Функционална електрична стимулација
ФУНКЦИОНАЛНА ЕЛЕКТРИЧНА стимулација
Функционална електрична стимулација (FES): техника за медицинско закрепнување што користи импулси
низок напон и електрична струја применети за подобрување или целосно враќање на изгубените функции
како резултат на несреќа или болест. Примери се слух, вид, третман на напади
(епилепсија) или тремор кај Паркинсон. Уредите што се користат на FES се некои невропротеза,
бидејќи ја модулира ексцитабилноста на нервното ткиво. На пример, при мозочен удар
(Мозочен удар) или кај повреди на 'рбетниот мозок (SCI) моторни невронски аксони
недопрени се возбудени од електрични полиња воведени во телото со површински електроди или
имплантираат Акционите потенцијали произведени се шират на аксонот и кога ќе ги достигнат врските
Синаптичката завршница на скелетните мускулни влакна генерираат мускулна сила, како во случајот
здрави нерви. FES е многу корисен клинички при активирање на парализираните мускули, на пример во
враќање на функцијата за фаќање на рацете кај пациенти со тетраплегија. FES со електроди
Перкутано применето кај пациенти со повреди на 'рбетниот мозок може да го врати капацитетот
да одиме или да стоиме.
Невромускулна функционална стимулација (FNS) се однесува исклучиво на невромускулниот систем.
1. УРЕДИ И СИСТЕМИ НА ФЕС
Сл. 1: сите современи уреди FES содржат: (1) IRици површина или всадена; (2) а
прилагодлив генератор на напонски или струјни импулси, кои ги снабдуваат со електродите; (3) а
коло на климатизација на импулси, што ја создава посакуваната форма, амплитуда и времетраење; (4) о
контролна единица со или без реакција; (5) а компјутерски микросистем или интерфејс со
компјутер. FES-уредите можат целосно или делумно да се всадат во телото.
Избор на електроди. Критериумите за избор на електродите се анатомски, хируршки,
механичка, електрохемиска, биокомпатибилност, време и економска стабилност. Анатомски фактори
и хируршкиот се однесува на леснотијата на идентификување на местото на стимулација, површината на кожата или преку
имплантација. Во случај на оштетување на електродата, областа за имплантација треба да биде лесна
достапен Механичката јачина е важна за долгорочна употреба на FES (години).
Флексибилните и електроди со мал дијаметар предизвикуваат помалку болка за време на движењето. Спиралите се
посигурен и го намалува механичкиот стрес. Биокомпатибилност и намалување на локалните повреди што можат
се јавува на високо ниво на струја се обезбедува со употреба на инертни материјали (на пр. платина),
платина - легура на иридиум или нерѓосувачки челик).
Вградени електроди може да се постават на или во мускулите (епимизиски електроди, соодветно
интрамускулно). Тие можат да бидат во директен контакт со мускул или периферен нерв во мускулот
или одделени од моторните нерви со мускулно ткиво или може да се всадат во 'рбетниот мозок.
Бидејќи се поблиску до моторните нерви од површинските електроди, всадените дозволуваат a
селективност и подобра повторливост. Тие исто така можат да бидат монополарни или биполарни и
дејствува многу подолги периоди од површинските електроди.
Слика 1. Систем FES содржи контролни сигнали, контролер, под
климатизација/формирање на пулсот, излезна фаза во струја или напон, на една или
повеќеканален и електроден систем
Слика 2. Пример на епимизијални (долни) и интрамускулни (горни) електроди за всадување.
Епимизиската електрода има Pt-Ir диск во центарот и е капсулирана во силикон. на
интрамускуларна е изработена од нерѓосувачки челик и има некои канџи за прицврстување
Слика 3. (а) Имплантиран FES систем за невропротеза на рацете. Позиција на рамото
произведува контролни влезови; (б) надворешната контролна единица го обезбедува интерфејсот
трансдуцер, контролен алгоритам, повеќеканална координација на дразби и напојување
електричен стимулатор-приемник; (в) вграден стимулатор-рецептор произведува стимулација
повеќеканален и испраќа до контролната единица податоци од сензорот; се напојува со a
двонасочен трансформатор без јадро
Слика 4. Повеќеканален стимулатор за имплантирање, кој содржи хибридно коло во капсулата од
титаниум Намотката за примање (лево) е капсулирана во епоксидна смола заедно со
2. Парамери за стимулација
Типична бранова форма во FES е a правоаголен пулсен воз, донесена поради
ефикасност на стимулација и леснотија на генерирање. Сите параметри на овој пулсен воз (фреквенција),
амплитуда и ширина на пулсот) имаат одделни ефекти врз мускулната контракција.
Фреквенцијата на стимулација е генерално намалена за да се спречи замор на мускулите и
за зачувување на стимулационата енергија. Мускулна фреквенција на фузија е фреквенцијата на
што добива одговор на мазен мускул. Оваа фреквенција варира помеѓу 12 Hz и 50 Hz.
За време на стимулацијата се одржува константно за двата типа на електроди.
