功能性电刺激(FES):迄今为止的临床成功与失败
加德阿隆*
马里兰大学埃默尼斯助理教授,医学院,物理治疗和康复科学学院,巴尔的摩,MD 21201,USA
*通讯地址:Gad Alon,美国马里兰大学医学院,物理治疗与康复科学系,马里兰州巴尔的摩市,21201,美国,Email: galon@som.umaryland.edu
日期:提交:2018年10月26日;批准:2018年11月1日;发表:2018年11月02
如何引用这篇文章:功能性电刺激(FES):迄今为止的临床成功和失败。J Nov Physiother Rehabil. 2018;2: 080 - 086。DOI:10.29328/journal.jnpr.1001022
版权:©2018 Alon G。这是一篇根据知识共享署名许金博宝app体育可证发行的开放获取文章,允许在任何媒体上不受限制地使用、发行和复制,前提是原创作品被正确引用。
摘要
几十年来,神经肌肉电刺激(NMES)和功能电刺激(FES)形式的无创电刺激作为一种可选的评估和治疗技术已被记录在案。相比之下,支持FES增强肌肉力量生成和增加大脑损伤后运动控制恢复的强大临床证据的翻译似乎有限。此外,通过使用FES作为康复医学的标准护理选择,使许多患者恢复运动能力仍未实现。这种观点是在多年的临床研究、教学和病人护理的合作经验中形成的,有一个共同的目标,即促进病人的康复结果。从幼儿到老年人,从医院的重症监护病房到家庭环境,FES在整个生命周期的使用的重复证据支持了临床成功。应用包括管理与肌肉骨骼、神经系统、心肺或周围血管系统相关的多种缺陷。这些成功在很大程度上是由于技术进步导致了今天的可穿戴无线FES系统,该系统被用于康复护理的连续过程中。然而,同样也有很多人无法从FES的使用中获益,这使得大多数患者无法使用该技术来最大限度地提高康复效果。最关键的失败是临床和技术上的。虽然已经公布了许多阻碍NMES和FES利用的障碍,但这一观点的重点是到目前为止还没有考虑到的障碍。
介绍
功能电刺激(FES)是一种良好的技术,旨在提高损伤脑,脊髓,肌肉骨骼和外周血管系统后的恢复。FES目前在世界各地的临床实践中使用,并在多年来正在利用电子硬件和软件的快速发展,以及生物相容性可穿戴材料的显着增殖。可穿戴无线FES系统最近的临床部署标志着在康复医学中整个护理连续内的治疗选项的目标的转折点。典型的FE包括通过非侵入性表面电极输送的刺激器,非常短的持续时间的电脉冲,通常持续10-500μsec。这些脉冲激发外周感觉和电机神经,从而导致骨骼肌的收缩,同时在整个中央和外围神经网络中同时调制神经连接[1-4]。在许多同行评审科学出版物中,这些刺激器被称为神经肌肉电刺激器(NMES)。当在特定任务的性能或日常功能期间应用这些刺激器时,术语Fes而不是NMES更适当地描述这些刺激器的利用。详细讨论在临床实践中利用FES的情况已经通过其他地方的ALON发表[5]。
控制无创FES/NMES应用的机制已经在已发表的临床试验中描述和清楚描述。一连串的事件在分子水平上认识到包括igf - 1的老年病,调制的MuRF-1(阳性atrophy-related基因),和老年病相关标记区分卫星细胞导致细胞外基质重塑,这可能恢复训练的骨骼肌的机械力,维持卫星细胞功能,减少纤维化[6,7]。其他研究表明,电诱导收缩显著增加总RNA含量,降低蛋白质降解[8],增加体细胞质量,减弱细胞内水的减少,缓解动脉血流动力学障碍[9],降低与全身炎症相关的肿瘤坏死因子(tnf - α),增加-内啡肽水平。这些分子和细胞代谢活动的增强都是标记支持历史悠久的临床数据证明使用菲斯是可能导致显著提高肌肉力量强度赤字是否由于肌肉骨骼损伤,神经或cardiovascular-pulmonary系统(第11 - 15)。此外,骨骼肌的FES激活已被证明可以增强动脉、静脉和淋巴流[16-19],同时将多模态传入信号传递到大脑感兴趣区域(ROI)的多个位点[1-4]。总的来说,支持使用FES治疗身体和功能缺陷的机制和临床益处的科学是强大的,但FES作为日常临床实践中的常见治疗选择充其量是有限的。
FES作为临床培训工具
传统上,FES主要用于提升下肢和上肢功能[11,12,16,20-24],较少用于激活腹部和躯干肌肉[8,25,26]。多年来,FES系统包括一个电池供电的刺激器,通过导线连接到刺激电极和一个有线外部触发器,以使肌肉收缩与功能活动同步[27,28]。由于硬件、软件和生物相容性材料的进步,患者和临床医生开始使用一般称为可穿戴的无线FES系统[22,29-31]。这些最新的系统是由每个病人自行管理和控制的。由于不引人注目,它们可以舒适地穿在衣服下面,同时在家庭和社区中发挥作用。FES的效用可分为FES依赖性,即使患者能够执行没有FES无法完成的特定任务或功能,或FES独立(重新学习),即患者在有限的时间内使用FES,以最大限度地减少损伤和功能障碍,同时重新学习如何在没有FES的情况下最终执行特定的任务和功能。最初,当患者开始FES训练时,他们都依赖FES更好地行走或更好地利用麻痹肢体[32,33]。随着时间的推移,部分患者应该会达到独立的目标,不再需要FES,而其他患者在可预见的未来仍将继续依赖FES。FES未能达到独立,很可能表明大脑、脊髓或两者中的感觉-运动网络的连通性没有充分重建到损伤前的连通性。
