低频电刺激在脑卒中后肢体运动功能障碍治疗中的应用*

张淑君，张亚男，2，3，4，刘 健，2，3，4，李 礼，2，5，王 舒，2，3，4

1.天津中医药大学第一附属医院，天津 300381；2.国家中医针灸临床医学研究中心，天津 300381；3.天津市针灸学重点实验室，天津 300381；4.国家中医药管理局脑病针刺疗法重点实验室，天津 300381；5.北京大学前沿交叉学科研究院，北京 1000871

脑卒中是影响我国居民健康的重要因素，2017年我国城市居民卒中患病率达6.3%［1］，全球新发卒中患者中我国占比40%［2］，随着医疗水平提高，脑卒中的致死率不断减低，但是研究显示仍有3/4 的幸存者遗留肢体运动功能障碍［3］，其中仅有5%～34%的患者上肢运动功能可以完全康复［4］，下肢经过康复能辅助步行的仅占50%，完全恢复独立步行的占7%［5］。卒中后的肢体功能康复是临床研究的重点。

低频电刺激，即低频电脉冲疗法（Low frequency impulse electrotherapy），是应用频率1 000 Hz 以下的脉冲电流治疗疾病的方法，从上世纪80年代开始，低频电刺激逐渐用于脑卒中后的肢体运动功能康复，具有兴奋神经、肌肉，促进局部血液循环、缓解疼痛等作用［6］。近年来低频电刺激疗法与新兴科技相结合，提供了更加丰富的电刺激治疗手段。基于此，本文对当前国内外常见低频电刺激治疗的功用、研究进展进行总结，报告如下。

1 卒中后运动功能康复及低频电刺激治疗机制

1.1 脑卒中后运动功能康复机制

脑卒中的运动功能障碍早期表现为肌力、肌张力减低，灵活性丧失，后期常出现肌肉痉挛伴异常运动模式，其一系列症状属于“上运动神经元损伤综合征”，肌张力、肌力、运动模式、发育性反射等所有与运动功能相关的内容均参与评定。中枢受损后对肢体运动控制障碍的机制，可以用经典的“反射—等级模型”及后来逐渐兴起的“神经网络理论”“多系统理论”来解释。

反射—等级模型是最经典也是最广泛接受的中枢运动控制理论，强调大脑皮层、脑干、脊髓按照由高到低的级别控制人体运动，正常情况下较高级水平的运动中枢会抑制较低水平的反射，脑卒中后高级中枢受损对下位中枢的原始反射系统失去控制，因而出现脊髓、脑干水平的低级反射。反射—等级模型还指出肢体精确的运动来自中枢对外周感觉输入的控制、调整，感觉传入与处理的障碍影响肢体运动功能［7］。传统的Bobath康复理论就是以反射—等级模型作为基础解释症状的产生，其治疗强调对异常运动进行“反射性抑制”，尽最大可能向中枢传送正常的运动、感觉刺激，使高级中枢对低级中枢逐渐形成新的抑制，切断低级中枢与肢体形成的异常“短路循环”，从而在脑卒中后促进正常姿势反射的出现［7-8］。神经网络理论和多系统理论从另一个方面阐释了大脑对运动的控制，其认为过去的等级模型降低了运动中下位中枢、外周的作用。大量的神经元之间相互连接组成复杂的网络体系，连接的牢固性因反复使用而加强因废用而减弱，运动的产生是多系统间相互作用的综合效应，人类的实践活动在中枢神经系统的网络体系中形成了快速、优化的网络，直接对运动产生程序化的控制［9］。然而脑卒中使优化运动路线遭到破坏，产生运动功能障碍。这种理论是“运动再学习”康复方法的理论基础，“运动再学习”治疗强调大脑的可塑性，通过任务为中心的训练使患者对具体任务的动作形成正确认知并熟练完成，进而使神经元之间以新的连接方式完成“功能重建”。当前对于卒中后出现运动功能障碍的原因并没有定论，但是以上主流的假说为治疗提供了一定理论基础，其理论也在临床实践中不断发展、丰富。