Ако електроди на површина, модулацијата на мускулната сила се добива со варијација
амплитуда на стимулативни импулси, со постојано одржување на фреквенцијата и ширината
импулси. На пример, за перонеалниот нерв амплитудата е 15 V, а ширината е 200
μdry, и за стимулирање на поголемите мускули ("глутеус максимус") станува мин. 120 V време
Ако имплантирани електроди, параметрите за стимулација силно зависат од местото на имплантација
нивните. Ако електродите се на или околу целниот нерв, амплитудата на стимулацијата е од редот на a
неколку mA. Користете епимизијални (на површината на мускулите) или интрамускулни електроди
амплитуди од прибл. 10 пати поголема. За да се контролира мускулната сила, имплантантни стимулатори прават
повик за модулација на времетраење на пулсот или модулација на амплитуда. На пример, во случајот
тековната амплитуда на горните екстремитети е обично 16-20 mA, и мускулната сила
тој е модулиран со импулси помеѓу 0 и 200 µsec.
Покрај стимулирање на парализираните мускули, важно е да се контролираат и движењата
вештачки производи. Контролниот блок се занимава со производство на некои форми на импулси
стимулација со цел да се добијат посакуваните движења, како и со модификација на овие форми со текот на времето
функционирање, да се поправат несаканите промени во движењето на мускулите.
Главната пречка во развојот на системите за контрола на FES е нелинеарниот карактер
и временски променливи својства на електрично активирани скелетни мускули. За време на замор на FES
мускулите интервенираат на пониско и пониско ниво на стимулација.
Излезот на системот за контрола на FES мора да произведе стабилен, повторлив и
контролирана мускулна сила во широки области на мускулна должина, движење на
електрода и мускулен замор. Со текот на времето, проучени се различните мускулни карактеристики (сила)
активирање, големина и брзина на сила) со користење на моделирање и симулација на мускули.
Слика 5. Контролни системи во FES (отворена јамка, негативни повратни информации и прилагодливи)
Контролните методи се од типот отворена јамка, со негативна реакција и адаптивна контрола (Слика 5).
Тип на стратегија отворена јамка бара многу информации за биомеханичкото однесување на
стимулиран екстремитет. Контролните алгоритми ги специфицираат параметрите на стимулот (влезови на системот
скелетни мускули) кои се неопходни за да се создадат посакуваните движења (излези на системот). Обично,
за „отворена јамка“ параметрите се идентификуваат со методот „обиди и грешки“
грешка ”), и стимулот со одредена бранова форма за одредено движење е зачуван во a
табела за пребарување. Тука има три главни прашања: (i) процесот на специфицирање
единствена бранова форма за одреден пациент бара макотрпна работа од нејзина страна
цел тим на специјалисти (лекар, инженер, терапевт), а перформансите честопати не
го оправдува потрошениот напор; (ii) брановата форма на стимул fi xa можеби не е соодветна после
се јавува замор на мускулите; (iii) брановата форма fi xa не реагира на промените во животната средина (де
на пример, наклон на кој се движи пациентот) и надворешни нарушувања (на пр. грчеви во мускулите).
Системот на контрола на негативни повратни информации (повратна информација) делумно ги решава ограничувањата на првата стратегија
Контрола. Сега сензорите го следат излезот и корекциите на влезот се прават во правец
минимизирање на грешката помеѓу посакуваниот и реалниот излез (исто така добиена со сензори). Затоа што ова
контролата е побавна отколку во случај на отворена јамка, се користи за бавни движења (фаќајќи со
рака) или на статички станици.
Адаптивна контрола најчесто се користи за динамички движења, поврзани со движење. Тој
го комбинира одговорот на контролорот и системот, да биде повеќе линеарен, повторлив, предвидлив и адаптиран
трпелив. Таквиот систем содржи генератор на специфични контролни бранови
секое основно движење, како и бранова форма што адаптивно ги филтрира брановите
генерирани и ги испраќа до мускулите. Така, адаптациите кон пациентот и мускулниот замор се повеќе
Други контролни техники со добри резултати се и пропорционално-деривативниот тип
оној заснован на вештачки нервни мрежи, кој добро се однесува на нелинеарниот карактер на мускулите и
Современите техники на контрола се базираат на обработка на ЕЕГ во апликациите
интерфејс мозок-компјутер (BCI).
4. ТЕРАПЕВТСКИ ЕФЕКТИ НА ФЕС. КЛИНИЧКИ АПЛИКАЦИИ
FES е клинички корисен не само за обновување на изгубените моторни функции, туку и за терапија на некои
невролошки заболувања, по повреди на 'рбетниот мозок или да се зголеми пластичноста на системот
нервозен за медицинско закрепнување. Така, FES ја зголемува издржливоста, вртежниот момент и силата на мускулите
и спречува мускулна атрофија. Исто така ја намалува спастичноста кај одредени нарушувања
невролошки, ја спречува остеопорозата кај парализирани пациенти и жени во менопауза, се подобрува
враќање на фрактури на коските, ја зголемува циркулацијата на крвта, спречува појава на кревети. Сепак,
густината на коските не се зголемува значително со употребата на FES.
