Функціональна електростимуляція
ФУНКЦІОНАЛЬНА ЕЛЕКТРИЧНА СТИМУЛЯЦІЯ
Функціональна електростимуляція (FES): техніка медичного відновлення, яка використовує імпульси
низька напруга та електричний струм, що застосовуються для поліпшення або повного відновлення втрачених функцій
внаслідок нещасного випадку або хвороби. Прикладами слуху, зору, судоми
(епілепсія) або тремор при Паркінсоні. Деякі пристрої, що використовуються на FES нейропротезування,
оскільки він модулює збудливість нервової тканини. Наприклад, при інсульті
(Інсульт) або при травмах спинного мозку (SCI) аксонів моторних нейронів
цілі збуджуються електричними полями, що вводяться в тіло поверхневими електродами або
імплантація. Вироблені потенціали дії поширюються по аксону і коли вони досягають з'єднань
Синаптичний кінець скелетних м’язових волокон генерує м’язову силу, як у випадку
здорові нерви. FES дуже корисний клінічно для активації паралізованих м'язів, наприклад при
відновлення функції захоплення рук у хворих на тетраплегію. ФЕС з електродами
Черезшкірне нанесення пацієнтам з пошкодженням спинного мозку може відновити працездатність
ходити або стояти.
Нейром'язова функціональна стимуляція (FNS) застосовується виключно до нервово-м’язової системи.
1. ПРИЛАДИ ТА СИСТЕМИ FES
Рис. 1: всі сучасні пристрої FES містять: (1) електроди поверхня або імплантована; (2) а
регульований генератор імпульсів напруги або струму, які подають їх на електроди; (3) а
контур кондиціонування імпульсів, що дає бажану форму, амплітуду та тривалість; (4) o
пристрій управління з реакцією або без неї; (5) а обчислювальна мікросистема або a інтерфейс з
комп'ютер. Пристрої FES можуть бути повністю або частково імплантовані в організм.
Вибір електродів. Критеріями вибору електродів є анатомічні, хірургічні,
механічна, електрохімічна, біосумісність, часова та економічна стабільність. Анатомічні фактори
і хірургічне відноситься до простоти ідентифікації місця стимуляції, поверхні шкіри або наскрізного
імплантація. У разі пошкодження електрода, область імплантації повинна бути легкою
доступний. Механічна міцність важлива для тривалого використання FES (років).
Гнучкі електроди з невеликим діаметром завдають менше болю під час руху. Спіралі є
більш надійні та зменшують механічні навантаження. Біосумісність та зменшення місцевих травм, які можуть
виникає при високих рівнях струму забезпечується використанням інертних матеріалів (наприклад, платини,
платина - іридій або сплав нержавіючої сталі).
Імплантовані електроди може бути розміщений на або в м’язах (епімізіальні електроди, відповідно
внутрішньом’язово). Вони можуть безпосередньо контактувати з м’язом або периферичним нервом всередині м’яза
або відокремлена від рухових нервів м’язовою тканиною, або може бути імплантована в спинний мозок.
Будучи ближче до рухових нервів, ніж поверхневі електроди, імплантовані дозволяють
вибірковість та краща повторюваність. Вони також можуть бути монополярними або біполярними і
він діє набагато довше, ніж поверхневі електроди.
Малюнок 1. Система FES містить контрольні сигнали, контролер, поверх
імпульсна підготовка/формування, вихідний каскад в струмі або напрузі, на одному або
багатоканальну та електродну систему
Рисунок 2. Приклад епімізіального (знизу) та внутрішньом’язового (зверху) імплантованих електродів.
Епімізіальний електрод має в центрі диск Pt-Ir та інкапсульований у силікон.