1.2 低频电刺激治疗机制

低频电刺激能影响肌肉神经营养因子的生成和分泌，加速神经轴突的侧支发芽和新突触产生，使Ⅱ型肌纤维（易疲劳）转变成Ⅰ型肌纤维（不易疲劳），直接缓解肌肉疲劳，提高肌力［10］。此外，还增强外周血管反应性，促进血管扩张，减轻组织水肿［11］。对痉挛肢体的电刺激，能兴奋拮抗肌下方的感觉、运动神经纤维，从而增加中枢对痉挛肌肉的交互抑制与突触前抑制，以起到缓解痉挛的效果［12-13］。有研究显示，电刺激还增强患侧大脑血流，提高大脑可塑性［14-15］。需要说明的是，上述的机制主要是对于被动的电刺激［如神经肌肉电刺激（NMES）、经皮神经电刺激（TENS）］产生的效果，而使患者主动参与运动的电刺激，如功能性电刺激（FES）系统在以上机制的基础上，还通过辅助肢体完成具体任务，促进残留部分的功能重建和非损伤组织的代偿来实现卒中后的“运动再学习”［16］。

2 低频电刺激疗法的分类及应用

低频电刺激发展至今，种类逐渐增多。本文根据电刺激与患者的交互特点，将低频电刺激分为NMES、TENS和FES系统。

2.1 NMES

NMES在国内外治疗卒中后瘫痪已有40多年历史，一般的刺激频率以能引起肌肉收缩而不造成过度疲劳为标准，常选择12～50 Hz，通过调节波幅（0～100 mA）、波宽（0～300 us）来控制肌肉收缩的力量［17］。

Cinara Stein 的Meta 分析［18］表明，NMES 结合其他治疗有效地缓解卒中后痉挛，增加关节的活动范围，并指出在增强患者对运动的控制和提高肢体运动功能方面也有获益。当前许多临床试验肯定了NMES在卒中后急性期、亚急性期对肢体运动功能的康复作用［19-21］，且有残余运动能力的肢体会获得更好的治疗效果，疗效持续2～6个月［19，21］。

2.2 TENS

TENS 是上世纪70 年代由Long 和Shealy 发明并申请专利，最初是基于“闸门控制学说”，以感觉阈上的强度（不引起肌肉收缩）刺激感觉神经纤维以减轻、消除疼痛，常用的治疗参数为频率100 Hz、波宽100 us 的方波［5］。上世纪80年代以来生物工程以及信息技术的发展，使其强度、波形、频率的变化更为多样，TENS 的概念不再局限于使用固定的参数治疗疼痛，凡是体表电刺激均属于广义TENS 的范畴，衍生出针刺型、调制型、混合型等多种类型，在卒中肢体康复领域得到广泛应用。

Kyoungsim［22］应用频率100 Hz，脉宽200 us 的TENS对卒中患者患侧腓神经进行电刺激，并结合坐立训练，6周治疗后患者下肢痉挛改善，步行能力、平衡能力均高于假TENS 结合坐立训练的对照组。Maclinco［23］关于TENS治疗痉挛的Meta分析显示TENS能有效减少卒中后下肢痉挛，增强下肢步行能力。

2.3 FES系统

FES 是用低频脉冲电流刺激结构完整的下运动神经元，模拟肢体功能性活动，治疗神经肌肉疾患的一种方法。FES产生特定动作的原理在于电刺激引起运动神经纤维兴奋，其轴突的兴奋电位到达脊髓后传导至相应的肌肉（顺向传递），引起特定肌肉收缩［24-25］。同时FES系统在辅助完成具体动作的过程中，还可实现视觉、触觉等感觉输入，增强大脑的反馈、判断能力，使运动功能不断调整、整合。同时增加了患者完成任务的兴趣。前期研究［26-27］认为，FES伴特定运动训练模式，是感觉反馈与运动输出的结合，能促进神经系统可塑性，建立优化的运动通路。

