上肢癱瘓肢體康復訓練的刺激電極貼附“處方”設計

李紫瑄 王海鵬 盛滟鴻 陸宇雷

摘 要：針對癱瘓肢體電刺激康復訓練中尋找個體體表的電極定位貼附較困難問題，文章提出了使用基于經穴部位國家標準的刺激位點定位方法來確定上肢手腕部各康復動作對應的刺激位點。該定位方法采用“骨度”折量寸定位法先預先為每個人定義“寸”的概念，即將個體的肘橫紋至腕掌紋長度定位12“寸”對應于其實際前臂長度。因此將電極貼附位置中的個體差異轉換為標準的“寸”，從而使最后得到的基于“寸”為單位的刺激位點位置，并進行與中醫穴位的關聯對比研究，從而更具有指導和參考意義，即稱之為醫學中的“處方”。文章使用雙通道“肢動儀”進行刺激實驗，并確定了指伸、指屈、腕伸、腕屈、尺偏、橈偏、旋前和旋后八個動作以“寸”為單位的“處方”設計。

關鍵詞：運動功能重建；肌電橋；功能性電刺激；中醫穴位

中圖分類號：R318.6 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）01-0034-04

Abstract： In view of the difficulty in finding the electrode location on the body surface of the paralyzed limbs during the rehabilitation training by electrical stimulation， in this paper， a method based on the national standard of acupoint location is proposed to locate the stimulation sites corresponding to the rehabilitation actions of the upper extremities and wrists. In this method， the concept of "inch" is defined for each person in advance using the method of "bony size". That is to say， 12 "inches" of the length from elbow stripe to carpal print correspond to the actual length of forearm. Therefore， the individual difference in the electrode attachment position is converted into the standard "inch"， so that the final "inch"-based stimulation point is obtained， and the correlation study with the traditional Chinese medicine acupoints is carried out. Thus， it is more instructive and referential. It is called "prescription" in medicine. In this paper， the stimulation experiment was carried out using a two-channel "limb motion instrument"， and the "prescription" design of the eight movements of finger extension， finger flexion， wrist extension， wrist flexion， ulnar deviation， radial deviation， pronation and supination was designed in the unit of "inch".

Keywords： motor function reconstruction； myoelectric bridge； functional electrical stimulation； acupoints of traditional Chinese medicine

1 概述

癱瘓是指人神經系統受損傷而導致的單一或多肌肉感覺和運動功能的喪失。在癱瘓肢體運動功能重建方面，上肢的運動功能康復對于患者的正常生活具有重要意義，并且上肢手部精細動作功能的康復要遠比下肢粗大動作需要更長的時間，面臨更大的困難[1]。傳統的癱瘓肢體康復治療方法主要包括藥物治療和工程學方法康復治療，在工程學方法中主要有外骨骼、神經假體、功能性電激（FES， Functional Electrical Stimulation）等方法[2]。外骨骼與神經假體價格昂貴且通常為功能取代，對肢體本身并沒有功能康復作用；普通的功能性電刺激僅僅是簡單的人工編碼刺激信號使肢體被動重復動作，訓練者往往無法主動參與其中只能起到防止肌肉萎縮的作用。

鑒于上述方法針對癱瘓患者肢體運動功能的重建遇到的困難，東南大學王志功和呂曉迎兩位教授領導課題組提出了基于通信原理與肌電（EMG， Electromyographic）信號控制的癱瘓肢體運動功能重建方法[3]。通過受控肢體與控制肢體運動EMG信號之間在空間、時間和編碼三方面的對應關系，處理控制側肢體EMG信號后轉化成適當的FES脈沖以實現受控側肢體運動功能的重建[2]。由于該方法實現時是在健康肢體和癱瘓肢體的對應主動肌之間構建一個“通信系統橋”用于傳遞信息，所以稱該方法為“肌電橋”，并開發出無創的“雙通道癱瘓肢體功能重建儀”，簡稱“肢動儀”[4]。通過使用雙通道“肢動儀”在腦卒中急性期、亞急性期偏癱患者上肢康復臨床對照實驗表明“肌電橋”對于偏癱病人上肢運動功能康復是有效的[5]。但要在個體上實現癱瘓肢體的多自由度受控動作，需要發現刺激電極在個體體表的電極定位貼附方法，研究如何快速、準確的貼附刺激電極在受控者上肢從而完成對應康復訓練動作具有重要意義。

本文提出了使用基于經穴部位國家標準的刺激位點定位方法來確定上肢手腕部各康復動作對應的刺激位點。該定位方法采用“骨度”折量寸定位法先預先為每個人定義“寸”的概念，即將個體的肘橫紋至腕掌紋長度定位12“寸”對應于其實際前臂長度。因此將電極貼附位置中的個體差異轉換為標準的“寸”，從而使最后得到的基于“寸”為單位的刺激位點位置，并進行與中醫穴位的關聯對比研究，從而更具有指導和參考意義，即稱之為醫學中的“處方”。本文使用雙通道“肢動儀”進行刺激實驗，并確定了指伸、指屈、腕伸、腕屈、尺偏、橈偏、旋前和旋后八個動作以“寸”為單位的“處方”設計。

2 受試者與方法

2.1 受試者

本次實驗共招募6名健康受試者（3名男性，3名女性，年齡21.2 1.9歲）參加本研究。每個受試者要求在實驗進行前24小時之內不能做劇烈運動，并且所有受試者在參加本研究實驗前均已簽署知情同意書。

