Funkcionális elektromos stimuláció
FUNKCIÓS ELEKTROMOS STIMULÁCIÓ
Funkcionális elektromos stimuláció (FES): impulzusokat használó orvosi gyógyulási technika
alacsony feszültség és elektromos áram az elveszett funkciók javítására vagy teljes helyreállítására
baleset vagy betegség következtében. Ilyenek például a hallás, a látás, a görcsök
(epilepszia) vagy remegés Parkinson-kórban. A FES-ben használt eszközök némelyike neuroproteze,
mert modulálja az idegszövet ingerelhetőségét. Például stroke-ban
(Stroke) vagy gerincvelői sérüléseknél (SCI) motoros neuron axonok
épeket gerjesztenek a testbe felszíni elektródákkal bevitt elektromos mezők vagy
implantátum. Az előállított akciós potenciálok az axonon terjednek, és amikor elérik a kapcsolatokat
A vázizomrostok szinaptikus vége izomerőt generál, mint abban az esetben
egészséges idegek. A FES klinikailag nagyon hasznos a bénult izmok aktiválásában, például
a kézmegfogó funkció helyreállítása tetraplegiában szenvedő betegeknél. FES elektródákkal
A gerincvelő sérültjeinél alkalmazott perkután helyreállíthatja a kapacitást
járni vagy állni.
Neuromuszkuláris funkcionális stimuláció (FNS) kizárólag a neuromuszkuláris rendszerre vonatkozik.
1. DÍJESZKÖZÖK ÉS RENDSZEREK
Ábra. 1: az összes modern FES eszköz a következőket tartalmazza: (1) elektródák felszíni vagy beültetett; (2) a
állítható generátor feszültség- vagy áramimpulzusok, amelyek ellátják őket az elektródákkal; (3) a
kondicionáló áramkör impulzusokból, amely a kívánt alakot, amplitúdót és időtartamot eredményezi; (4) o
vezérlőegység reakcióval vagy anélkül; (5) a számítási mikroszisztéma vagy a felület val,-vel
számítógép. A FES eszközök teljesen vagy részben beültethetők a testbe.
Elektródák megválasztása. Az elektródák kiválasztási kritériumai anatómiai, sebészeti,
mechanikai, elektrokémiai, biokompatibilitás, idő és gazdasági stabilitás. Anatómiai tényezők
és a műtéti beavatkozás a stimuláció helyének, a bőr felületének vagy azon keresztüli azonosításának könnyűségére utal
beültetés. Elektróda károsodás esetén az implantációs területnek világosnak kell lennie
hozzáférhető. A mechanikai szilárdság fontos a FES hosszú távú alkalmazásában (év).
A rugalmas és kis átmérőjű elektródák kevesebb fájdalmat okoznak mozgás közben. A spirálok vannak
megbízhatóbb és csökkenti a mechanikai igénybevételt. Biokompatibilitás és a lokális sérülések csökkentése, amelyek képesek
magas áramszintnél fordul elő inert anyagok (pl. platina) használata,
platina - irídium vagy rozsdamentes acélötvözet).
Beültetett elektródák elhelyezhetők az izmokon vagy azokban (epimiziális elektródák, ill
intramuszkulárisan). Közvetlenül érintkezhetnek az izomban lévő izommal vagy perifériás ideggel
vagy izomszövet választja el a motoros idegektől, vagy beültethető a gerincvelőbe.
A beültethetőek közelebb vannak a motoros idegekhez, mint a felszíni elektródák a
szelektivitás és jobb megismételhetőség. Ezek lehetnek monopolárisak vagy bipolárisak és
sokkal hosszabb ideig hat, mint a felszíni elektródák.
1. ábra. A FES rendszer tartalmaz vezérlőjeleket, vezérlőt, emeletet
impulzus kondicionálás/képződés, kimeneti fokozat áramban vagy feszültségben, egy vagy több
többcsatornás és elektródás rendszer
2. ábra: Példa epimisiális (alsó) és intramuszkuláris (felső) beültethető elektródákra.
