Funkčná elektrická stimulácia
FUNKČNÁ ELEKTRICKÁ STIMULÁCIA
Funkčná elektrická stimulácia (FES): lekárska zotavovacia technika, ktorá využíva impulzy
nízke napätie a elektrický prúd použité na zlepšenie alebo úplné obnovenie stratených funkcií
v dôsledku úrazu alebo choroby. Ide napríklad o sluch, zrak, kŕče
(epilepsia) alebo tras pri Parkinsonovej chorobe. Zariadenia používané na FES sú niektoré neuroprotézu,
pretože moduluje excitabilitu nervového tkaniva. Napríklad pri mŕtvici
(Mŕtvica) alebo pri poraneniach miechy (SCI) motorických neurónov
neporušené sú excitované elektrickými poľami zavedenými do tela povrchovými elektródami resp
implantovať. Vyrobené akčné potenciály sa šíria na axóne a po dosiahnutí spojenia
Synaptický koniec vlákien kostrového svalstva generuje svalovú silu, ako v tomto prípade
zdravé nervy. FES je klinicky veľmi užitočný pri aktivácii ochrnutých svalov, napríklad pri
obnovenie funkcie uchopenia ruky u pacientov s tetraplégiou. FES s elektródami
Perkutánne aplikované pacientom s poranením miechy môže obnoviť kapacitu
chodiť alebo stáť.
Neuromuskulárna funkčná stimulácia (FNS) sa vzťahuje výlučne na nervovosvalový systém.
1. ZARIADENIA A SYSTÉMY FES
Obr. 1: všetky moderné zariadenia FES obsahujú: (1) Drôty povrch alebo implantovaný; (2) a
nastaviteľný generátor impulzov napätia alebo prúdu, ktoré ich dodávajú do elektród; (3) a
kondicionačný okruh impulzov, ktoré vytvárajú požadovaný tvar, amplitúdu a trvanie; (4) o
kontrolná jednotka s reakciou alebo bez nej; (5) a výpočtový mikrosystém alebo a rozhranie s
počítač. Zariadenia FES môžu byť úplne alebo čiastočne implantované do tela.
Výber elektród. Kritériá pre výber elektród sú anatomické, chirurgické,
mechanická, elektrochemická, biokompatibilita, časová a ekonomická stabilita. Anatomické faktory
a chirurgické sa týka ľahkej identifikácie miesta stimulácie, povrchu kože alebo prechodu
implantácia. V prípade poškodenia elektródy by mala byť oblasť implantácie svetlá
prístupný. Mechanická pevnosť je dôležitá pre dlhodobé používanie FES (roky).
Pružné elektródy a elektródy malého priemeru spôsobujú menšiu bolesť počas pohybu. Špirály sú
spoľahlivejšie a znižujú mechanické namáhanie. Biokompatibilita a zníženie lokálnych poranení, ktoré môžu
vyskytuje sa pri vysokých úrovniach prúdu je zabezpečené použitím inertných materiálov (napr. platiny,
platina - zliatina irídia alebo nehrdzavejúca oceľ).
Implantované elektródy môžu byť umiestnené na svaloch alebo vo svaloch (epimysiálne elektródy, resp
intramuskulárne). Môžu byť v priamom kontakte so svalom alebo periférnym nervom vo vnútri svalu
alebo oddelené od motorických nervov svalovým tkanivom alebo môžu byť implantované do miechy.
Tým, že sú implantovateľné elektródy bližšie k motorickým nervom ako povrchové elektródy, umožňujú a
selektívnosť a lepšia opakovateľnosť. Môžu byť tiež monopolárne alebo bipolárne a
účinkuje oveľa dlhšie ako povrchové elektródy.
Obrázok 1. Systém FES obsahuje riadiace signály, ovládač, podlahu
kondicionovanie/formovanie impulzu, výstupný stupeň v prúde alebo napätí, na jednom alebo
viackanálový a elektródový systém
Obrázok 2. Príklad epimisálnych (spodných) a intramuskulárnych (horných) implantovateľných elektród.