внутрішньом’язово виготовляється з нержавіючої сталі і має деякі фіксуючі кігтики
Рисунок 3. (а) Імплантована система FES для нейропротезування кисті. Положення плеча
виробляє входи управління; (b) зовнішній блок управління забезпечує інтерфейс
перетворювач, алгоритм управління, багатоканальна координація подразників та джерела живлення
електростимулятор-приймач; (c) імплантований стимулятор-рецептор виробляє стимуляцію
багатоканальний і передає в блок управління дані від датчика; це живиться від
двосторонній трансформатор без сердечника
Рисунок 4. Багатоканальний імплантований стимулятор, що містить гібридну схему в капсулі
титан. Приймальна котушка (зліва) інкапсульована в епоксидну смолу разом з
2. ПАРАМЕТРИ СТИМУЛЯЦІЇ
Типовою формою сигналу для FES є прямокутний імпульсний шлейф, прийнятий належним чином
ефективність стимуляції та простота генерації. Всі параметри цього пульсу (частота,
амплітуда і ширина імпульсу) мають окремий вплив на скорочення м’язів.
Частота стимуляції, як правило, зменшується для запобігання втоми м’язів та
для збереження стимулюючої енергії. М'язова частота зрощення - частота в
який отримує реакцію гладких м’язів. Ця частота коливається від 12 Гц до 50 Гц.
Під час стимуляції він підтримується постійним для обох типів електродів.
Якщо поверхневі електроди, модуляція м’язової сили отримується шляхом варіації
амплітуда імпульсів стимуляції, з постійним підтримкою частоти та ширини
імпульси. Наприклад, для малогомілкового нерва амплітуда становить 15 В, а ширина - 200
µсухий, а для стимуляції більших м’язів («сідничного м’яза») стає хв. 120 В час
Якщо імплантовані електроди, параметри стимуляції сильно залежать від місця імплантації
їх. Якщо електроди знаходяться на цільовому нерві або навколо нього, амплітуда стимуляції має порядок a
кілька мА. Використовують епімізіальний (на поверхні м’яза) або внутрішньом’язовий електроди
амплітуди бл. В 10 разів більший. Для контролю сили м’язів роблять імплантовані стимулятори
виклик модуляції тривалості імпульсу або амплітудної модуляції. Наприклад, у справі
Амплітуда струму верхніх кінцівок зазвичай становить 16-20 мА, а сила м'язів
він модулюється імпульсами від 0 до 200 мкс.
Окрім стимуляції паралізованих м’язів, важливо контролювати їх рухи
штучні вироби. Блок управління займається виробництвом деяких форм імпульсів
стимуляція з метою отримання бажаних рухів, а також із зміною цих форм з часом
функціонування, щоб виправити небажані зміни в русі м’язів.
Основною перешкодою у розвитку систем управління FES є нелінійний характер
та різноманітні за часом властивості електрично активованих скелетних м’язів. Під час ФЕС втома
м’язи втручаються при нижчих і нижчих рівнях стимуляції.
Вихід системи управління FES повинен забезпечувати стабільність, повторюваність і
контрольована сила м'язів у широких ділянках довжини м'язів, рух
стомлення електродів і м’язів. З часом були вивчені різні м’язові характеристики (сила)
активація, розмір та швидкість сили) за допомогою моделювання та моделювання м’язів.
Рисунок 5. Системи управління в FES (відкритий цикл, негативний зворотний зв'язок та адаптивний)
Методи контролю мають тип розімкнута петля, з негативна реакція і адаптивний контроль (Рис. 5).
Тип стратегії розімкнута петля вимагає великої кількості інформації про біомеханічну поведінку Росії
стимульована кінцівка. Алгоритми управління визначають параметри стимулу (системні входи
скелетних м'язів), які необхідні для здійснення бажаних рухів (виходи системи). Зазвичай,
для "відкритого циклу" параметри визначаються методом "спроб і помилок"
помилка ”), а подразник з певною формою хвилі для певного руху зберігається в
довідкова таблиця. Тут є три основні проблеми: (i) процес уточнення
одна форма сигналу для конкретного пацієнта вимагає кропіткої роботи зі свого боку
ціла команда фахівців (лікар, інженер, терапевт), а ефективність часто ні
виправдовує витрачені зусилля; (ii) сигнал хвилі стимулу fi xa може бути невідповідним після
виникає м’язова втома; (iii) форма хвилі fi xa не реагує на зміни в навколишньому середовищі (de
наприклад, нахил, на якому рухається пацієнт) та зовнішні порушення (наприклад, м’язові спазми).
