功能性电刺激研究在中国的回顾、现状与展望

张定国,朱向阳

功能性电刺激(functional electrical stimulation,FES)的概念起源于上世纪60年代,最早用于矫正足下垂[1]。目前FES尚无精准的定义,狭义的FES可理解为利用人工弱电流脉冲信号刺激瘫痪患者的骨骼肌,以期恢复丧失或受损的运动功能。广义FES的对象不止是骨骼肌,而包括了可以被刺激的各种机体组织,如平滑肌、括约肌、耳蜗神经、视觉神经等。恢复的功能也不只是运动功能,还有包括诸如排尿、听觉、视觉、性功能等[2]。广义FES外延太广,几乎涉及了所有的人工神经电刺激,本文讨论内容以狭义FES为主,即与肌肉有关的电刺激,也称功能性肌肉刺激(FNS)或神经肌肉电刺激(NMES)。归根结底,FES最终刺激的目标其实是神经,主要是与肌肉相关的周围神经。

FES是一个跨学科的交叉研究领域,涉及了神经科学、生物力学、康复医学、控制科学和电子工程等。早期的FES应用基本以理疗为主,凭借一个简单的电刺激器就可以完成。近些年随着电子科技的发展,高级智能的FES系统成为研究主流,其目标是辅助瘫痪患者实现日常运动,日益凸现“功能性”的特点。从工程的角度看,一套完整的FES系统一般包括控制器、刺激器、刺激界面(电极)、传感器和受试对象(瘫痪患者的肌肉系统)。控制器是核心,相当于人体神经系统的大脑,一些先进的控制算法可以赋予控制器强大的功能。控制器调节刺激器产生电脉冲,通过电极刺激肌肉。电极大体上可分为表面电极和植入电极两种,表面电极简单、方便、经济,应用较广,但是准确度和选择性比较差。肌肉在电刺激下收缩,带动肢体运动。传感器检测有关运动信息,比如关节角度,与期望的关节角度进行比较,反馈更新控制器。

1 发展状况

1.1 内地 中国内地的FES研究开始于20世纪80年代。最早的文献出现在1983年,系由古希晨翻译的一篇国外论文[3]。最早的研究成果是郑定光于1984年发布的FES-1功能性电刺激器[4],它是由上海第二医学院、上海无线电二十一厂和浙江象山仪器厂共同研制的。早期比较有代表性的研究工作是由戴克戎等开展的[5]。他们对277例瘫痪患者进行了FES康复效果评估,使用的电刺激器是自制的MFNS-6和MCC-1。这些患者包括外伤性截瘫188例,大脑性瘫痪9例,脑卒中后偏瘫47例,小儿麻痹症21例,其他 12例;年龄5～76岁;病程40 d～36年。在如此大范围内临床评估FES康复效果,至今在国内外都是不多见的。同期,植入式电刺激是由蒋大宗主持开展,其工作更接近于神经刺激的范畴,比如选择性等问题[6],希望利用FES技术解决某些截瘫患者的排尿功能障碍。在动物(犬)上已经做了一些比较成功的实验[7],大致原理是通过电刺激骶神经来控制逼尿肌和括约肌,协调收缩膀胱和尿道,完成排尿功能。在当时的技术环境下,蒋大宗小组的成果在国际上有一定的影响。

为全面了解我国FES研究的发展历史,我们利用“中国知识资源总库(CNKI)”统计了从1980年以来发表的相关文献,包括期刊/会议论文、硕士/博士学位论文、专利,以及其他相关文章。检索日期2010年4月,检索式:“全文=功能性电刺激”,共检索到1984篇;使用检索式“关键词=功能性电刺激”,共检索到395篇。

统计显示,1990年～2009年,每年发表的与FES相关的文献数目分别为 30、16、20、33、21、28、30、34、42、48、83、88、102、102、124、139、197、249、248、233篇。可以看出 FES 研究发展趋势良好,尤其是近几年文献数目增长很快。从2002年以后,FES相关的文献基本稳定在100篇以上。

中国的FES研究大部分以理疗康复为主,即康复医学方面的应用研究占主流,如脑卒中康复[8-9]、截瘫康复[10]、痉挛康复[11]、肌肉萎缩康复[12]等,这些研究基本都使用表面电刺激。我们比较关注FES系统的理论研究和设计开发。FES系统代表着科技发展水平,先进的FES系统将会给医院和患者带来更大的方便和利益。当然,FES系统不仅仅是作为一种单纯的仪器设备在医院里使用,最终目标是要能辅助瘫痪患者实现在日常生活中的运动,所以系统的研发和设计尤为重要。我国FES系统研发水平较低,文献不多,近几年明显改善。

