Funktionell elektrisk stimulering

Funktionell elektrisk stimulering – schematisk representation: Illustration av motorneuronstimulering. (a) Cellkärnan är ansvarig för att syntetisera input från dendriter och besluta om signaler ska genereras eller inte. Efter en stroke eller ryggmärgsskada i mahnoors muskler försämras eftersom motorneuroner inte längre får tillräcklig input från det centrala nervsystemet. (b) Ett funktionellt elektriskt stimuleringssystem injicerar elektrisk ström i cellen. (c) Det intakta men vilande axonet tar emot stimulansen och sprider en aktionspotential till (d) den neuromuskulära förbindelsen. (e) Motsvarande muskelfibrer drar ihop sig och genererar (f) muskelkraft. (g) Ett tåg av negativa pulser alstras. (h) Depolarisering sker där negativ ström kommer in i axonet vid den indikerade "aktiva" elektroden.

Funktionell elektrisk stimulering ( FES ) är en teknik som använder lågenergielektriska pulser för att artificiellt generera kroppsrörelser hos individer som har blivit förlamade på grund av skada på det centrala nervsystemet . Mer specifikt kan FES användas för att generera muskelkontraktion i annars förlamade lemmar för att producera funktioner som att greppa, gå, tömma urinblåsan och stå. Denna teknologi användes ursprungligen för att utveckla neuroproteser som implementerades för att permanent ersätta nedsatta funktioner hos individer med ryggmärgsskada (SCI), huvudskada , stroke och andra neurologiska störningar . Med andra ord skulle en person använda enheten varje gång han eller hon ville generera en önskad funktion. FES kallas ibland också för neuromuskulär elektrisk stimulering ( NMES ) .

FES-teknik har använts för att leverera terapier för att träna om frivilliga motoriska funktioner som att greppa, sträcka sig och gå. I denna utföringsform används FES som en korttidsterapi, vars syfte är återställande av frivillig funktion och inte livslångt beroende av FES-anordningen, därav namnet funktionell elektrisk stimuleringsterapi, FES -terapi ( FET eller FEST ). Med andra ord, FEST används som ett kortvarigt ingrepp för att hjälpa personens centrala nervsystem att åter lära sig hur man utför nedsatta funktioner, istället för att göra personen beroende av neuroproteser för resten av sitt liv. Inledande kliniska fas II-studier utförda med FEST för att räcka och greppa och gå utfördes vid KITE, forskningsavdelningen för Toronto Rehabilitation Institute .

Principer

Neuroner är elektriskt aktiva celler . I neuroner kodas och överförs information som en serie elektriska impulser som kallas aktionspotentialer , som representerar en kort förändring i cellelektrisk potential på cirka 80–90 mV. Nervsignaler är frekvensmodulerade; dvs antalet aktionspotentialer som uppstår i en tidsenhet är proportionell mot intensiteten hos den sända signalen. Typisk aktionspotentialfrekvens är mellan 4 och 12 Hz. En elektrisk stimulering kan artificiellt framkalla denna aktionspotential genom att ändra den elektriska potentialen över ett nervcellsmembran (detta inkluderar även nervaxonet) genom att inducera elektrisk laddning i omedelbar närhet av cellens yttre membran.

FES-enheter drar fördel av denna egenskap för att elektriskt aktivera nervceller, som sedan kan fortsätta att aktivera muskler eller andra nerver. Särskild försiktighet måste dock iakttas vid utformning av säkra FES-enheter, eftersom elektrisk ström genom vävnad kan leda till negativa effekter såsom minskad excitabilitet eller celldöd. Detta kan bero på termisk skada, elektroporering av cellmembranet, toxiska produkter från elektrokemiska reaktioner på elektrodytan eller överexcitation av de riktade nervcellerna eller musklerna. Typiskt handlar FES om stimulering av neuroner och nerver . I vissa applikationer kan FES användas för att direkt stimulera muskler , om deras perifera nerver har blivit avskurna eller skadade (dvs. denerverade muskler). Men majoriteten av de FES-system som används idag stimulerar nerverna eller de punkter där förbindelsen sker mellan nerven och muskeln. Det stimulerade nervknippet inkluderar motoriska nerver (efferenta nerver—nedåtgående nerver från centrala nervsystemet till muskler) och sensoriska nerver (afferenta nerver—stigande nerver från sensoriska organ till centrala nervsystemet).