Epimysiálna elektróda má v strede disk Pt-Ir a je zapuzdrená v silikóne. the
intramuskulárna je vyrobená z nehrdzavejúcej ocele a má niekoľko upevňovacích pazúrov
Obrázok 3. (a) Implantovateľný systém FES na neuroprotézu rúk. Poloha ramien
produkuje riadiace vstupy; b) rozhranie poskytuje externá riadiaca jednotka
prevodník, riadiaci algoritmus, viackanálová koordinácia stimulov a napájania
elektrický stimulátor-prijímač; (c) implantovaný stimulátor-receptor produkuje stimuláciu
viackanálové a odošle do riadiacej jednotky dáta zo senzora; poháňa ho a
dvojcestný transformátor bez jadra
Obrázok 4. Viackanálový implantovateľný stimulátor obsahujúci hybridný obvod v kapsule z
titán. Prijímacia cievka (vľavo) je zapuzdrená v epoxidovej živici spolu s
2. STIMULAČNÉ PARAMETRE
Typický priebeh v FES je a obdĺžnikový sled impulzov, prijaté splatné
stimulačná účinnosť a ľahká generácia. Všetky parametre tohto sledu impulzov (frekvencia,
amplitúda a šírka impulzu) majú samostatné účinky na kontrakciu svalov.
Frekvencia stimulácie sa všeobecne znižuje, aby sa zabránilo únave svalov a
na zachovanie stimulačnej energie. Svalová frekvencia fúzie je frekvencia pri
ktorý získa odozvu hladkého svalstva. Táto frekvencia sa pohybuje medzi 12 Hz a 50 Hz.
Počas stimulácie sa udržuje konštantná pre obidva typy elektród.
Ak povrchové elektródy, modulácia svalovej sily sa získa variáciou
amplitúda stimulačných impulzov s neustálym udržiavaním frekvencie a šírky
impulzy. Napríklad pre peroneálny nerv je amplitúda 15 V a šírka 200
µdry a na stimuláciu väčších svalov („gluteus maximus“) sa stáva min. 120 V čas
Ak implantovateľné elektródy, stimulačné parametre silne závisia od miesta implantácie
ich. Ak sú elektródy na cieľovom nervu alebo okolo neho, amplitúda stimulácie je rádovo a
niekoľko mA. Používajú sa epimysiálne (na povrchu svalu) alebo intramuskulárne elektródy
amplitúdy cca. 10-krát väčšie. Pre kontrolu svalovej sily to robia implantovateľné stimulátory
požadovať moduláciu trvania impulzu alebo amplitúdovú moduláciu. Napríklad v prípade
amplitúda prúdu horných končatín je zvyčajne 16 - 20 mA a svalová sila
moduluje sa pulzmi medzi 0 a 200 µs.
Okrem stimulácie ochrnutých svalov je dôležitá kontrola ich pohybov
umelé výrobky. Riadiaci blok sa zaoberá výrobou niektorých foriem impulzov
stimulácia s cieľom dosiahnuť požadované pohyby, ako aj s úpravou týchto tvarov v priebehu času
fungovanie, na nápravu nežiaducich zmien v pohybe svalov.
Hlavnou prekážkou vo vývoji riadiacich systémov FES je nelineárny charakter
a časovo premenlivé vlastnosti elektricky aktivovaných kostrových svalov. Počas únavy FES
sval zasahuje pri nižšej a nižšej úrovni stimulácie.
Výstup riadiaceho systému FES musí byť stabilný, opakovateľný a
ovládateľná svalová sila v širokých oblastiach dĺžky svalov, pohyb
elektróda a svalová únava. Postupom času boli študované rôzne svalové charakteristiky (sila)
aktivácia, veľkosť a rýchlosť sily) pomocou modelovania a simulácie svalov.
Obrázok 5. Riadiace systémy v FES (otvorená slučka, negatívna spätná väzba a adaptívne)
Kontrolné metódy sú tohto typu otvorená slučka, s negatívna reakcia a adaptívne riadenie (Obr. 5).
Typ stratégie otvorená slučka vyžaduje veľa informácií o biomechanickom správaní sa
stimulovaná končatina. Riadiace algoritmy špecifikujú stimulačné parametre (vstupy systému
kostrové svalstvo), ktoré sú nevyhnutné na vyvolanie požadovaných pohybov (výstupy systému). Spravidla,
pre „otvorenú slučku“ sú parametre identifikované metódou „pokus a omyl“
chyba “), a podnet s určitým tvarom vlny pre určitý pohyb je uložený v a
Vyhľadávacia tabuľka. Existujú tri hlavné problémy: (i) proces špecifikácie
jediný priebeh pre konkrétneho pacienta si vyžaduje prácnu prácu
celý tím špecialistov (lekár, inžinier, terapeut) a výkon často nie
odôvodňuje vynaložené úsilie; (ii) fi xa stimulačných vĺn nemusí byť potom vhodná
dochádza k svalovej únave; (iii) fi xa kriviek nereaguje na zmeny v prostredí (de
svah, po ktorom sa pacient pohybuje) a vonkajšie poruchy (napr. svalové kŕče).