FES 参数设置类似NMES，频率多在20～60 Hz，为防止肌肉疲劳，刺激强度和刺激脉宽一般低于100mA 和600～700 us，通 电／断 电 比 一 般 设 置 为1:5～1:1FES 与NMES 的主要的区别在于FES 是通过提前编程的低频电流诱发肌肉运动，完成一个任务，而NMES则更侧重于引起肌肉收缩而作为一种物理治疗［24］。当前FES 与机械技术、计算机技术和机器人技术相结合，在传统的功能性电刺激基础上衍生出的肌电触发FES、肌电控制FES、脑-机接口控制的FES等，不仅拓宽了FES的治疗方法，更为其应用开辟了新的领域。

2.4 传统FES

传统FES是指开/关控制的FES，以人为设定的强度刺激相关肌肉，完成设定的动作，Khan等［28］设计的随机对照试验，治疗组患者FES结合物理治疗，对照组为物理治疗，治疗4 周后发现FES 结合物理治疗更有助于上肢运动功能恢复，并且经过随访肯定了传统FES 的长期疗效。Marquezchin［29］应用FES 治疗卒中后较重的上肢瘫痪（FMA-UE＜15），1 月治疗后，结果显示FES 加常规康复的治疗组上肢运动功能和日常生活能力均优于单纯康复的对照组。虽然传统FES 已由最初为单通道发展为多通道FES，仍然难以准确地控制复杂运动，常用于卒中早期完成患者对正确运动姿势的认知。

2.5 肌电触发FES

肌电触发FES是生物反馈治疗技术中的一个分支，能检测、转换骨骼肌主动兴奋时产生的肌电活动，当患者自主尝试肢体活动的肌电信号达到阈电位，系统产生固定参数的周期性刺激脉冲使肌肉收缩［24］。沈娟［30］应用肌电触发FES 联合rood 技术治疗脑卒中后足下垂，连续干预6 周后治疗组患者的下肢运动功能、踝关节活动、平衡能力都较单纯Rood 治疗的对照组提高。Young Kim［31］的系统回顾指出肌电触发FES作为辅助治疗对卒中后手和上肢功能的恢复是有积极意义的，且肌电触发FES的疗效优于传统FES治疗。

肌电触发FES可以在传统FES治疗基础上，调动患者的注意力和想象力，增强患者自主参与意识，结合视觉和感官的反馈进一步加强康复效果。但是和传统FES 一样，难以对患者的复杂运动实现精确控制，进一步发展出肌电控制的FES 与脑—机接口控制的FES 对此问题进行了改进［32］。

2.6 肌电控制的功能性电刺激（EMG-controlled FES）

肌电控制的FES产生的刺激脉冲强度与所探测的EMG信号成正比，即刺激产生的肌肉收缩力量与自主意愿发力成比例，从而增加了运动控制的精确性，避免了传统开环FES过度刺激的缺点，减少能量消耗和肌肉疲劳［33］。当前对于肌电控制的FES 研究多集中在上肢，Mayo［34］报道了肌电控制的FES治疗上肢痉挛，在痉挛患者注射肉毒素后进行4个月的治疗可以有效地降低上肢痉挛、提高运动功能，并肯定肌电控制的FES对患侧肢体精准的运动控制作用。Hara［25］的综述中提到肌电控制的FES 增加患侧大脑血流和运动感觉区域的兴奋性，认为肌电控制的FES对上肢及手运动功能的康复优于简单的电刺激。