Den elektriska laddningen kan stimulera både motoriska och sensoriska nerver. I vissa tillämpningar stimuleras nerverna att generera lokal muskelaktivitet, dvs stimuleringen syftar till att generera direkt muskelkontraktion. I andra applikationer används stimulering för att aktivera enkla eller komplexa reflexer . Med andra ord stimuleras de afferenta nerverna för att framkalla en reflex, vilket vanligtvis uttrycks som en koordinerad sammandragning av en eller flera muskler som svar på den sensoriska nervstimuleringen.

När en nerv stimuleras, dvs när tillräcklig elektrisk laddning tillförs en nervcell, sker en lokaliserad depolarisering av cellväggen vilket resulterar i en aktionspotential som fortplantar sig mot båda ändarna av axonet . Vanligtvis kommer en "våg" av aktionspotentialer att fortplanta sig längs axonet mot muskeln (ortodromisk utbredning) och samtidigt, eftersom den andra "vågen" av aktionspotentialer kommer att fortplanta sig mot cellkroppen i det centrala nervsystemet (antidromisk utbredning). Medan utbredningsriktningen vid den antidromiska stimuleringen och den sensoriska nervstimuleringen är densamma, dvs mot det centrala nervsystemet, är deras sluteffekter mycket olika. Den antidromiska stimulansen har ansetts vara en irrelevant bieffekt av FES. Under de senaste åren har emellertid en hypotes presenterats som tyder på den potentiella rollen av den antidromiska stimuleringen vid neurorehabilitering. Vanligtvis handlar FES om ortodromatisk stimulering och använder den för att generera koordinerade muskelsammandragningar.

I det fall där sensoriska nerver stimuleras utlöses reflexbågarna av stimuleringen på sensoriska nervaxoner vid specifika perifera platser. Ett exempel på en sådan reflex är flexoravdragsreflexen . Böjningsreflexen uppstår naturligt när en plötslig, smärtsam känsla appliceras på fotsulan. Det resulterar i böjning av höft, knä och fotled på det drabbade benet och förlängning av det kontralaterala benet för att så snabbt som möjligt få foten bort från den smärtsamma stimulansen. Den sensoriska nervstimuleringen kan användas för att generera önskade motoriska uppgifter, såsom att framkalla flexoravdragsreflex för att underlätta gång hos individer efter stroke , eller de kan användas för att ändra reflexer eller funktionen hos det centrala nervsystemet. I det senare fallet beskrivs den elektriska stimuleringen vanligen med termen neuromodulation .

Nerver kan stimuleras med antingen ytelektroder (transkutana) eller subkutana (perkutana eller implanterade). Ytelektroderna placeras på hudytan ovanför den nerv eller muskel som behöver "aktiveras". De är icke-invasiva, lätta att applicera och generellt billiga. Tills nyligen har den vanliga uppfattningen inom FES-området varit att på grund av elektrod-hudkontaktimpedansen, hud- och vävnadsimpedansen och strömdispersion under stimulering, krävs mycket högre intensitetspulser för att stimulera nerver med ytstimuleringselektroder jämfört med subkutana elektroder.

(Detta uttalande är korrekt för alla kommersiellt tillgängliga stimulatorer förutom MyndMove-stimulator (utvecklade min Milos R. Popovic ), som har implementerat en ny stimuleringspuls som gör att stimulatorn kan generera muskelsammandragningar utan att orsaka obehag under stimulering, vilket är ett vanligt problem med kommersiellt tillgängliga transkutana elektriska stimuleringssystem, baserade på amerikanska patent 8 880 178 (2014), 9 440 077 (2016) och 9 592 380 (2016) och relaterade utländska patent.) [ citat behövs ]

En stor begränsning av den transkutana elektriska stimuleringen är att vissa nerver, till exempel de som innerverar höftböjarna, är för djupgående för att kunna stimuleras med ytelektroder. Denna begränsning kan delvis åtgärdas genom att använda uppsättningar av elektroder, som kan använda flera elektriska kontakter för att öka selektiviteten.

