功能电刺激纠正足下垂的关键技术研究进展

创新康复工程与技术专栏周慧周慧先生，中国科学院深圳先进技术研究院助理研究员郑悦女士，研究助理功能电刺激纠正足下垂的关键技术研究进展周慧 郑悦 李光林引言足下垂(drop foot)是指患者在行走摆动相时踝关节无法背屈，造成脚趾拖地，不仅会影响步态，而且容易发生绊倒并导致意外。

足下垂可能由于中枢或者外周神经系统功能障碍造成，多见于神经功能疾病患者，包括脑卒中(Stroke)、多发性硬化症(Multiple Sclecrosis)、不完全脊髓损伤(Incomplete Spinal Cord Injury)等[1]。

以脑卒中导致的足下垂为例，20%以上的脑卒中后不完全恢复者会出现足下垂现象[2]。

而我国是脑卒中的高发地区之一，每10万人口中约有550例出现脑卒中，若以总人口12亿计算，则脑卒中患者约有660万。

由于我国有众多的足下垂患者，对于足下垂的纠正与治疗有着迫切的临床需求。

当前，临床上常用踝足矫形器(Ankle-Foot Orthosis,AFO)与功能电刺激(Functional Electrical Stimulation, FES)方法纠正患者的足下垂。

由于功能电刺18 • 2015 IRED Vol.5 No.4世界康复工程与器械 8 • 20152激疗法能够促进肌肉的主动收缩，有助于增加肌肉强度，防止肌肉萎缩，近年来受到了更多的关注。

早在1961年，美国医生Liberson 就利用足底开关侦测抬脚动作，并利用贴放在腓总神经两侧的表面电极实施电刺激，在摆动相时激活胫骨前肌，完成背屈动作[3]。

在此基础上，各种各样的垂足刺激器被研制出来，并应用于临床。

当前，国际上主要有3种广泛用于临床的垂足刺激器，分别是ODFS 垂足刺激器[4]，Walkaid 刺激器[5]，Bioness 垂足刺激器[6]，如图1所示。

但当前的垂足刺激器还普遍存在着难以正确贴放电极、容易造成肌肉疲劳等不足。

此外，当前的刺激器都是采用开环的控制方式，患者的步态离正常人还相差甚远。

为解决以上问题，一些技术如阵列电极、步态感应、闭环控制方法等近年来被广泛的研究，本文将着重介绍这些方法。

一 阵列电极尽管功能电刺激技术已成功用于足下垂的纠正，但Taylor 等人的报告认为44%的使用者自己无法正确贴放电极，并最终停止了刺激器的使用[7]。

为解决寻找最优刺激点的难题，一些学者尝试使用阵列电极代替普通电极并通过智能算法找寻最佳刺激点。

这样的阵列电极刺激系统，包括阵列电极、微控制器、高压模拟开关、刺激源、外电源等模块，其基本工作原理为通过微控制器控制模拟开关的通断，选择不同的刺激触点。

我们研制了5×6的刺激阵列，并贴放于使用者胫骨前肌，如图2所示。

再此基础上，结合关节角度计，记录刺激诱发的关节角度，为刺激点的选择提供反馈信息。

当设定刺激脉冲的参数为1 Hz，脉宽为200 μs，刺激电流强度以1mA 逐渐递增时，我们记录到的背屈角度如图3所示。

其中，能够诱发背屈响应的最小电流，称为运动阈值电流。

通过比较30个刺激点的阈值电流，我们发现刺激点的位置对于诱发踝关节背屈有着明显的影响，一些刺激点无法诱发背屈，一些刺激点阈值电流较高，而一些刺激点阈值电流较低，而且不同受试者间差异显著。

图4所示为两位健康受试者使用图2的刺激电极阵列记录到的不同刺激点对应的电流阈值分布。

我们的研究证实了阵列电极在选择最优刺激点时具有明显优势。

Heller等人研制了8×8阵列的足下垂电刺激系统，并在自动选择选择最佳刺激点方面，做了更加细致的工作[8]。

他们的刺激点搜索算法包括：步骤1：刺激阈值寻找。

使用短脉冲群(脉冲数４，脉宽160μs, 频率40 Hz)依次刺激每个电极单元。

随后电流强度增加，进行下一轮刺激，直到记录到诱发的踝关节背屈响应，此时该电流成为阈值电流。

步骤2：备选刺激点列表。

使用步骤１记录到的阈值电流对每个单元实施电刺激，并记录响应。

若有诱发响应，则列入备选刺激点列表。

在对所有单元实施刺激后，刺激电流强度增加，进行下一轮刺激，直到备选刺激点列表已满，或达到最大刺激电流值。

再根据刺激诱发的响应幅度，对备选刺激点排序。

步骤3：备选刺激点评价并排序。

图1 美国FDA 批准的三种用于治疗足下垂的表面腓肠神经刺激器。

(a) ODFS 垂足刺激器[4];( b) Walkaid 垂足刺激器[5]，(c) NESS L300垂足刺激器[6]图2 多触点刺激电极阵列图3 刺激电流与踝关节背屈角度的响应曲线38 • 2015 IRED Vol.5 No.4对步骤２列出的刺激点依次测试。

使用递增的刺激脉冲，并利用制定的刺激响应函数对每个刺激点进行评价，并依次对刺激点排序。

在此基础上，Heller等人对10例脑卒中及11例多发性硬化症导致的足下垂患者进行初步的临床验证，其结果证实了算法自动寻找的刺激点与医师寻找的刺激点具有相当的行走速度改善与步态纠正效果。