Методот на „длабока стимулација на мозокот“ (ДБС) се користи за лекување на невролошки заболувања
дегенеративни болести (Паркинсонова болест), тремор, бавни движења, вкочанетост, проблеми со движење,
блокирање на абнормални нервни сигнали. Стимулаторот на вагусниот нерв има резултати кај пациенти со
Транскутаниот нерв FES третира хронична или акутна болка.
FES применет на гастроинтестиналниот тракт ја намалува дебелината.
4.1 Стимулатори за вметнување - клинички аспекти
4.1.1 Стимулатори за периферни нерви
Манипулација - Потребна е контрола на сложените функции на движење, како што е раката
повеќеканална стимулација. Пример за таков стимулатор за зграпчување и пуштање од
за објект потребни се осум канали и генератор изработен во технологија со густ филм.
Локомоција - Имплантирани стимулатори за корекција на ногата што паѓа кај пациенти
хемиплегичните производи се направени од Медтроник и се ставаат во внатрешниот дел на бутот, околу
перонеален нерв и имаат електроди за епиневрална стимулација. Стимулаторот е исто така нарачан
синхронизирана со одење низ прекинувач во петицата на чевелот.
Здив - Контролата на дишењето вклучува двоканален стимулатор за всадување со електроди
се применуваат билатерално на френичниот нерв. Респираторните нарушувања, како што е високо квалитетна тетраплегија, може да се коригираат
со активирање на овој нерв, кој произведува контракција на секој полу-дијафрагма мускул, што
дејствува наизменично неколку часа (за да се спречи нивна промена ако тие работат континуирано).
Контрола на урина - Тоа е неопходно за лица со повреди на 'рбетниот мозок. области
сакралните пршлени S2, S3 и S4 се стимулираат одделно, што предизвикува контракција на мочниот меур
мокрење и надворешен сфинктер. Повторно применетите пулсни возови предизвикуваат мокрење.
Третман на сколиоза - Идиопатска сколиоза е прогресивно странично искривување на 'рбетот
на адолесцентот, истовремено со нејзината ротација. Електрична стимулација применета на конвексниот дел a
искривување ја намалува, па дури и запира прогресијата на болеста. Стимулацијата се применува наизменично, амплитуда
стимулацијата е помала од 10,5 V, а фреквенцијата и ширината на импулсите се вообичаени.
Електродите FES можат да бидат всадени на површината на мозокот или во нејзината длабочина. Иако не тука FES
произведува функционални движења, тој го „модулира“ патолошкото моторно однесување и со тоа запира a
несакана моторна активност. Во овој случај, стимулаторите се за невромускулна контрола.
• С.мозочна стимулација - Класична апликација е намалување на ефектите од церебрална парализа
деца, со поставување на електроди на површината на мозокот. Лоциран е генераторот на пулсот
поткожно во пределот на градниот кош.
Вагална стимулација - Интермитентна стимулација на вагусниот нерв 30 сек., Проследено со
петминутна пауза ја намалува фреквенцијата на епилептични напади. Стимулатор на градниот кош
има спирална биполарна електрода завиткана околу левиот вагусен нерв во вратот. Параметри на стимулација
се 30 Hz, 500 μsec, 1,75 mA.
Длабока стимулација на мозокот (Длабока стимулација на мозокот) - Може да го намали треперењето
неконтролирано кај пациенти со Паркинсонова болест или суштински тремор. Областа на електродата е
поставени стереотактички во таламусниот регион на мозокот и генераторот на пулсот е внатре
градите. Примена на високи фреквенции на стимулација (130 Hz), времетраење од 60 - 210 μsec и
амплитуди од 0,25 - 2,75 V може веднаш да го елиминираат треперењето на пациентот.
4.1.3 Иднината на имплантирачките стимулатори
1. Дистрибуирани стимулатори
Голем проблем со имплантирачките стимулатори е мноштвото проводни жици што излегуваат
од генераторот на импулси, со непријатности за време на операцијата и за
деградација на ткивото. Едно решение е контролорот со еден излез, кој делува на
мрежа на едноканални микростимулатори вградени во структурата што треба да се стимулира, активирана од а
единечна надворешна калем. Таков стаклено-капсулиран микростимулатор е прикажан на слика 6.
Слика 6. Микростимулатор со димензии 2 × 16 mm. Електродите се направени од тантал и иридиум
2. Известување за имплантирани преведувачи. Генерирани и физиолошки сигнали
Потребни се надворешни извори на контрола, како што е џојстикот контролиран од рамото за движење на рацете
дополнителни ограничувања на пациентите, кои мора да бидат облечени од асистент. Трајна имплантација
на контролните модули на невро-протетски уреди е модерно и ефикасно решение.
На слика 7 е прикажан таков трансдуцер вграден во зглобот, кој се состои од а
магнет и од област на магнетни сензори. Трансдутерот е поврзан со стимулаторот за вметнување,
што обезбедува напојување и ги пренесува податоците со телеметрија до надворешниот контролер.
Миоелектричните сигнали од мускулите кои не влијаат на парализата се уште еден привлечен извор на
контрола за имплантирани невромускулни стимулатори. На пример, засилениот ЕМГ сигнал и
интегриран од стерно-клиидо-мастоидниот мускул содржи доволно информации за контрола на a