2.7 脑—机接口控制的功能性电刺激（BCI-controlled FES）

脑—机接口技术（Brain-Computer Interface， BCI）是通过计算机提取并解码人体运动意图信息，并将其编码。BCI 通过功能性电刺激技术（FES）代替大脑发出的神经控制命令来激发相关肌肉活动、驱动受损肢体完成预期动作，达到恢复或替代肢体运动功能目的［35］，BCI 控制的FES实现了患者自主运动与电刺激治疗、运动精确控制的结合，常被称为“神经假体技术”，除了康复作用以外，更重要的是帮助失去康复意义的肢体重新获得运动功能。但是因其成本较大，技术尚未完全成熟，当前只是散在病例报告［36］，并未在临床广泛应用。

肌电控制的FES 和脑-机接口控制的FES 是对肢体运动的闭环反馈，能实现对患者的运动产生更精确的调节［24，37］，尤其是脑—机接口控制的FES在康复治疗中能使患者的运动意图与相应动作紧密连接，已不仅是肢体康复训练的工具，更作为“神经假体”技术辅助瘫痪肢体实现重新运动。McGie等［38］研究认为肌电控制FES与脑机接口控制的FES在短期内比传统FES治疗能更有助于促进中枢神经可塑性，产生更好疗效。

3 低频电刺激临床应用与展望

因为FES在电刺激基础上结合运动导向的训练，其与被动电刺激相比或许更有临床治疗优势，但是当前在临床试验中对FES 的治疗优势并没有取得一致的结论。Shin-Jun Park［39］比较TENS与FES在单次30 min治疗后对步行康复的疗效，TENS 治疗后步行相关参数没有改变，而FES 起到了康复效果。Sharif［40］对比了传统FES 与NMES对于卒中后步行的治疗效果，FES在TUGT、肢体运动、平衡能力、步行恢复方面要优于NMES。而Wilson［41］对比NMES、肌电触发FES与TENS对卒中后上肢运动功能的恢复效果，进行多中心、单盲、平行对照试验，治疗频次2 次/周，8 周后3 组均较前提高，而三组之间的疗效差异并没有统计学意义。同样Boyaci的试验显示［42］，患者主动参与的肌电触发FES对上肢运动功能康复的效果与被动的NMES 相比，并没有明显优势，原因可能是肌电触发FES难以精确调节上肢肌肉收缩以完成动作从而影响治疗效果。

目前临床上低频电刺激的类型多样，不论疗效优劣，其在临床应用中有各自的治疗特点。TENS 作为被动的低频电刺激，对穴位产生的“类针刺”效果一直是研究热点，作为针刺的替代治疗更易被患者接受。在卒中后肢体康复方面，FES、NMES 引起特定肌肉收缩，易增加卒中后肢体痉挛［43］，而TENS作为感觉阈上的刺激，避免了肌肉的过度收缩与疲劳，现常应用高频TENS（100Hz）与康复结合用于痉挛的防治［44］。NMES因治疗无需患者过多参与，急性期、意识障碍以及严重运动损害的患者均可使用，可以在脑卒中早期促进患者运动功能恢复。还应当指出，TENS、NMES 等被动的电刺激因操作简单、费用较低、患者易接受，更适宜在社区、家庭推广。对于FES因为包含肢体康复和辅助患者实现肢体运动的作用，疗效可能有一定优势，但是仍存在痉挛患者常难以形成有效的肌肉收缩和难以准确兴奋目标肌肉的问题［43］，在未来，FES作为“神经假体”的应用将进一步发展，实现便携化、网络化并更加逼近自然肢体功能［35］。

低频电刺激的疗效受许多因素的影响，如患者病情的严重程度、治疗参数的选择等，在临床中常常针对患者实际病情和耐受程度来确定合适的刺激参数，同时也需要更多的研究来确定治疗的最优参数使参数设置更加规范化、专业化［10］。另外，虽然低频电刺激有改善卒中后运动功能的作用，但是在许多大型的临床试验中［45-46］电刺激治疗并没有优于常规的康复治疗。针对低频电刺激有限的治疗作用，现在有越来越多的研究认识到没有哪一种单独的治疗方式可以实现卒中后肢体运动的完全恢复，低频电刺激疗法在临床应更多地是与其他康复治疗相结合共同发挥作用。