Subkutana elektroder kan delas in i perkutana och implanterade elektroder. De perkutana elektroderna består av tunna trådar som förs in genom huden och in i muskelvävnaden nära målnerven. Dessa elektroder förblir vanligtvis på plats under en kort tidsperiod och övervägs endast för kortvariga FES-interventioner. Det är dock värt att nämna att vissa grupper, såsom Cleveland FES Center, har kunnat använda perkutana elektroder på ett säkert sätt med enskilda patienter i månader och år i taget. En av nackdelarna med att använda de perkutana elektroderna är att de är infektionsbenägna och speciell försiktighet måste iakttas för att förhindra sådana händelser.

Den andra klassen av subkutana elektroder är implanterade elektroder. Dessa implanteras permanent i konsumentens kropp och förblir i kroppen under resten av konsumentens liv. Jämfört med ytstimuleringselektroder har implanterade och perkutana elektroder potentiellt högre stimuleringsselektivitet, vilket är en önskad egenskap hos FES-system. För att uppnå högre selektivitet samtidigt som lägre stimuleringsamplituder tillämpas, rekommenderas att både katod och anod är i närheten av den nerv som stimuleras. Nackdelarna med de implanterade elektroderna är att de kräver en invasiv kirurgisk procedur för att installera, och, som är fallet med varje kirurgiskt ingrepp, finns det en möjlighet för infektion efter implantation.

Typiska stimuleringsprotokoll som används i klinisk FES involverar tåg av elektriska pulser. Bifasiska, laddade balanserade pulser används eftersom de förbättrar säkerheten vid elektrisk stimulering och minimerar några av de negativa effekterna. Pulslängd, pulsamplitud och pulsfrekvens är nyckelparametrarna som regleras av FES-enheterna. FES-enheterna kan vara ström- eller spänningsreglerade. Nuvarande reglerade FES-system levererar alltid samma laddning till vävnaden oavsett hud-/vävnadsmotstånd. På grund av det kräver de nuvarande reglerade FES-systemen inte frekventa justeringar av stimuleringsintensiteten. De spänningsreglerade enheterna kan kräva mer frekventa justeringar av stimuleringsintensiteten eftersom laddningen som de levererar ändras när huden/vävnadens motstånd ändras. Egenskaperna hos stimuleringspulstågen och hur många kanaler som används under stimulering definierar hur komplex och sofistikerad FES-inducerad funktion är. Systemet kan vara så enkelt som FES-system för muskelförstärkning eller så kan de vara komplexa som FES-system som används för att ge samtidigt räckvidd och grepp, eller bipedal rörelse.

Obs: Detta stycke har delvis utvecklats med hjälp av material från följande referens. För mer information om FES, se den och andra referenser i stycket.

Historia

Elektrisk stimulering hade använts så långt tillbaka som i det gamla Egypten, då man trodde att det var terapeutiskt att placera torpedfiskar i en vattenpöl med en människa. FES - som innebär stimulering av målorganet under en funktionell rörelse (t.ex. att gå, sträcka sig efter ett föremål) - kallades ursprungligen funktionell elektroterapi av Liberson. Det var inte förrän 1967 som termen funktionell elektrisk stimulering myntades av Moe och Post, och användes i ett patent med titeln, "Elektrisk stimulering av muskel berövad nervös kontroll med syfte att tillhandahålla muskelsammandragning och producera ett funktionellt användbart ögonblick". Offners patent beskrev ett system som används för att behandla fotfall .

De första kommersiellt tillgängliga FES-enheterna behandlade fotfall genom att stimulera peronealnerven under gång. I detta fall skulle en omkopplare, placerad i häländen på en användares sko, aktivera en stimulator som bärs av användaren.