Az epimiziális elektróda közepén van egy Pt-Ir lemez, és szilikonba van zárva. az
az intramuszkuláris anyag rozsdamentes acélból készül, és van néhány rögzítő karma
3. ábra (a) Beültethető FES rendszer kézi neuroprotézishez. Vállhelyzet
vezérlő bemeneteket állít elő; b) a külső vezérlőegység biztosítja az interfészt
átalakító, vezérlő algoritmus, az ingerek és az áramellátás többcsatornás koordinációja
elektromos stimulátor-vevő; (c) a beültetett stimulátor-receptor stimulációt produkál
többcsatornás és adatokat küld a vezérlőegységnek az érzékelőből; hajtja a
kétirányú transzformátor mag nélkül
4. ábra: Többcsatornás beültethető stimulátor, amely hibrid áramkört tartalmaz a
titán. A befogadó tekercset (balra) epoxigyantába kapszulázzák
2. STIMULÁCIÓS PARAMÉTEREK
A FES tipikus hullámalakja a téglalap alakú impulzusvonat, miatt esedékes
a stimuláció hatékonysága és a könnyű előállítás. Ennek az impulzusvonatnak minden paramétere (frekvencia,
impulzus amplitúdója és szélessége) külön hatást gyakorolnak az izmok összehúzódására.
A stimuláció gyakorisága általában csökken az izomfáradtság és
a stimulációs energia megőrzésére. A fúzió izomfrekvenciája a frekvencia
amely simaizom-választ kap. Ez a frekvencia 12 Hz és 50 Hz között változik.
A stimuláció során mindkét elektródtípus esetében állandó.
Ha felületi elektródák, az izomerő modulációját variációval kapjuk
a stimulációs impulzusok amplitúdója, a frekvencia és a szélesség állandó fenntartásával
impulzusok. Például a peroneális ideg esetében az amplitúdó 15 V, a szélesség pedig 200
µszáraz, és a nagyobb izmok ("gluteus maximus") stimulálásához min. 120 V idő
Ha beültethető elektródák, a stimulációs paraméterek erősen függnek az implantáció helyétől
azok. Ha az elektródák a célidegen vagy annak körül vannak, akkor a stimuláció amplitúdója a nagyságrendű
néhány mA. Epimysialis (az izom felszínén) vagy intramuszkuláris elektródákat használnak
kb. 10-szer nagyobb. Az izomerő ellenőrzéséhez beültethető stimulátorok teszik
hívjon impulzus időtartam modulációt vagy amplitúdó modulációt. Például abban az esetben
a felső végtagok áram amplitúdója általában 16-20 mA, és az izomerő
0 és 200 µs közötti impulzusokkal modulálják.
A bénult izmok stimulálása mellett fontos a mozgás kontrollálása is
mesterséges termékek. A vezérlőblokk egyes impulzusok előállításával foglalkozik
stimuláció a kívánt mozgások elérése érdekében, valamint ezen alakok idővel történő módosítása
működését, az izommozgások nem kívánt változásainak kijavítására.
A FES vezérlőrendszerek fejlesztésének legfőbb akadálya a nemlineáris jelleg
és az elektromosan aktivált vázizmok idõben változó tulajdonságai. A FES-fáradtság alatt
az izom egyre alacsonyabb ingerlési szinteken avatkozik be.
A FES vezérlőrendszer kimenetének stabil, megismételhető és
irányítható izomerő az izomhossz széles területein, mozgása
elektróda és izomfáradtság. Idővel különböző izomtulajdonságokat (erőt) vizsgáltak
aktiválás, az erő nagysága és sebessége) izom modellezés és szimuláció segítségével.
5. ábra FES vezérlő rendszerek (nyitott hurok, negatív visszacsatolás és adaptív)
Az ellenőrzési módszerek típusúak nyitott hurok, val vel negatív reakció és adaptív irányítás (5. ábra).
Stratégia típusa nyitott hurok sok információt igényel a biomechanikai viselkedéséről
stimulált végtag. A vezérlő algoritmusok megadják az ingerparamétereket (a rendszer bemenetei
vázizom), amelyek szükségesek a kívánt mozgások előállításához (rendszer kimenetei). Általában,
"nyitott hurok" esetén a paramétereket a "próba és hiba" módszerrel azonosítják
hiba ”), és egy bizonyos mozgáshoz tartozó bizonyos hullámalakú inger az a-ban tárolódik
keresési táblázat. Három fő kérdés van itt: (i) a
egy adott beteg egyetlen hullámalakja fáradságos munkát igényel
egy egész csapat szakember (orvos, mérnök, terapeuta), és a teljesítmény gyakran nem
igazolja az elfogyasztott erőfeszítést; (ii) az inger hullámalakja a xa után nem biztos, hogy megfelelő
izomfáradtság jelentkezik; iii. a formax hullámforma nem reagál a környezet változásaira (de
pl. a lejtő, amin a beteg mozog) és külső zavarok (pl. izomgörcsök).
