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(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院 ，上海 200093）

電刺激作為康復(fù)工程中一種重要技術(shù)，被廣泛用于改善人體功能的失調(diào)，或恢復(fù)喪失的功能[1]。臨床中常利用電刺激技術(shù)幫助腦卒中后偏癱患者恢復(fù)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(fù)的物理治療手段，通過低頻電流刺激單獨(dú)的肌肉或肌肉群，達(dá)到改善或恢復(fù)被刺激肌肉運(yùn)動(dòng)功能的目的。

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

另外，電刺激技術(shù)通過對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行刺激，能觸發(fā)內(nèi)源性神經(jīng)調(diào)控系統(tǒng)的作用機(jī)制或疼痛閘門控制機(jī)制，從而產(chǎn)生鎮(zhèn)痛效果，提高人體的疼痛閾值。電刺激療法中的經(jīng)皮神經(jīng)電刺激療法（TENS）具有長期的研究歷史和理論基礎(chǔ)，且具有療效好、持續(xù)時(shí)間長、費(fèi)用低、無創(chuàng)、非藥理性等特點(diǎn)，已經(jīng)成為臨床鎮(zhèn)痛治療中的替代療法[11]。

本文針對(duì)腦卒中后遺癥，分析臨床上常用的治療參數(shù)，設(shè)計(jì)了多模式電刺激治療系統(tǒng)，可用于包括肢體功能障礙、褥瘡及疼痛在內(nèi)的多種疾病的防治。

1 電刺激系統(tǒng)在康復(fù)中的應(yīng)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(yùn)動(dòng)療法、作業(yè)療法和物理治療，物理治療中的電刺激技術(shù)以其使用簡單、便捷等特點(diǎn)，在臨床上得到廣泛應(yīng)用。江征等[12]采用電刺激技術(shù)（刺激頻率為35 Hz，強(qiáng)度為10～50 mA，脈寬為200 μs 的方波）治療的患者相對(duì)于只使用常規(guī)康復(fù)方法的患者在Brunnstrom 上肢手分級(jí)、Fugl-Meyer 上肢功能評(píng)分有明顯提高?？梢?，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(qiáng)度20～30 mA、脈寬為200 μs 的單向方波對(duì)患者患側(cè)肌肉進(jìn)行電刺激，刺激持續(xù)時(shí)間5～10 s，進(jìn)行4 周治療后，患者上肢與手的運(yùn)動(dòng)功能明顯提高。陳鵬[14]采用NMES21 型神經(jīng)肌電促通儀對(duì)患者偏癱側(cè)的上肢伸腕肌、肱三頭肌、三角肌等肌肉進(jìn)行刺激。他們研究中的電刺激采用連續(xù)雙向?qū)ΨQ方波，頻率3～100 Hz，脈寬250～300 μs，刺激強(qiáng)度0～38 mA，治療3 周后，發(fā)現(xiàn)采用電刺激技術(shù)的治療組其運(yùn)動(dòng)功能評(píng)估量表（MAS）評(píng)分和SF-36 評(píng)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(yīng)用