Vanliga applikationer

Ryggmärgsskada

Skador på ryggmärgen stör elektriska signaler mellan hjärnan och musklerna, vilket resulterar i förlamning under skadenivån. Återställande av lemfunktion samt reglering av organfunktion är den huvudsakliga tillämpningen av FES, även om FES också används för behandling av smärta, tryck, sårförebyggande etc. Några exempel på FES-applikationer involverar användning av neuroproteser som tillåter personer med paraplegi att gå, stå, återställa handgreppsfunktionen hos personer med quadriplegi , eller återställa tarm- och blåsfunktionen. Högintensiv FES av quadriceps-musklerna tillåter patienter med fullständig nedre motorneuronskada att öka sin muskelmassa, muskelfiberdiameter, förbättra den ultrastrukturella organisationen av kontraktilt material, öka kraftutmatningen under elektrisk stimulering och utföra FES-assisterade ståövningar.

Går i ryggmärgsskada

Kralj och hans kollegor beskrev en teknik för paraplegisk gång med ytstimulering, som fortfarande är den mest populära metoden som används idag. Elektroder placeras bilateralt över quadricepsmusklerna och peronealnerverna. Användaren styr neuroprotesen med två tryckknappar fästa på vänster och höger handtag på en gångställning, eller på käppar eller kryckor. När neuroprotesen är påslagen stimuleras båda quadricepsmusklerna för att ge en stående ställning. Elektroder placeras bilateralt över quadricepsmusklerna och peronealnerverna. Användaren styr neuroprotesen med två tryckknappar fästa på vänster och höger handtag på en gångställning, eller på käppar eller kryckor. När neuroprotesen är påslagen stimuleras båda quadricepsmusklerna för att ge en stående ställning.

Kraljs tillvägagångssätt utökades av Graupe et al. till ett digitalt FES-system som använder kraften hos digital signalbehandling för att resultera i Parastep FES-systemet, baserat på US-patenten 5,014,705 (1991), 5,016,636 (1991), 5,070,873 (1991), 5,081,989, (29) (29) (29) (29) (29) relaterade utländska patent. Parastep-systemet blev det första FES-systemet för stående och gå som fick det amerikanska FDA-godkännandet (FDA, PMA P900038, 1994) och blev kommersiellt tillgängligt.

Parasteps digitala design möjliggör en avsevärd minskning av patientens trötthet genom att drastiskt minska stimuleringspulsbredden (100–140 mikrosekunder) och pulsfrekvensen (12–24 per sek.), vilket resulterar i gångtider på 20– 60 minuter och genomsnittliga gångavstånd på 450 meter per promenad, för adekvat utbildade patienter som är helt paraplegiker på bröstkorgsnivå som genomför träning som inkluderar dagliga löpbandspass, med vissa patienter som överstiger en mil per promenad. Parestep-baserad gång rapporterades också resultera i flera medicinska och psykologiska fördelar, inklusive återställande av nästan normalt blodflöde till nedre extremiteter och bibehållande av minskad bentäthet.

Promenadprestanda med Parastep-systemet beror till stor del på rigorös konditionsträning för överkroppen och på att du slutför 3–5 månader av ett dagligt en–två timmars träningsprogram som inkluderar 30 eller fler minuter av löpbandsträning.

