулна умора; (iii) формата на вълната fi xa не реагира на промени в околната среда (de
напр. наклонът, по който се движи пациентът) и външни смущения (напр. мускулни спазми).
Системата на контрол на отрицателната обратна връзка (обратна връзка) частично решава ограниченията на първата стратегия
Контрол. Сега сензорите следят изхода и корекциите на входа се правят в посока
минимизиране на грешката между желания и реалния изход (също се получава със сензори). Защото това
управлението е по-бавно, отколкото в случай на отворен цикъл, той се използва за бавни движения (хващане с
ръка) или на статични станции.
Адаптивно управление най-често се използва за динамични движения, свързани с движението. Той
той съчетава реакцията на контролера и системата, като е по-линеен, повторяем, предсказуем и адаптиран
търпелив. Такава система съдържа генератор на специфични контролни форми на вълната
всяко основно движение, както и форма на вълната, която адаптивно филтрира вълните
генерира и ги изпраща към мускулите. По този начин адаптациите към пациента и към мускулната умора са повече
Други техники за контрол с добри резултати са и пропорционално-производното
този, базиран на изкуствени невронни мрежи, който се справя добре с нелинейния характер на мускулите и
Съвременните техники за контрол се основават на ЕЕГ обработка в приложения
интерфейс мозък-компютър (BCI).
4. ТЕРАПЕВТИЧНИ ЕФЕКТИ НА FES. КЛИНИЧНИ ПРИЛОЖЕНИЯ
FES е клинично полезен не само за възстановяване на загубени двигателни функции, но и за терапия на някои
неврологични заболявания, след наранявания на гръбначния мозък или за увеличаване на пластичността на системата
изнервен за медицинско възстановяване. По този начин FES увеличава издръжливостта, въртящия момент и мускулната сила
и предотвратява мускулната атрофия. Също така намалява спастичността при определени нарушения
неврологично, предотвратява остеопороза при парализирани пациенти и жени в менопауза, подобрява се
възстановяване на костни фрактури, увеличава кръвообращението, предотвратява рани от залежаване. въпреки това,
костната плътност не се увеличава значително с използването на FES.
Методът "дълбока мозъчна стимулация" (DBS) се използва за лечение на неврологични заболявания
дегенеративни заболявания (болест на Паркинсон), тремор, бавни движения, скованост, проблеми с движението,
блокиране на анормални нервни сигнали. Стимулаторът на блуждаещия нерв има резултати при пациенти с
Транскутанният нерв FES лекува хронична или остра болка.
FES, прилаган върху стомашно-чревния тракт, намалява затлъстяването.
4.1 Имплантируеми стимулатори - клинични аспекти
4.1.1 Стимулатори за периферни нерви
Манипулация - Контролът на сложни функции на движение, като ръката, изисква
многоканална стимулация. Пример за такъв стимулатор за хващане и пускане на a
обектът изисква осем канала и генератор, направен по технология на дебел филм.
Локомоция - Имплантируеми стимулатори за корекция на падащия крак при пациенти
хемиплегиците са направени от Medtronic и се поставят във вътрешната част на бедрото, заобикаляща
перонеален нерв и с електроди за епиневрална стимулация. Стимулаторът също е поръчан
синхронизирано с ходене през превключвател в петата на обувката.
Дъх - Респираторният контрол включва двуканален имплантируем стимулатор с електроди
прилага се двустранно върху диафрагмалния нерв. Респираторни нарушения като високостепенна тетраплегия могат да бъдат коригирани
чрез активиране на този нерв, който произвежда свиването на всеки полудиафрагмен мускул, който
действа последователно в продължение на няколко часа (за да предотврати промяната им, ако работят непрекъснато).
Контрол на урината - Необходим е за хора с увреждания на гръбначния мозък. области
сакралните прешлени S2, S3 и S4 се стимулират отделно, което причинява свиване на пикочния мехур
уриниране и външен сфинктер. Многократно прилаганите импулсни влакове причиняват уриниране.
Лечение на сколиоза - Идиопатичната сколиоза е прогресивно странично изкривяване на гръбначния стълб
на юношата, едновременно с ротацията му. Електрическа стимулация, приложена към изпъкналата част a
кривината намалява или дори спира прогресията на заболяването. Стимулацията се прилага периодично, амплитудно
стимулацията е по-малка от 10,5 V, а честотата и ширината на импулсите са обичайните.
Електродите FES могат да се имплантират на повърхността на мозъка или в неговата дълбочина. Макар и не тук FES
произвежда функционални движения, той "модулира" патологично двигателно поведение и по този начин спира a
нежелана двигателна активност. В този случай стимулаторите са за нервно-мускулен контрол.
• Смозъчна стимулация - Класическо приложение е да се намалят ефектите от церебралната парализа
деца, чрез поставяне на електроди на повърхността на мозъка. Разположен е генераторът на импулси
подкожно в областта на гръдния кош.
Вагусна стимулация - Интермитентна стимулация на блуждаещия нерв за 30 секунди, последвана от
петминутна почивка намалява честотата на епилептичните припадъци. Стимулатор на гърдите
има спирален биполярен електрод, увит около левия блуждаещ нерв на шията. Параметри на стимулация
са 30 Hz, 500 µsec, 1,75 mA.
Дълбока мозъчна стимулация (Дълбока мозъчна стимулация) - Може да намали тремора
неконтролируемо при пациенти с болест на Паркинсон или есенциален тремор. Площта на електрода е
поставен стереотактично в таламичната област на мозъка и генераторът на импулси е в
гръден кош. Прилагане на високи честоти на стимулация (130 Hz), продължителност от 60 - 210 µsec и
амплитуди от 0,25 - 2,75 V могат незабавно да премахнат тремора на пациента.
4.1.3 Бъдещето на имплантируемите стимулатори
1. Разпределени стимулатори
Основен проблем с имплантируемите стимулатори е множеството проводящи проводници, които излизат
от генератора на импулси, с неудобства по време на операция и за
разграждане на тъканите. Едно решение е контролерът с един изход, който действа
мрежа от едноканални микростимулатори, имплантирани в структурата, която трябва да се стимулира, активирана от a
единична външна намотка. Такъв микростимулатор със капсулиран стъкло е показан на фигура 6.
Фигура 6. Микростимулатор с размери 2 × 16 mm. Електродите са изработени от тантал и иридий
2. Уведомяване за имплантируеми преводачи. Генерирани и физиологични сигнали
Необходими са външни контролни източници, като например джойстик с ръчен контрол за движение на ръката
допълнителни ограничения за пациенти, които трябва да бъдат облечени от асистент. Постоянна имплантация
на контролните модули на невро-протезни устройства е модерно и ефективно решение.
Фигура 7 показва такъв датчик, имплантиран в китката, който се състои от a
магнит и от област на магнитни сензори. Преобразувателят е свързан с имплантируемия стимулатор,
който осигурява захранването и предава данните чрез телеметрия към външния контролер.
Миоелектричните сигнали от мускулите, незасегнати от парализата, са друг атрактивен източник на
контрол за имплантируеми нервно-мускулни стимулатори. Например усиленият EMG сигнал и
интегриран от стерно-клейдо-мастоидния мускул съдържа достатъчно информация за контрол на a