使用FES的未恢复损伤预损伤连接可能是源于内在的,可能对中央和周边身体系统的损坏。这些损害赔偿在这种观点中不考虑,而不是由于各种原因的患者的未订阅数量,而不是FES干预的候选者。在最近的一篇论文中,Auchstaetter及其同事通过临床实践中的物理治疗师来确定FES的许多障碍[34]。这些障碍以及患者容忍或报销挑战在内的实际问题同样不是本文的重点。这种透视关注应该,但不会被筛选为潜在的候选人,以受益于FES培训。目前方法的许多缺点可能会对这些患者产生不利影响。例如,来自多中心随机临床试验的典型共聚物图表明,只有约10%的行程幸存者满足纳入标准[35,36]。结果,90%的中风幸存者不太可能从研究的公布结果中受益。同样,应挑战分类响应者和非响应者的方法。众所周知,患有包括FES的物理康复干预的患者和患者跨患者的变异性[37]。 Accordingly, changing the focus from group response to each individual patient’s needs and perception of benefits, should increase considerably the number of beneficiaries from FES training [38]. As written elsewhere in details [5], this author proposal to clinicians and researchers is to adopt a personalized clinical approach. The approach must be predicated on the ability to identify each patient’s physical functional deficits, and utilize FES to restore in part or in full her/his functional ability. As stated above the multitude of other documented barriers are outside the scope of this perspective.
先进的FES系统是可穿戴的、无线的,可以由用户独立应用,它们都能在步行或上肢使用时提供预定的刺激强度[24,29,30,32,33]。这些开环技术诱导强力肌肉收缩,而不管患者在皮质或皮质下产生多少收缩——这意味着独立于FES。这可能解释了为什么大多数患者在使用FES数月或数年后仍然依赖FES。克服这些缺点,实现上肢的功能使用或运动,而不再依赖FES,或最大限度地发挥FES依赖的功能,一个可能的途径是开发一个闭环系统。该系统使用迭代算法(步骤序列的重复)来控制电诱导的目标肌肉收缩的预期水平[20,39-41]。制定迭代算法的常见要求是构建一个预期的运动模式,该模式表征步行或非步行的日常功能,如站立和坐下来。算法也被开发用于上肢抓取、抓取、移动和释放物体。此外,提高大脑运动网络内连通性的恢复从而控制日常生活活动(ADL)的指导原则包括适当的闭环控制的应用。有了这样的控制,每个患者都可以使用自己的内部感觉-运动控制系统,并添加FES,只是为了完成内部控制无法实现的部分动作。
迭代算法依赖于通常使用无创肌电图(EMG)或运动传感器获得的输入信号[42-46]。不太常见的是使用脑电图(EEG)衍生信号来控制FES[47,48]。肌电图和运动感知输入都可以从肢体或远程非肢体位置获得。EMG处理的进步,特别是诱发的EMG记录和必要硬件的小型化,满足了将其与FES结合作为无线穿戴系统的需求,为FES诱发的收缩提供连续闭环控制[43,49]。很少有研究人员通过无线“搭桥”非麻痹肌电信号来远程增加或减少电引起的收缩[42]。使用肌电或脑电图驱动的控制信号的主要限制包括硬件电路、尺寸、电池消耗和系统成本的增加。Wang等人[42]或Knutson及其同事[21]提出的使用非麻痹肢体控制麻痹上肢的方法限制了非麻痹肢体参与功能性ADL,因为持续需要控制麻痹肢体的比例开、闭和移动。
使用惯性测量单元(IMU)是运动传感器,可能证明是FES闭环控制的首选选项[41,50,51],这些运动传感器的尺寸很小,可以集成在FES的同一电子电路中[16],可以与系统的其他传感器进行无线通信,并且功耗很小。使用两个或多个运动传感器可以提供连续的运动学数据,特别是在执行特定任务或日常功能期间的单个关节运动范围(ROM)[41,52,53]。管理运动传感器数据的迭代方法可用于控制完成任务所需的刺激强度[44,54]。不幸的是,上述参考研究是在实验室环境中进行的,其作为商业产品在临床实践中的效用尚待测试。商用系统将运动传感器用作触发器(开-关),以在任务或功能的正确时间激活FES,但不控制所需的刺激强度[22,24,29,30]。这种局限性可以解释为什么大多数患者尽管每天服用了几年,仍然依赖FES。
最新可穿戴的无线FES系统的其他限制包括诱导肌肉收缩的低分辨率,缺乏可验证的算法来扩展FES的效用,以训练非步行的日常功能,包括独立站立和坐下的训练。文献[36]也认识到,FES与其他康复技术(如EEG控制FES[55,56],或可穿戴机器人和虚拟现实系统[57])的临床价值耦合的可用性有限。通过使用多路复用器和小电极阵列[39,58]或操纵脉冲参数[1]来提高FES引起的肌肉收缩的分辨率的尝试已经产生了一些有趣的发现和电子创新。但到目前为止,这些研究努力也未能成为康复医学中可行的商业产品。总的来说,研究人员面临的主要挑战是设计、建造、制造,并将可靠、经济、耐用的闭环控制可穿戴无线FES系统推向市场。
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