此外，使用阵列电刺激还能缓解电刺激造成的肌肉疲劳。

早在20世纪70年代Peckham 等人就使用多电极及顺序刺激技术缓解刺激造成的肌肉疲劳[9]。

由于多电极及顺序刺激技术依次激活了肌肉的不同运动单元群，这样就缓解了肌肉疲劳。

Sayenko 等人使用4个相邻电极与单电极做比较，发现多电极的依次激活比单个电极刺激能显著减轻肌肉疲劳[10]。

而我们使用阵列电极刺激健康受试者胫骨前肌的实验也发现多刺激点顺序激活的方式比单点电极刺激更有效率。

在相同刺激脉冲作用下，多点顺序刺激比单点刺激能产生更大的背屈角度。

这可能由于多点顺序刺激时，依次激活了肌肉的不同运动单元群，其产生的合力要大于单点刺激时激活的运动单元群所产生的收缩力。

二 步态传感器为纠正足下垂，需要在患者行走时时激活胫骨前肌，完成踝关节背屈动作，这样可避免患者足趾拖地。

正常人的行走周期分为站立相与摆动相，可进一步分为脚后跟离地、脚趾离地、脚后跟着地、全脚掌着地，如图5所示。

而足下垂刺激器需要识别这些步态事件，并施加合理的刺激脉冲。

Liberson等人应用了足底开关(Foot Switch)识别抬脚动作，在脚后跟离地时即施加电刺激，并在脚后跟再次着地时停止刺激。

除了足底开关或足底压力传感器，加速度传感器也被用来识别步态。

由于加速度传感器能够测量加速度的幅值与方向，而这与行走步态有着紧密联系。

为分析加速度与行走步态的关系，我们使用Delsys 肌电与三轴加速度无线测量系统，并将传感器分别贴放在受试者胫骨前肌、内侧腓肠肌及足部。

图6所示正常行走时贴放在小腿的三轴加速度信号与胫骨前肌的肌电信号，可以看出在摆动相开始胫骨前肌收缩时，Z 轴加速度值也同时出现一个峰值。

而Mansfield 等人将加速度传感器贴在腰部，其步态识别准确率超过了足底开关[11]。

此外，通过测量重力加速度在各轴的分量还能计算出小腿的倾角，Walkaid 刺激器就使用该原理触发电刺激[12]。

而通过重力加速度分量方法测量倾角，在物体存在运动时有较大误差，而陀螺仪(Gyroscope)用于测量角速度信号，图5 步态周期包括脚后跟离地、脚趾离地、脚后跟着地，全脚掌着地。

图4 两个不同受试者测得的不同刺激点的电流阈值分布，刺激点编号如图2所示。

白色表示无法诱发踝关节背屈。

蓝色点具有较低的刺激电流阈值。

图6 行走时小腿的三轴加速度信号与胫骨前肌的肌电信号世界康复工程与器械 8 • 20154的行走轨迹对足下垂患者不适用且容易造成过度刺激。

因此，Sharma 与Stein 开展了基于足下垂患者的路径规划研究，期望建立足下垂患者适用的参考行走轨迹，并能减轻肌肉疲劳、降低能量消耗[20]。

四 讨论与结论当前，足下垂刺激器在临床上广泛用于脑卒中后的足下垂患者的行走康复训练。

但当前足下垂刺激器大多数为开环系统，需要设定较大的刺激电流强度保证肌肉足够激活，容易造成肌肉的疲劳。

此外，患者也存在正确贴放电极的困难。

而且纠正后的步态与正常人步态仍有较大差距。

这些原因都容易导致患者在使用足下垂刺激器一段时间后不再使用。

为解决以上问题，并提高患者的接受程度，阵列电极及顺序刺激方法、步态侦测方法、以及闭环控制方法被广泛的研究。

今后需要研制出闭环的阵列足下垂刺激器，能够根据步态过程自适应的调整刺激参数，使患者获得更加自然的步态，并缓解刺激造成的肌肉疲劳。

本文得到了国家自然科学基金（#61201114）和深圳市知识创新计划基础研究项目（#JCYJ2013 0402113127532）的资助。

参考文献[1] R. B. Stein, D. G. Everaert, A. K.Thompson, Su Ling Chong, M. Whittaker, J. Robertson, and G. Kuether, “Long-Term Therapeutic and Orthotic Effects of a Foot Drop Stimulator on Walking Performance in Progressive and Nonprogressive Neurological Disorders,” Neurorehabil. Neural Repair, vol. 24, no. 2, pp. 152–167, Oct. 2009.[2] J. H. Burridge, P. N. Taylor, S. A. Hagan, D. E. Wood, and I. D. Swain, “The effects of common peroneal stimulation on theIRED在测量运动物体的角度时具有较高精度。

Pappas等人将陀螺仪与3个力敏电阻集成到鞋垫里，用以识别站立相、摆动相、脚后跟离地、脚后跟着地等步态事件，在此基础上，该系统结合功能电刺激可显著改善患者的行走步态[13]。

Lovse等人比较了加速度传感器、力敏电阻、躯体角度、躯体角速度等传感器对于行走相关肌肉激活的识别，认为躯体角度传感器准确度最高。

而且由加速度计与陀螺仪相组合的方式测得的角度测量方法，其准确性显著高于仅基于加速度计的角度测量[14]。

此外，基于肌电信号的触发方法也被用于足下垂电刺激，与足底开关的触发方法相比，基于肌电的触发方法更加自然，而且可以监测出肌肉疲劳[15]。

但该方法仅适用于胫骨前肌仍有肌电的足下垂患者。

而一些新的测量方法也被用来侦测步态并控制刺激脉冲。

Nahrstaedt等人通过在腿部放置电极测量行走时的电阻抗变化，发现阻抗与关节角度存在着线性关系，并基于阻抗变化闭环控制刺激脉冲以纠正足下垂[16]。

三 闭环控制策略早在1974年，闭环控制策略就被提出用于足下垂的纠正。