Systém kontrola negatívnej spätnej väzby (spätná väzba) čiastočne rieši obmedzenia prvej stratégie
Ovládanie. Teraz senzory monitorujú výstup a opravy na vstupe sa vykonávajú v smere
minimalizácia chyby medzi požadovaným a skutočným výstupom (získaná aj pomocou snímačov). Pretože toto
ovládanie je pomalšie ako v prípade otvorenej slučky, používa sa na pomalé pohyby (uchopenie pomocou
ruky) alebo na statických staniciach.
Adaptívne riadenie najviac sa používa na dynamické pohyby súvisiace s pohybom. On
kombinuje reakciu radiča a systému, pričom je lineárnejšia, opakovateľnejšia, predvídateľnejšia a prispôsobenejšia
pacient. Takýto systém obsahuje generátor špecifických riadiacich priebehov
každý základný pohyb, ako aj tvar vlny, ktorá vlny adaptívne filtruje
generované a posiela ich do svalov. Prispôsobenie pacientovi a svalovej únave je teda viac
Ostatné riadiace techniky s dobrými výsledkami sú tiež proporcionálny derivačný typ
ten založený na umelých neurónových sieťach, ktorý dobre rieši nelineárny charakter svalov a
Moderné riadiace techniky sú založené na spracovaní EEG v aplikáciách
rozhranie mozog-počítač (BCI).
4. TERAPEUTICKÉ ÚČINKY FES. KLINICKÉ APLIKÁCIE
FES je klinicky užitočný nielen pri liečbe stratených motorických funkcií, ale aj pri liečbe niektorých
neurologických chorôb, po poraneniach miechy alebo na zvýšenie plasticity systému
nervózny na lekárske zotavenie. FES teda zvyšuje vytrvalosť, krútiaci moment a svalovú silu
a zabraňuje svalovej atrofii. Znižuje tiež spasticitu pri určitých poruchách
neurologické ochorenie, predchádza osteoporóze u paralyzovaných pacientov a žien v menopauze, zlepšuje sa
obnovuje zlomeniny kostí, zvyšuje krvný obeh, zabraňuje preležaninám. Avšak,
hustota kostí sa pri použití FES významne nezvyšuje.
Na liečbu neurologických ochorení sa používa metóda „hlbokej stimulácie mozgu“ (DBS)
degeneratívne choroby (Parkinsonova choroba), tremor, pomalé pohyby, stuhnutosť, problémy s pohybom,
blokovanie abnormálnych nervových signálov. Stimulátor vagového nervu má výsledky u pacientov s
Transkutánny nerv FES lieči chronické alebo akútne bolesti.
FES aplikovaný na gastrointestinálny trakt znižuje obezitu.
4.1 Implantovateľné stimulátory - klinické aspekty
4.1.1 Stimulátory periférnych nervov
Manipulácia - Vyžaduje kontrolu nad komplexnými pohybovými funkciami, ako je napríklad ruka
viackanálová stimulácia. Príklad takého stimulátora na uchopenie a uvoľnenie a
objekt vyžaduje osem kanálov a generátor vyrobený technológiou hrubého filmu.
Lokomotíva - Implantovateľné stimulátory na korekciu padajúcej nohy u pacientov
hemiplegici boli vyrobené spoločnosťou Medtronic a sú umiestnení do vnútorného stehna, obklopujúce
peroneálny nerv a majúce epineurálne stimulačné elektródy. Stimulátor je tiež objednaný
synchronizované s chodením cez spínač v päte topánky.
Dych - Kontrola dýchania zahŕňa dvojkanálový implantovateľný stimulátor s elektródami
aplikovať obojstranne na bránicový nerv. Dajú sa upraviť poruchy dýchania, ako je napríklad tetraplegia vysokého stupňa
aktiváciou tohto nervu, ktorý produkuje kontrakciu každého polopriehradového svalu, ktorý
pôsobí striedavo niekoľko hodín (aby zabránil ich zmenám, ak pracujú nepretržite).