Ett alternativt tillvägagångssätt till ovanstående tekniker är FES-systemet för gång som utvecklats med användning av Compex Motion-neuroprotesen, av Popovic et al. . Compex Motion neuroprotes for walking är ett FES-system med åtta till sexton kanaler som används för att återställa frivillig gång hos personer med stroke och ryggmärgsskada. Detta system tillämpar inte peroneal nervstimulering för att möjliggöra förflyttning. Istället aktiverar den alla relevanta muskler i nedre extremiteter i en sekvens som liknar den som hjärnan använder för att möjliggöra förflyttning. Hybridhjälpsystemen (HAS) och RGO-gångneuroproteserna är anordningar som även applicerar aktiva respektive passiva hängslen. Hängslen infördes för att ge ytterligare stabilitet under stående och gång. En stor begränsning av neuroproteser för gång som är baserade på ytstimulering är att höftböjarna inte kan stimuleras direkt. Därför måste höftböjning under gång komma från frivillig ansträngning, som ofta saknas vid paraplegi, eller från flexoravdragsreflexen. Implanterade system har fördelen att de kan stimulera höftböjarna och därför ge bättre muskelselektivitet och potentiellt bättre gångmönster. Hybridsystem med exoskelett har också föreslagits för att lösa detta problem. Dessa tekniker har visat sig vara framgångsrika och lovande, men för närvarande används dessa FES-system mest för träningsändamål och sällan som ett alternativ till rullstolsrörlighet.

Stroke och återhämtning av övre extremiteterna

I det akuta skedet av strokeåterhämtning har användningen av cyklisk elektrisk stimulering setts öka den isometriska styrkan hos handledssträckare. För att öka styrkan hos handledssträckare måste det finnas en viss motorisk funktion i handleden efter stroken och ha betydande hemiplegi . Patienter som kommer att få fördelar av cyklisk elektrisk stimulering av handledssträckare måste vara mycket motiverade att fortsätta behandlingen . Efter 8 veckors elektrisk stimulering kan en ökning av greppstyrkan vara uppenbar. Många skalor, som bedömer graden av funktionsnedsättning i de övre extremiteterna efter en stroke, använder greppstyrka som ett vanligt föremål. Därför kommer ökad styrka hos handledssträckare att minska nivån av funktionshinder i de övre extremiteterna.

Patienter med hemiplegi efter en stroke upplever ofta axelsmärta och subluxation; båda kommer att störa rehabiliteringsprocessen. Funktionell elektrisk stimulering har visat sig vara effektiv för att behandla smärta och minska skuldrans subluxation, samt att accelerera graden och hastigheten av motorisk återhämtning. Dessutom bibehålls fördelarna med FES över tid; forskning har visat att fördelarna bibehålls i minst 24 månader.

Släpp foten

Dropfot är ett vanligt symtom vid hemiplegi , kännetecknat av brist på dorsalflexion under svängfasen av gång, vilket resulterar i korta, omväxlande steg. Det har visat sig att FES kan användas för att effektivt kompensera för fallfoten under gångens svängfas. I ögonblicket precis innan hälen av fasen inträffar, avger stimulatorn en stimulans till den gemensamma peronealnerven, vilket resulterar i sammandragning av de muskler som ansvarar för dorsalflexion. Det finns för närvarande ett antal droppfotsstimulatorer som använder yt- och implanterade FES-tekniker. Dropfotsstimulatorer har använts framgångsrikt med olika patientpopulationer, såsom stroke , ryggmärgsskada och multipel skleros .


Termen "ortoseffekt" kan användas för att beskriva den omedelbara förbättringen i funktion som observeras när individen slår på sin FES-enhet jämfört med att gå utan hjälp. Denna förbättring försvinner så fort personen stänger av sin FES-enhet. Däremot används en "tränings" eller "terapeutisk effekt" för att beskriva en långsiktig förbättring eller återställande av funktion efter en period av användning av enheten som fortfarande finns kvar även när enheten är avstängd. En ytterligare komplikation för att mäta en ortotisk effekt och eventuella långvariga tränings- eller terapeutiska effekter är närvaron av en så kallad "tillfällig överföringseffekt". Liberson et al., 1961 var först med att observera att vissa strokepatienter verkade dra nytta av en tillfällig förbättring av funktion och kunde dorsalflexa sin fot i upp till en timme efter att den elektriska stimuleringen hade stängts av. Det har antagits att denna tillfälliga förbättring av funktion kan vara kopplad till en långvarig träning eller terapeutisk effekt.

Den här bilden beskriver funktionell elektrisk stimuleringsterapi för promenader. Terapin användes för att omträna ofullständiga ryggmärgsskadade individer att gå [30,31].