根據(jù)褥瘡發(fā)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(shù)等。在電刺激進(jìn)行防治褥瘡的治療中，王熠釗等[15]通過對(duì)40 名受試者采用4 Hz 的經(jīng)皮神經(jīng)電刺激療法后，發(fā)現(xiàn)一定的神經(jīng)電刺激能明顯促進(jìn)皮膚血流量的增加。Janssen等[16]發(fā)現(xiàn)利用35 Hz 電刺激脈沖引起肌肉強(qiáng)直收縮時(shí)，可顯著增加患者股動(dòng)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(jì)進(jìn)行為期6 周的訓(xùn)練后發(fā)現(xiàn)，此訓(xùn)練能夠增加其大導(dǎo)管動(dòng)脈的橫截面積以及提高了腿部的血流量。此外，相關(guān)研究表明，電刺激療法能加快創(chuàng)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(duì)小腿靜脈性潰瘍的患者進(jìn)行治療后發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過電刺激的患者，其創(chuàng)面愈合速度最快。Houghton 等[19]對(duì)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(jìn)行治療，治療4 周后發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過電刺激后患者的潰瘍面積比未經(jīng)過電刺激患者的潰瘍面積明顯縮小。從Sara Ud-Din 的實(shí)驗(yàn)比較中得出，在高壓脈沖電流（HVPC）、TENS、頻率節(jié)律電調(diào)制系統(tǒng)（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(shù)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(shù)療法、電刺激療法等。但藥物療法易產(chǎn)生依賴性[21]，而手術(shù)鎮(zhèn)痛恢復(fù)速度緩慢[22]。電刺激療法中的經(jīng)皮神經(jīng)電刺激療法（TENS）具有長期的研究歷史和理論基礎(chǔ)，已經(jīng)成為臨床鎮(zhèn)痛治療中的替代療法[11]，其主流的鎮(zhèn)痛機(jī)理包含閘門控制學(xué)說和內(nèi)源性嗎啡樣物質(zhì)釋放假說。大量的臨床試驗(yàn)得出利用2 Hz，脈寬為100 μs 的方波，電流強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)的TENS 可以輔助或者獨(dú)立用于分娩時(shí)鎮(zhèn)痛[23]，其機(jī)理為2 Hz 的電刺激治療能夠促使腦釋放內(nèi)啡肽，從而起到提高疼痛閾值的作用。韓濟(jì)生院士的團(tuán)隊(duì)[24]經(jīng)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(qiáng)啡肽、內(nèi)啡肽及內(nèi)嗎啡肽的釋放，加強(qiáng)鎮(zhèn)痛的效果。此外，基于閘門控制學(xué)說的TENS 療法認(rèn)為高頻低強(qiáng)度的電刺激（一般為80～110 Hz，脈寬為0.1～0.2 ms）可興奮傳導(dǎo)外周觸覺和壓力感覺的粗纖維（Aβ 纖維），進(jìn)而興奮T 細(xì)胞周圍的膠質(zhì)細(xì)胞（SG 細(xì)胞），抑制細(xì)纖維的疼痛刺激上傳。李小梅[11]使用韓氏穴位神經(jīng)刺激儀對(duì)18 例包括頸、腰、骶部疾患在內(nèi)的慢性疼痛患者進(jìn)行2 Hz、100 Hz 疏密波經(jīng)皮電刺激，發(fā)現(xiàn)對(duì)慢性疼痛的短期療效顯著。楊宗林等[25]對(duì)60 例ASA 1-2 級(jí)擇期行腹腔鏡下卵巢囊腫切除術(shù)患者使用經(jīng)皮穴位電刺激（經(jīng)皮穴位電刺激為TENS 與針灸穴位相結(jié)合的療法）復(fù)合全麻療法，其刺激頻率為2～100 Hz，電流強(qiáng)度為30～80 mA，每次刺激30 min。并且觀察該療法鎮(zhèn)靜藥異丙酚和阿片類鎮(zhèn)痛藥瑞芬太尼用量、術(shù)后蘇醒時(shí)間及對(duì)內(nèi)源性阿片肽樣介質(zhì)β-內(nèi)啡肽及細(xì)胞因子白介素-2 水平的影響，發(fā)現(xiàn)血漿中β-內(nèi)啡肽和細(xì)胞因子白介素-2 水平升高，顯著增強(qiáng)了鎮(zhèn)痛作用，并且減少了全麻藥物的用量，縮短了術(shù)后蘇醒的時(shí)間。經(jīng)皮穴位電刺激也被用于緩解中樞性神經(jīng)痛。歐海寧等[26]利用波寬150 μs、頻率100 Hz、電療強(qiáng)度0～10 mA 可調(diào)的雙向方波對(duì)中樞性神經(jīng)痛患者進(jìn)行治療后發(fā)現(xiàn)，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(fù)時(shí)，由于刺激的目標(biāo)為較大的肌肉組織且可能是深層肌肉組織，在治療時(shí)應(yīng)該選擇較大的電刺激脈寬200～500 μs 進(jìn)行刺激且電刺激頻率為0～100 Hz。褥瘡常見的表現(xiàn)為皮膚局部潰爛或者壞死，是屬于有創(chuàng)性的病癥。因此應(yīng)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(chuàng)傷面的愈合。鎮(zhèn)痛研究結(jié)果表明，利用2 Hz、100 Hz 電脈沖交替對(duì)人體進(jìn)行刺激治療時(shí)，能促進(jìn)體內(nèi)嗎啡樣鎮(zhèn)痛物質(zhì)的釋放，而且利用80～100 Hz 的高頻低強(qiáng)度電脈沖波能夠抑制細(xì)纖維疼痛刺激的上傳。在鎮(zhèn)痛治療時(shí)應(yīng)選擇適宜的單位刺激時(shí)間，刺激時(shí)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(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文研發(fā)了一款體積小、輕便、操作簡單的多模式電刺激系統(tǒng)。為了取得更好的刺激效果，需根據(jù)不同的刺激目標(biāo)和治療模式選擇合適的電刺激參數(shù)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的參數(shù)調(diào)節(jié)范圍如下：頻率1～500 Hz，脈寬1～500 μs，電壓1～100 V。系統(tǒng)將可以在上述較為寬松的參數(shù)模式下，實(shí)現(xiàn)多模式電刺激的目標(biāo)。系統(tǒng)主要包括電源模塊、升壓模塊、極性轉(zhuǎn)換電路，通過觸摸屏上位機(jī)與主控制芯片STM32L152RCT6 相互通信，進(jìn)而輸出各個(gè)模式的電刺激脈沖波，系統(tǒng)框圖如圖1 所示。下文主要對(duì)升壓模塊與極性轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行介紹。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 System block diagram