Kontrola moču - Je to nevyhnutné pre ľudí s poranením miechy. oblastiach
krížové stavce S2, S3 a S4 sú stimulované osobitne, čo spôsobuje kontrakciu močového mechúra
močenie a vonkajší zvierač. Opakovane aplikované sledy impulzov spôsobujú močenie.
Liečba skoliózy - Idiopatická skolióza je progresívne bočné zakrivenie chrbtice
adolescenta súčasne s jeho rotáciou. Elektrická stimulácia aplikovaná na konvexnú časť a
zakrivenie zmierňuje alebo dokonca zastavuje progresiu ochorenia. Stimulácia sa aplikuje prerušovane, amplitúda
stimulácia je menšia ako 10,5 V a frekvencia a šírka impulzov sú obvyklé.
FES elektródy môžu byť implantované na povrch mozgu alebo do jeho hĺbky. Aj keď tu nie FES
produkuje funkčné pohyby, „moduluje“ patologické motorické správanie a tým zastaví a
nežiaduca motorická aktivita. V tomto prípade sú stimulátory určené na neuromuskulárnu kontrolu.
• Sstimulácia mozgu - Klasickou aplikáciou je znižovanie účinkov mozgovej obrny
umiestnením elektród na povrch mozgu. Je umiestnený generátor impulzov
subkutánne v oblasti hrudníka.
Vagálna stimulácia - Prerušovaná stimulácia nervu vagus po dobu 30 sekúnd, po ktorej nasleduje
päťminútová prestávka znižuje frekvenciu epileptických záchvatov. Stimulátor hrudníka
má špirálovú bipolárnu elektródu obalenú okolo ľavého vagusového nervu na krku. Stimulačné parametre
sú 30 Hz, 500 μs, 1,75 mA.
Hlboká stimulácia mozgu (Hlboká stimulácia mozgu) - Môže znížiť chvenie
nekontrolovateľná u pacientov s Parkinsonovou chorobou alebo zásadným tremorom. Oblasť elektródy je
umiestnený stereotakticky v talamickej oblasti mozgu a generátor impulzov je v
hrudník. Aplikácia vysokých stimulačných frekvencií (130 Hz), trvania 60 - 210 µs a
amplitúdy 0,25 - 2,75 V môžu okamžite eliminovať tremor pacienta.
4.1.3 Budúcnosť implantovateľných stimulátorov
1. Distribuované stimulátory
Hlavným problémom implantovateľných stimulátorov je veľké množstvo vodivých drôtov, ktoré vychádzajú
z generátora impulzov, s nepríjemnosťami počas operácie a pre
degradácia tkaniva. Jedným z riešení je jednovýstupový radič, na ktorý pôsobí
sieť jednokanálových mikrostimulátorov implantovaných do štruktúry, ktorá sa má stimulovať, aktivovaná a
jedna vonkajšia cievka. Takýto mikrostimulátor zapuzdrený v skle je znázornený na obrázku 6.
Obrázok 6. Mikrostimulátor s rozmermi 2 × 16 mm. Elektródy sú vyrobené z tantalu a irídia
2. Oznámenie o implantovateľných prekladačoch. Generované a fyziologické signály
Vyžadujú sa externé zdroje riadenia, napríklad joystick ovládaný ramenami na pohyb ruky
ďalšie obmedzenia pre pacientov, ktorých musí obliekať asistent. Trvalá implantácia
riadiacich modulov neuroprotetických prístrojov je moderné a efektívne riešenie.
Obrázok 7 zobrazuje taký menič implantovaný do zápästia, ktorý pozostáva z a
magnetu a z oblasti magnetických snímačov. Prevodník je pripojený k implantovateľnému stimulátoru,
ktorý poskytuje napájanie a prenáša údaje telemetrickým spôsobom do externého radiča.
Myoelektrické signály zo svalov neovplyvnených paralýzou sú ďalším atraktívnym zdrojom
kontrola pre implantovateľné neuromuskulárne stimulátory. Napríklad zosilnený EMG signál a
integrovaný zo sterno-kleido-mastoidného svalu obsahuje dostatok informácií na kontrolu a