A rendszer negatív visszacsatolás-vezérlés (visszacsatolás) részben megoldja az első stratégia korlátait
Ellenőrzés. Most az érzékelők figyelik a kimenetet, és a bemeneten korrekciókat végeznek az irányban
a kívánt és a valós kimenet közötti hiba minimalizálása (érzékelőkkel is elérhető). Mert ez
A vezérlés lassabb, mint a nyitott hurok esetén, lassú mozgásokhoz használják (a
kézi) vagy statikus állomásokon.
Adaptív irányítás leginkább a mozgáshoz kapcsolódó dinamikus mozgásokhoz használják. Ő
kombinálja a vezérlő és a rendszer válaszát, lineárisabb, megismételhetőbb, kiszámíthatóbb és adaptáltabb
türelmes. Egy ilyen rendszer tartalmaz egy meghatározott vezérlő hullámformák generátorát
minden alapmozgás, valamint egy hullámforma, amely adaptívan szűri a hullámokat
generálja és az izmokhoz küldi őket. Így a pácienshez és az izomfáradtsághoz való alkalmazkodás több
További jó eredménnyel rendelkező szabályozási technikák az arányos-derivált típusúak is
a mesterséges ideghálózatokon alapuló, amely jól foglalkozik az izmok nemlineáris jellegével és
A modern vezérlési technikák az alkalmazások EEG feldolgozásán alapulnak
agy-számítógép interfész (BCI).
4. A DÍJAK TERÁPIAI HATÁSAI. KLINIKAI ALKALMAZÁSOK
A FES klinikailag hasznos nemcsak az elveszített motoros funkciók helyreállításában, hanem egyesek terápiájában is
neurológiai betegségek, gerincvelői sérülések után vagy a rendszer plaszticitásának növelése érdekében
ideges az orvosi gyógyulás érdekében. Így a FES növeli az állóképességet, a nyomatékot és az izomerőt
és megakadályozza az izomsorvadást. Ez bizonyos rendellenességek esetén is csökkenti a görcsösséget
neurológiai, megakadályozza a megbénult betegek és a posztmenopauzás nők osteoporosisát, javítja
a csonttörések helyreállítása, fokozza a vérkeringést, megakadályozza a felfekvéseket. azonban,
a csontsűrűség nem nő jelentősen a FES alkalmazásával.
A "mély agyi stimuláció" (DBS) módszert használják neurológiai betegségek kezelésére
degeneratív betegségek (Parkinson-kór), remegés, lassú mozgások, merevség, mozgási problémák,
a kóros idegjelek blokkolása. A vagus idegstimulátor eredményeket mutat a
Transzkután ideg A FES krónikus vagy akut fájdalmat kezel.
A gyomor-bél traktusra alkalmazott FES csökkenti az elhízást.
4.1 Beültethető stimulátorok - klinikai szempontok
4.1.1 Perifériás idegek stimulátorai
Manipuláció - A komplex mozgásfunkciók, például a kéz irányításához szükséges
többcsatornás stimuláció. Példa egy ilyen stimulátorra, amely megragadja és elengedi a
Az objektumhoz nyolc csatorna és vastag film technológiával készített generátor szükséges.
Mozgás - Beültethető pacemakerek a leeső láb korrekciójára a betegeknél
a hemiplegicákat a Medtronic készítette, és a belső combba helyezik, körülvéve
peroneális ideg és epineurális stimulációs elektródákkal rendelkeznek. A stimulátort is megrendelik
szinkronban a cipő sarka egyik kapcsolójának járásával.