2.2 硬件系統(tǒng)

2.2.1 升壓模塊

整個(gè)系統(tǒng)的供電電壓僅為+3.3 V，由于每個(gè)人的皮膚阻抗都不相同，為了達(dá)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(tǒng)采用了改進(jìn)型的boost 升壓電路將+3.3 V 電壓調(diào)節(jié)至0～（+100 V）可調(diào)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(gè)系統(tǒng)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(fù)二極管；Q1，Q2 均為三極管；C5 為儲(chǔ)能電容；L1 為儲(chǔ)能電感。

圖2 升壓電路Fig.2 Boost circuit

升壓電路由主芯片發(fā)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(chǔ)能作用，配合二極管D3 的續(xù)流作用，達(dá)到升壓的效果，在儲(chǔ)能電容C5 端得到所需的電刺激電壓。當(dāng)控制升壓電路的占空比達(dá)到1 時(shí)，輸出電壓V 達(dá)到最大值100 V，負(fù)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(zhuǎn)換電路

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

圖3 極性轉(zhuǎn)換電路Fig.3 Schematic diagram of the polarity conversion circuit

圖4 極性轉(zhuǎn)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(dǎo)致電流過大而造成人體損傷。主控芯片產(chǎn)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(zhuǎn)換電路輸出雙向電脈沖。當(dāng)PWM2 為高電平時(shí)，PWM3 處于低電平狀態(tài)，電流從Uin 經(jīng)Q4、R11、電極S2、電極S1、Q6 流向地端；相反，當(dāng)PWM3 為高電平時(shí)，PWM2 為低電平狀態(tài)，電流由Uin、Q3、R10、電極S1、電極S2、Q7 流向地端；當(dāng)PWM2 和PWM3 都為低電平時(shí)，電極兩端的電壓相同，無電流流過。刺激電極對(duì)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(jìn)行電刺激。

2.3 軟件系統(tǒng)

由于本系統(tǒng)功能較多，為了方便老年患者使用，該系統(tǒng)采用了智能串口（USART232）觸摸屏與主控制芯片的相互通信。系統(tǒng)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(tǒng)性能測試

設(shè)計(jì)的電刺激系統(tǒng)屬于恒壓型電刺激，其輸出電壓不受負(fù)載電阻的影響。當(dāng)刺激電壓施加到目標(biāo)組織后其電壓大小及波形等不會(huì)受到目標(biāo)組織阻抗大小的影響，只與輸入的電刺激信號(hào)有關(guān)。下面將對(duì)系統(tǒng)的幅值、脈寬、頻率參數(shù)進(jìn)行測試。