Система контроль негативного зворотного зв'язку (зворотній зв'язок) частково вирішує обмеження першої стратегії
Контроль. Тепер датчики контролюють вихід, і корекції на вході вносяться у напрямку
мінімізація похибки між бажаним і реальним виходом (також отримана за допомогою датчиків). Тому що це
контроль повільніший, ніж у випадку розімкнутої петлі, він використовується для повільних рухів (захоплення
вручну) або на статичних станціях.
Адаптивне управління його найбільше використовують для динамічних рухів, пов’язаних з рухом. Він
він поєднує реакцію контролера та системи, будучи більш лінійним, повторюваним, передбачуваним та адаптованим
пацієнт. Така система містить генератор конкретних керуючих сигналів
кожен основний рух, а також форма хвилі, яка адаптивно фільтрує хвилі
генерується і направляє їх до м’язів. Таким чином, пристосування до пацієнта та до м’язової втоми більше
Інші методи контролю з хорошими результатами - це також пропорційно-похідний тип
та, заснована на штучних нейронних мережах, яка добре враховує нелінійний характер м’язів і
Сучасні методи контролю засновані на обробці ЕЕГ в додатках
інтерфейс мозок-комп'ютер (BCI).
4. ТЕРАПЕВТИЧНІ ВПЛИВИ ФЕС. КЛІНІЧНІ ЗАСТОСУВАННЯ
ФЕС є клінічно корисним не тільки для відновлення втрачених рухових функцій, але і для терапії деяких
неврологічні захворювання, після травм спинного мозку або для підвищення пластичності системи
нервує для медичного відновлення. Таким чином, FES збільшує витривалість, крутний момент та силу м’язів
і запобігає атрофії м’язів. Це також зменшує спастичність при певних розладах
неврологічний, запобігає остеопорозу у паралізованих пацієнтів та жінок у постменопаузі, покращується
відновлюючи переломи кісток, посилює кровообіг, запобігає пролежням. Однак,
щільність кісткової тканини значно не збільшується із застосуванням ФЕС.
Метод "глибокої стимуляції мозку" (DBS) застосовується для лікування неврологічних захворювань
дегенеративні захворювання (хвороба Паркінсона), тремор, повільні рухи, скутість, проблеми з рухом,
блокування аномальних нервових сигналів. Стимулятор блукаючого нерва дає результати у пацієнтів з
Черезшкірний нерв FES лікує хронічний або гострий біль.
FES, що застосовується до шлунково-кишкового тракту, зменшує ожиріння.
4.1 Імплантовані стимулятори - клінічні аспекти
4.1.1 Стимулятори для периферичних нервів
Маніпуляція - Необхідний контроль складних рухових функцій, таких як рука
багатоканальна стимуляція. Приклад такого стимулятора для захоплення і випуску a
об'єкту потрібні вісім каналів і генератор, виготовлений за технологією товстої плівки.
Пересування - Імплантуються стимулятори для корекції падіння ноги у пацієнтів
геміплегіки були зроблені Medtronic і розміщуються у внутрішній частині стегна, навколо
малогомілкового нерва та мають електроди для епіневральної стимуляції. Також замовляється стимулятор
синхронізовано з ходьбою через перемикач в каблуці взуття.