Stroke

Patienter med hemiparetisk stroke, som påverkas av denervering, muskelatrofi och spasticitet, upplever vanligtvis ett onormalt gångmönster på grund av muskelsvaghet och oförmåga att frivilligt dra ihop vissa fotleds- och höftmuskler vid lämplig gångfas. Liberson et al., (1961) var de första som banade väg för FES hos strokepatienter. På senare tid har det gjorts ett antal studier på detta område. En systematisk översikt som genomfördes 2012 om användningen av FES vid kronisk stroke inkluderade sju randomiserade kontrollerade studier med totalt 231 deltagare. Granskningen fann en liten behandlingseffekt för att använda FES för 6-minuters gångtestet.

Multipel skleros

FES har också visat sig vara användbart för att behandla fotfall hos personer med multipel skleros . Den första användningen rapporterades 1977 av Carnstam et al., som fann att det var möjligt att generera styrkaökningar genom att använda peroneal stimulering. En nyare studie undersökte användningen av FES jämfört med en träningsgrupp och fann att även om det fanns en ortoseffekt för FES-gruppen, hittades ingen träningseffekt i gånghastighet. Ytterligare kvalitativ analys inklusive alla deltagare från samma studie fann förbättringar i aktiviteter i det dagliga livet och ett minskat antal fall för dem som använder FES jämfört med träning. En ytterligare småskalig (n=32) longitudinell observationsstudie har funnit bevis för en signifikant träningseffekt genom att använda FES. Med NMES-behandling fanns det mätbara vinster i ambulatorisk funktion.

En ytterligare stor observationsstudie (n=187) stödde dock tidigare fynd och fann en signifikant förbättring av ortoseffekt för gånghastighet.

Cerebral pares

FES har visat sig vara användbart för att behandla symptomen på cerebral pares . En nyligen genomförd randomiserad kontrollerad studie (n=32) fann signifikanta ortotiska och träningseffekter för barn med ensidig spastisk cerebral pares. Förbättringar hittades i gastrocnemius spasticitet, gemenskapsrörlighet och balansfärdigheter. En nyligen genomförd omfattande litteraturgenomgång av området för användning av elektrisk stimulering och FES för att behandla barn med funktionshinder inkluderade mestadels studier på barn med cerebral pares. Granskarna sammanfattade bevisen som att behandlingen har potential att förbättra ett antal olika områden, inklusive muskelmassa och styrka, spasticitet, passivt rörelseomfång, funktion av övre extremiteter, gånghastighet, positionering av foten och ankelkinematik. Granskningen drar vidare slutsatsen att biverkningar var sällsynta och att tekniken är säker och väl tolererad av denna population. Tillämpningarna av FES för barn med cerebral pares liknar dem för vuxna. Några vanliga tillämpningar av FES-enheter inkluderar stimulering av muskler samtidigt som de mobiliserar för att stärka muskelaktivitet, för att minska muskelspasticitet, för att underlätta initiering av muskelaktivitet eller för att ge ett minne av rörelse.

National Institute for Health and Care Excellence Guidelines (NICE) (Storbritannien)

NICE har utfärdat fullständiga riktlinjer för behandling av fallfot av centralt neurologiskt ursprung (IPG278). NICE har uttalat att "aktuella bevis på säkerheten och effektiviteten (i termer av att förbättra gång) av funktionell elektrisk stimulering (FES) för fallfot av centralt neurologiskt ursprung verkar vara tillräckliga för att stödja användningen av denna procedur förutsatt att normala arrangemang är på plats för klinisk styrning, samtycke och revision”.

I populärkulturen

  • Mark Coggins roman No Hard Feelings (2015) innehåller en kvinnlig huvudperson med en ryggmärgsskada som återfår rörlighet via avancerad FES-teknik utvecklad av en fiktiv biomedicinsk startup.

Se även

Vidare läsning

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Functional_electrical_stimulation&oldid=1136307614 "