Lehelet - A légzésszabályozás kétcsatornás implantálható stimulátort tartalmaz elektródákkal
kétoldalúan alkalmazza a frenikus ideget. Korrigálhatók a légzési rendellenességek, például a magas fokú tetraplegia
ennek az idegnek a aktiválásával, amely az egyes fél-rekeszizmok összehúzódását eredményezi, amely
néhány órán keresztül váltakozva működik (hogy megakadályozzák megváltoztatásukat, ha folyamatosan dolgoznak).
Vizelet kontroll - Gerincvelő sérülése esetén szükséges. területeken
az S2, S3 és S4 keresztcsigolyákat külön stimulálják, ami a hólyag összehúzódását okozza
vizelés és külső záróizom. Az ismételten alkalmazott pulzusvonatok vizeletet okoznak.
A scoliosis kezelése - Az idiopátiás scoliosis a gerinc progresszív laterális görbülete
serdülőkorának, annak forgatásával egyidejűleg. A konvex részre alkalmazott elektromos stimuláció a
a görbület csökkenti vagy akár le is állítja a betegség progresszióját. A stimulációt szakaszosan alkalmazzuk, az amplitúdót
a stimuláció kevesebb, mint 10,5 V, és az impulzusok gyakorisága és szélessége a szokásos.
A FES elektródákat be lehet ültetni az agy felszínére vagy annak mélységébe. Bár itt nem FES
funkcionális mozgásokat produkál, "modulálja" a kóros motoros viselkedést, és így megállítja a
nem kívánt motoros aktivitás. Ebben az esetben a stimulátorok a neuromuszkuláris szabályozást szolgálják.
• Sagyi stimuláció - Klasszikus alkalmazás az agyi bénulás hatásainak csökkentése
gyermekek elektródákat helyeznek az agy felszínére. Az impulzusgenerátor található
szubkután a mellkas területén.
Vagális stimuláció - A vagus ideg szakaszos stimulálása 30 másodpercig, majd
öt perces szünet csökkenti az epilepsziás rohamok gyakoriságát. Mellkas stimulátor
spirális bipoláris elektródja van a bal nyaki ideg köré tekerve. Stimulációs paraméterek
30 Hz, 500 µs, 1,75 mA.
Mély agyi stimuláció (Mély agyi stimuláció) - Csökkentheti a remegést
kezelhetetlen Parkinson-kórban vagy esszenciális remegésben szenvedő betegeknél. Az elektróda területe
sztereotaktikusan az agy thalamus régiójában helyezkedik el, és a pulzusgenerátor be van kapcsolva
mellkas. Magas stimulációs frekvenciák (130 Hz) alkalmazása, 60 - 210 µs és
0,25 - 2,75 V amplitúdó azonnal megszüntetheti a páciens remegését.
4.1.3 Az implantálható stimulátorok jövője
1. Elosztott stimulátorok
Az implantálható stimulátorok egyik fő problémája a kimenő vezető vezetékek sokasága
az impulzusgenerátorból, kellemetlenségekkel a műtét során és
a szövetek lebomlása. Az egyik megoldás az egy kimenetű vezérlő, amely hat
a stimulálandó szerkezetbe beültetett egycsatornás mikrostimulátorok hálózata, amelyet a
egyetlen külső tekercs. Ilyen üvegbe burkolt mikrostimulátort a 6. ábra mutat be.
6. ábra 2 × 16 mm méretű mikrostimulátor. Az elektródák tantálból és irídiumból készülnek
2. A beültethető fordítók értesítése. Generált és fiziológiai jelek
Külső vezérlő források, például a váll által vezérelt joystick a kéz mozgatásához megkövetelik
további korlátozások a betegek számára, akiknek asszisztensnek kell öltöznie. Állandó beültetés
neuroprotetikus eszközök vezérlőmoduljainak modern és hatékony megoldás.
A 7. ábra a csuklóba beültetett ilyen átalakítót mutatja, amely a
mágneses érzékelők területéről. A jelátalakító az implantálható stimulátorhoz van csatlakoztatva,
amely biztosítja az áramellátást és az adatokat telemetriai úton továbbítja a külső vezérlőhöz.
A bénulás által nem érintett izmokból származó myoelektromos jelek egy másik vonzó forrása
beültethető neuromuszkuláris stimulátorok ellenőrzése. Például az erősített EMG jel és
a sterno-cleido-mastoid izomból integrálva elegendő információt tartalmaz a kontroll kezeléséhez a