肌电刺激仪器在医学中的应用

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1肌电刺激原理

人体的肌肉分为平滑肌和横纹肌两大类，横纹肌有心肌与骨肌之分，其中骨横纹肌占身体重量的40%，是身体中最重要的组成部分.骨横纹肌由肌纤维组成，肌纤维又分成两类二

1.1工型纤维，也称红纤维或慢纤维。其细胞质缺乏肌原纤维，收缩潜能弱，纤维直径小，收缩速度慢，约为100ms左右，收缩力也仅为2g左右.通常是维持耐久力的纤维。

1.2且型纤维，也称白纤维或快纤维，其细胞质有肌原纤维，故具有较强的收缩潜能，其直径约为慢纤维的两倍，收缩速度快，约为30ms左右，收缩力大，约5鲍，是取得力和速度的纤维‘骨肌收缩是一种有意识的行为，先是由中枢神经系统释放出神经冲动，经脊髓然后到周边神经，最后到肌肉诱发肌肉之收缩。而功能肌电刺激则是根据肌肉收缩之生理从外部施加具有确定频率和强度的电脉冲用于获取神经对它的影响，产生神经冲动去控制肌纤维的收缩•功能肌电刺激的主要意义在于人们可以选择一种频率来传播电脉冲，使肌纤维根据期望的结果来改善人体的耐久力、力量和速度。当一根肌纤维接收到一神经冲动时，它的反应是先收缩后放松()。不同纤维收缩放松的周期是不一样的，最慢的为0.1秒，最快的可以是30毫秒.日常生活中人们所做的运动都是由较弱强度的收缩所引起的，起作用的主要是慢纤维，它们平均每秒接收10个神经冲动。但这些运动并不是由10次连续的收缩放松运动所决定的，它们是灵活的和精确的。所参加运动的肌纤维并不一起收缩，当一根肌纤维收缩时，另一根则放松，然后另一根开始收缩，接下来又有一根放松，如此等等。

因此只要每秒接收到的冲动不大于10次，这种较弱的肌收缩就将是十分规则，所产生的张力也将是恒定的.为了获得较强的肌肉力，参加收缩的纤维将倾向于同步收缩，这样肌肉的收缩力将相加，力量越来越大，而动作的精确性就越差.当达到最大收缩时，人就倾向于抖动。在解释肌肉力增加的机理时，涉及到两个基本的现象，亦即收缩的空间征集现象和收缩的时间征集现象。一根纤维的收缩力loo时间(司冲动肌纤维收缩与神经活动的关系为增加一块肌肉收缩产生的力，应增加同时收缩的肌纤维数，这便是纤维收缩的空间征集现象。前面已提到，肌纤维有工型和n型之分，而n型纤维中又可以再细分为:na型:中纤维，具有红和白的两种特性;Ilb型:仅具有白的特性;nc型:从工型到n型或从n到工型过渡的类型.一张肌纤维收缩的空间征集图。在中等程度用力时，首先参加收缩的是工型、慢)纤维，当用力很强时，na型纤维开始加人，而当用力十分强且达到最大值时，nb型纤维参加收缩，这几种不同纤维产生的力累积起来便能使肌肉产生十分大的力。从体育训练的角度来说，由于快纤维具有较大的纤维直径，为增加肌肉的体积，在作肌电刺激时，就应采取很强力的练习来达到目的‘通常肌纤维在接收到一个神经冲动时先收缩后放松，当接收到下一个冲动时再开始一个收缩放松的周期。