从2009年的文献数据统计来看,一共有233篇相关文献,真正与FES有密切关系的文献大概有115篇,大体上包括4个研究方向:康复评估(63篇)、系统研发(23篇)、生理研究(12篇)和综述(17篇)。其他类文献有118篇,包括了人工耳蜗、视觉假体、针灸电疗等研究,这些都不是我们所指的FES。当然还有其他大量误检索的文献。我们发现,FES系统研发的文献占了总数的20%,几乎是所占比例最高的一年。仍以2009年为例,这233篇文献中,硕士和博士的学位论文有79篇,展示了FES拥有强大的科研新生力量和后备基础。

同时我们专门调研了近些年关于FES系统的发明专利,这预示了FES系统未来走向产品化和市场化的潜力,检索结果是大概有20个左右,而且全部都是近3年的发明专利。表明目前我国FES研究已经从科研阶段开始走向市场应用,前景广阔。

清华大学的毕胜和窦惠英等研究了迭代算法来设计FES控制器,目的是控制下肢的往复循环运动[13-14]。哈工大姜洪源等在英国格拉斯哥大学Prof.Hunt小组的协助下开展了FES脚踏车的研究,主要研究工作是关于FES控制算法(比如模糊PID算法和鲁棒PID算法)和肌肉系统建模仿真,取得了一些成果[15-17]。天津大学明东等设计了一套基于12导联应变片电桥网络的FES步行器测力系统,利用危势轨迹图技术检测步行器倾翻指数,作为评估因子来直观显示截瘫患者在行走过程中的步态稳定性[18-19]。目前,脑机接口(brain-computer interface,BCI)技术发展迅猛,BCI与FES的结合应用是研究的热点。国内与时俱进,也有了一些相关研究,如天津大学的王明时小组[20]、清华大学的高上凯小组[21]和上海交通大学的朱向阳小组[22]已经分别利用BCI对FES进行控制,其基本原理是对脑电(EEG)信号进行处理(特征提取、模式识别等技术手段),检测瘫痪患者的想象运动,作为触发信号来控制FES。

近几年海外回归的学者,比如蓝宁[23]、何际平[24]、张定国[25]、沙宁[26-27]等,在FES领域各自都有一些研究成果和贡献。前3位主要是在FES的控制系统设计以及神经肌肉系统建模与控制上有深入研究,后1位则在FES表面电极的设计上有贡献。但这些成果大部分都是以前在国外取得的。

1.2 香港和台湾 相比内地来说,台湾和香港的FES研究,尤其是系统研发方面,相对比较成熟。香港理工大学有比较深厚的基础,汤启宇从20世纪90年代末开始一直从事FES技术方面的相关研究[28],在香港理工大学成立了FES研究中心[29],与清华大学高上凯小组和浙江大学郑筱祥小组分别有相关的合作。另外,Eric Cheng等研发了FES刺激器的硬件设计[30]。还有一些学者在FES康复效果评估进行了比较出色的临床研究[31-32]。

在台湾,代表性的工作也不少。如张国清等利用神经网络技术设计FES系统控制膝关节运动[33];陈家军等利用模糊逻辑控制FES脚踏车[34];陈健智等利用肌电(EMG)信号控制FES脚踏车[35];Chen等研发了一种多功能通用的 FES系统[36];Chen等研发了闭环控制的FES下肢步态训练系统[37]等。对于这两个地区FES研究发展的总体情况,由于缺乏合适的数据库支持,暂时无法获取更为全面的信息。

2 总结与展望

本文回顾了近30年中国FES研究的发展情况,总体上发展势头良好,尤其是近几年高级智能的FES系统研发实力日益增强,技术上的进步与提高将会促进FES更为广泛和有效的应用。根据2006年第二次中国残疾人抽样检查,我国大概有2412万肢体残疾患者。而且我国已经迈入了老龄化社会,对于先进的康复系统和辅助系统的需求日益增加。研发面向医院的FES康复理疗系统是比较容易实现的目标,但研发面向生活、辅助瘫痪患者日常运动的FES系统却是个长期的目标,在国际上一直都是个难题。FES系统的控制源是关键,蓬勃发展的脑机接口技术为其提供了一个契机[38]。单纯的FES系统有很多局限,最大的问题是患者肌肉萎缩,难以产生足够的力量支持运动,所以与康复机器人相结合是未来发展的一个方向[39]。

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