Дихання - Респіраторний контроль включає двоканальний імплантований стимулятор з електродами
застосовувати двобічно до діафрагмального нерва. Порушення дихання, такі як повноцінна тетраплегія, можуть бути виправлені
активуючи цей нерв, який виробляє скорочення кожного напівдіафрагмового м’яза, який
діє по черзі протягом кількох годин (щоб запобігти їх зміні, якщо вони працюють безперервно).
Контроль сечовипускання - Це необхідно людям із травмами спинного мозку. райони
крижові хребці S2, S3 і S4 стимулюються окремо, що викликає скорочення сечового міхура
сечовипускання та зовнішній сфінктер. Неодноразово застосовувані імпульсні поїзди викликають сечовипускання.
Лікування сколіозу - Ідіопатичний сколіоз - це прогресуюче латеральне викривлення хребта
підлітка, одночасно з його ротацією. Електростимуляція, що застосовується до опуклої частини a
викривлення зменшує або навіть зупиняє прогресування захворювання. Стимуляція застосовується з перервами, амплітудно
стимуляція менше 10,5 В, а частота і ширина імпульсів звичайні.
Електроди FES можна імплантувати на поверхню мозку або в його глибину. Хоча тут не ФЕС
виробляє функціональні рухи, він "модулює" патологічну рухову поведінку і тим самим зупиняє a
небажана рухова активність. У цьому випадку стимулятори призначені для нервово-м’язового контролю.
• Sстимуляція мозку - Класичне застосування полягає у зменшенні наслідків ДЦП
дітям, розміщуючи електроди на поверхні мозку. Розташований генератор імпульсів
підшкірно в області грудної клітини.
Вагусна стимуляція - Періодична стимуляція блукаючого нерва протягом 30 с, після чого
п’ятихвилинна перерва зменшує частоту епілептичних нападів. Стимулятор грудей
має спіральний біполярний електрод, обмотаний лівим блукаючим нервом на шиї. Параметри стимуляції
складають 30 Гц, 500 мкс, 1,75 мА.
Глибока стимуляція мозку (Глибока стимуляція мозку) - Може зменшити тремор
неконтрольований у пацієнтів з хворобою Паркінсона або есенціальним тремором. Площа електрода становить
розміщений стереотаксично в таламічній області мозку, а генератор імпульсів знаходиться в
грудей. Застосування високих частот стимуляції (130 Гц), тривалістю 60 - 210 мкс і
амплітуди 0,25 - 2,75 В можуть негайно усунути тремор пацієнта.
4.1.3 Майбутнє імплантованих стимуляторів
1. Розподілені стимулятори
Основною проблемою імплантованих стимуляторів є безліч провідних проводів, що виходять назовні
від генератора імпульсів, з незручностями під час операції та для
деградація тканин. Одним із рішень є контролер з одним виходом, який діє
мережа одноканальних мікростимуляторів, імплантованих в структуру, що стимулюється, що активується a
одинарна зовнішня котушка. Такий мікростимулятор із скляною капсулою показаний на малюнку 6.
Рисунок 6. Мікростимулятор з розмірами 2 × 16 мм. Електроди виготовлені з танталу та іридію
2. Повідомлення імплантованих перекладачів. Генеровані та фізіологічні сигнали
Потрібні зовнішні джерела управління, такі як джойстик, що управляється плечима, для руху рук
додаткові обмеження щодо пацієнтів, яких повинен одягати асистент. Постійна імплантація
модулів управління нейро-протезними апаратами є сучасним та ефективним рішенням.
На малюнку 7 показано такий датчик, імплантований в зап’ясті, який складається з
магніт і з області магнітних датчиків. Датчик підключений до імплантованого стимулятора,
який забезпечує живлення і передає дані за допомогою телеметрії на зовнішній контролер.
Міоелектричні сигнали від м’язів, на які не впливає параліч, є ще одним привабливим джерелом
контроль імплантованих нервово-м’язових стимуляторів. Наприклад, посилений сигнал ЕМГ і
інтегрований з грудино-клейдо-соскоподібного м’яза містить достатньо інформації для управління а