对慢纤维来说这种周期约为0.1秒.当接收到连续的神经冲动时，肌纤维以规则的收缩一放松来响应()‘但当神经冲动频率超过肌纤维的响应频率时，肌纤维在完成头一个收缩尚来不及完全放松便要接受下一个冲动并重新开始收缩.这样新收缩所产生的力便加人剩余的张力之中，收缩强度便增加()。当进一步增加收缩频率时，一根纤维上所开始的新的收缩将越来越少地放松，连续收缩的累积度越来越高，收缩力便增强。当频率越来越高时，最终会达到这样一个阶段，此时连续收缩混在一起彼此不能互相区分，这一状态称为强直收缩。为获得强直收缩，应使神经冲动在纤维处于收缩高峰时到来。这一现象便是收缩的时间征集现象。肌电刺激法正是根据这两种基本的征集现象，有目的地选择刺激电流的频率和强度，来达到激活不同的肌纤维最终获取治疗和训练的目的.当人们希望用电刺激法来增加肌肉的体积时，则应增加刺激的强度;而当需要增加力量时，则应调动一切的纤维来进行收缩，此时须增加刺激电流的频率。通常一根慢纤维要达强直收缩，应施加的刺激频率至少为33Hz。当刺激频率超过70Hz时，理论上讲此时所有类型的纤维都将达强直收缩状态.因此在对患者或运动员作功能肌电刺激时，所采用的频率均高于100Hz。此外，在对患者进行运动治疗时，应区分不同的肌肉群选择不同的频率和强度进行组合，以获得取佳的治疗效果。

2微机控制肌力训练与康复仪

功能肌电刺激的最经常的用途是使在因伤病被迫不动之后已萎缩的肌肉重新恢复机能.肌电刺激自1970年问世以来用于治疗方面已有较长的历史，对肌电刺激治疗仪的研究也越来越广泛。刺激电流的设计是肌电刺激的一个关键问题.Kotz在1970年首先采用肌电刺激进行研究时采用的是一种方波电流，这种电流尽管能有效地激活肌肉，但由于它具有极性，当对训练对象长期使用时会对皮肤产生灼伤.因此后人在对第一代电流一Kotz电流研究的基础上，又发展了第二代和第三代电流。目前广泛使用的是第三代电流，这是一种交替型脉冲电流，对人体不会产生烧伤，人感觉舒服.这种电流还符合肌收缩的生理性，亦即符合肌收缩的同步性和空间征集特征，使用第三代电流的刺激仪通常内装一微处理机，用它产生交替或补偿的脉冲电流。根据所要刺激的不同肌肉和对肌收缩强度的要求，可对脉冲的持续时间和频率加以控制。因此用这种电流可以最大限度获取刺激的效果。为这种脉冲电流的一个简单例子.根据肌电刺激的原理，我们设计了微机控制的系列肌电刺激训练仪器.这些仪器分双路和单路、多功能和单功能、医院用的或便携式的多种类型.能用于各种目标的肌力训练与康复治疗，并具有消除疲劳和选择穴位按摩的特殊功能.仪器采用优化的第三代电流，该电流是一种双向可变的特殊脉冲电流，如所示。这种电流不产生皮肤灼伤，且使人感到舒适。

其中心部件为一徽处理机，可根据不同医疗要求设计不同的脉冲电流.对脉冲电流的形状、载波及调制频率包络的持续时间和间歇时间等各种参数可以方便地进行优选编程.对特定类型的治疗目标可以设计多种组合方案.可根据医学专家的特殊要求设计并实施各种复杂多步程序处方.针对患者在治疗中的适应性，扩大适应范围，提高治疗效果。运动和生活中发生伤痛是经常的事，用肌电刺激恢复受损肌肉的功能是十分有效的。一般说来，刺激强度越大，所得到的效果越好.但具体做法应根据患者情况而定。最初实施的3一4次电刺激应逐渐增加强度，以使患者习惯于这种方法.然后可逐渐将刺激强度增至最大以获得最有效的结果.该仪器相片如图8所示.前面板只有三个点动键及双路强度调节旋扭、四个数字显示块，操作简单易掌握.显示简捷明快，并配有安全保护开关插座，保证患者使用绝对安全。该仪器备有详细使用说明书，.指导患者如何选用治疗处方，如何将电极置于患处(如图9)，如何选择刺激强度等等.该类仪器在功放输出的设计中具有独特的大功率输出。设计的特点在于对人体施加较弱电流，却能在肌肉中引起很强的收缩，从而能保证绝对安全和舒适。并有效地增加肌力，促进静脉淋巴回流，使受损神经支配的肌肉不萎缩，甚至能促使周围神经损伤的恢复、提高其再生能力。