3.1 系統(tǒng)輸出試驗(yàn)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(hào)的輸出結(jié)果。緊接著使用刺激信號(hào)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(shè)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(shù)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(shí)際輸出脈沖的頻率與理論頻率是否一致。

3.2 人體試驗(yàn)測試

本試驗(yàn)以16 位健康成人（23～26 歲）作為試驗(yàn)對(duì)象，男女各8 名。測試前確保測試者均無肌肉、骨骼和關(guān)節(jié)類疾病，近期全身無疼痛，并未使用止痛藥物。試驗(yàn)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(qiáng)度[27]，該測痛儀是由一頂端面積為1 cm2的壓力棒，通過內(nèi)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(jīng)過本系統(tǒng)治療前后疼痛閾值的大小，來驗(yàn)證本系統(tǒng)對(duì)疼痛的緩解是否有療效。試驗(yàn)設(shè)計(jì)如下：

a. 選擇測試者左右肩關(guān)節(jié)周圍岡上肌和岡下肌作為疼痛閾值的測試點(diǎn)。測試時(shí)利用測痛儀垂直按壓測試點(diǎn)，緩慢增加壓力，待測試者能感受到疼痛時(shí)馬上停止加壓，并記錄此時(shí)的疼痛閾值。對(duì)每個(gè)測試點(diǎn)進(jìn)行5 次測試并取出平均值，每次測試時(shí)間間隔60 s，隨后讓測試者在安靜環(huán)境中休息15 min。

b. 休息結(jié)束后，使用本系統(tǒng)進(jìn)行治療，刺激位點(diǎn)的選擇根據(jù)中醫(yī)腕踝針的臨床經(jīng)驗(yàn)，選擇能治療肩關(guān)節(jié)痛的上5 區(qū)[28]，施加臨床中常用鎮(zhèn)痛頻率2 Hz 和100 Hz 的電脈沖交替刺激，交替間隔時(shí)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(fā)疼痛。治療3 min 后再對(duì)4 個(gè)測試點(diǎn)進(jìn)行疼痛閾值的測量，每個(gè)測試點(diǎn)進(jìn)行5 次重復(fù)測量并取出平均值，每次測量間隔60 s，在進(jìn)行過程中需要保持電刺激治療。

4 結(jié) 果

4.1 輸出電壓測試結(jié)果

輸出電壓測試結(jié)果如表1 所示。利用示波器觀測不同電阻上的輸出電壓結(jié)果如表2 所示。經(jīng)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(hào)在阻值為3 kΩ 的測試電阻上測試結(jié)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(hào)在不同阻值的測試電阻上測試結(jié)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(hào)在阻值為3 kΩ 的測試電阻上測試結(jié)果Tab.3 Test results of different frequency stimulation signals on a 3 kΩ resistor

4.2 人體試驗(yàn)測試結(jié)果

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

將男性和女性測試者經(jīng)過本系統(tǒng)治療前后的疼痛閾值求平均值，得出圖7 結(jié)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?yàn)槔? Hz 和100 Hz 電脈沖進(jìn)行治療時(shí)，促使體內(nèi)的腦啡肽、內(nèi)啡肽、強(qiáng)啡肽及內(nèi)嗎啡肽釋放，產(chǎn)生了鎮(zhèn)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(xiàn)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(xiàn)象。

5 總 結(jié)

系統(tǒng)通過觸摸屏上位機(jī)與主控制芯片進(jìn)行通信，控制升壓電路和極性轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)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(fù)、疼痛以及褥瘡的治療與緩解。系統(tǒng)使用電阻代替人體組織用于驗(yàn)證電路的準(zhǔn)確性，通過對(duì)正常人進(jìn)行疼痛閾值實(shí)驗(yàn)得出，電刺激技術(shù)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(yàn)整個(gè)系統(tǒng)是否能夠防治褥瘡以及治療腦卒中后偏癱患者的功能。