3在医疗康复方面的临床应用

仪器研制成功后，先后在北京、上海以及全国各地的各大医院，如:北京解放军301总院、首都、人民、北大、友谊、北医三院、积水潭、协和、中日友好、宣武等医院，上海瑞金、中山、第九人民医院、二医大等使用均获得较好疗效。这些医院的专家们都认为该仪器实现的功能性电刺激(FES)，l)可用于肌肉收缩，治疗上、下肢运动神经元的损伤，增加肢体的肌肉容量和肌力。2)用于治疗偏瘫患者，当患者不能行走时，用FES作用于膝神经或相应肌肉上，刺激运动神经.当患者已经开始行走时，FES用于矫正步态，激发躁背屈肌群，抑制环屈肌群痉孪.3)用于控制指、背伸，提高手的抓握能力.4)用于治疗脑性瘫痪，多发性硬化症SCI引起的下肢瘫痪等.5)用于预防被关节手术前后以及膝关节手术前后的肌肉萎缩，并增长肌力，改善患者肢体血液循环。6)对于长期卧床或手术后病人可预防下肢深静脉血拴形成，防止下肢肿胀.7)对于肩的冻结术和肩凝症松解术后的肩部肌肉萎缩与肩疼均有极好疗效.8)对于进行性肌营养不良治疗效果显著。9)与足底按摩穴位配合治疗内科各种病症效果明显并正在探索之中。该仪器的治疗潜力有待更广泛推广开发.

以下列举四个典型病例:例一:任某某，女，53岁.92年7月晚突然中风，CT检查为“右半脑密度减低区达4/5”导致左侧肢体瘫痪。于93年4月开始肌力仪治疗，部位在左侧胶二头肌、股四头肌。治疗前左腿无力，自己不能起床，左脚失控穿不上鞋。治疗十二次后，能行走1500米，是生病近一年来的第一次。治疗二十次之后，能去公园玩，左腿可承担全身重量，左膝关节不痛‘例二:黄某某，男，24岁。右胫膝骨双骨折切开复位内固定术后么周，右小腿肿胀，右躁活动受限，不能独立行走。经肌力仪每天30分钟治疗后，肿胀消退，躁关节活动增加，可独立行走，四周后可慢跑.例三:何某某，女60岁。左肩周炎冻结术后，上举100度，外展60度，后外展至腰带下，肩脾肌、三角肌和肚三头肌明显萎缩。经肌力仪12次治疗，肌肉明显较前丰富，疼痛消失，力量增强.上举135度，外展90度，后外展腰上10cm•例四:林某某，女，61岁。被车撞后，右上臂外伤后疼痛，运动障碍并上臂畸形，出现垂腕，伸拇指功能障碍，挠神经支配且皮肤感觉迟钝.有麻木感。X线片提示为“左脸骨中段斜行骨折”.人院后用肌力仪治疗，出院后仍每次门诊用肌力仪治疗，二十次后，患者能伸腕，右拇指可伸曲活动，前臂感觉有所恢复。从上述几个病例中，可以看到第三代电流肌电刺激原理和这种系列的肌力仪康复和治疗效果显著。各医院的临床报告评价二该机受患者欢迎，在临床上有较广的应用价值。仪器性能稳定，操作简便，病人治疗时有舒适感，在同类治疗机中是优异的。同时医学专家希望和电子工程师在电刺激肌力习11练领域中深人研究其机理及生物医学理论将这一跨学科领域的技术推向更高水平。