2.2 基于中醫“寸”的上肢坐標系建立

構建前臂坐標系如圖1所示。按照中醫學中所講的單位“寸”，將前臂旋后姿勢的橈骨遠端手腕褶皺的末端被定義為起源，內側遠端手腕褶皺為正x軸（D-E-F-G），背側手腕褶皺朝向尺骨莖突為負x軸（H-A-B-C），以及連接手腕折痕和垂直于手腕折痕的肘部折痕作為正y軸的線。正負x軸等間距分成8段（A-G），正y軸根據前述個體的肘橫紋至腕掌紋長度等分成12“寸”，然后構建目標刺激位點陣列，點與點間距為1“寸”。

2.3 手腕部動作位點測定方法

從中醫穴位來看，整個上肢部分可細分為大經脈之間的不同區域，這些區域由不同的神經分支支配[6，7]。實驗前期發現，體表電極面積越小，對前臂下半部分穴位的選擇性和靈敏程度越高；體表電極面積越大，對前臂上半部分穴位的選擇性和靈敏程度越高。為了提高刺激選擇性，故在此采用直徑為2.3cm圓形水凝膠電極，進行陣列式刺激尋找單個手指屈的刺激位點，并將4×4cm2方形水凝膠電極置于肘部鷹突處作為參考電極。刺激器采用雙通道“肢動儀”，工作模式為普通模式，刺激參數為50Hz雙相非對稱平衡脈沖。根據前期臨床科學研究得出非對稱的電荷平衡刺激脈沖刺激選擇性好，適合小肌肉群刺激。故本實驗中刺激波形采用1：4的正負雙相脈沖刺激波形，示意圖如圖2所示，刺激時長為1s。

然后用于確定刺激點的位置的遍歷任務從每個對象的前臂坐標系中的坐標原點開始。陰極（刺激電極）電流以8mA強度開始。在確保受試者實驗任務期間前臂位置沒有改變，同時沒有不適的情況前提下，調整刺激強度和陰極電極沿格點位置移動。每個網格點被刺激兩次以確定哪些手指處于運動中以及哪種類型的運動。最終確定沒有刺痛、肌肉疼痛或不適的網格點作為刺激點。在其他前臂位置進行了相同的遍歷任務。

3 實驗結果與分析

3.1 基于“寸”手腕部動作運動位點測定圖

將6名受試者依次進行手腕部動作位點測定實驗，刺激的目標動作分別是腕伸、腕屈、指伸、指屈、尺偏、橈偏、旋前和旋后等動作。然后根據得到的動作位點按照事先建立好基于中醫“寸”的上肢坐標系作圖，如圖3所示列出了受試者分別在腕伸、腕屈、指伸、指屈這四個動作時的測得的最佳動作運動位點。以圖3中為（a）和（b）腕伸動作為例，可以看到腕伸刺激位點多集中在手前臂背側，在手臂內側有少量位點也可刺激實現腕伸動作。而圖3（c）和（d）對應位點位置被測定為實現腕屈動作的刺激位點，分布在前臂內外兩側靠近拇指端。從圖中也可以得到腕伸和腕屈動作有相互交叉的動作位點。圖3（e）和（f）是手指伸的動作位點示意圖，圖3（g）和（h）是手指屈的動作位點。為了更加清晰的展示手指伸/指屈的動作位點，圖4將1名受試者每個手指指屈的動作位點進行分別標注。圖中從上到下依次為拇指、食指、中指、無名指和小指的指屈動作位點分布圖。

3.2 基于“寸”手腕部動作運動位點測定與穴位的關聯比對研究

結合基于“寸”手腕部動作運動位點分布圖，本文與中醫穴位在人體的分布標準位置進行關聯對比研究，得到了手腕部運動位點與中醫人體穴位的關聯研究結果，如表1所示。上述手腕部動作位點與人體對應穴位都有一定關聯，根據6位受試者的刺激位點分布，可以得到除指伸、尺偏和橈偏動作與對應的穴位有2寸范圍，其余動作位點與對應穴位的距離均在一“寸”范圍內。由于指伸/指屈動作包括五指的動作，所以對應的刺激位點和穴位較多。旋前和旋后同樣也有較多的刺激位點和對應的穴位，因而位點與穴位的距離也較大。最后，在實驗過程中發現使肘屈動作的刺激位點與曲池穴直接對應。

4 結論

本文針對癱瘓肢體電刺激康復訓練中尋找個體體表的電極定位貼附較困難問題，提出了使用基于經穴部位國家標準的刺激位點定位方法來確定上肢手腕部各康復動作對應的刺激位點，并通過與中醫穴位的關聯對比研究得到基于穴位的電極位置貼附“處方”，從而加快在使用電刺激時進行上肢癱瘓肢體康復訓練時的電極貼附效率和準確率，具有重要臨床指導意義。

參考文獻：

[1]Kwakkel G， Kollen B. Predicting improvement in the upper paretic limb after stroke： a longitudinal prospective study[J]. Restorative neurology and neuroscience， 2007， 25（5， 6）： 453-460.

[2]王海鵬.上肢癱瘓肢體運動功能重建的電路系統設計與研究[D].南京：東南大學，2017.

[3]王志功，顧曉松，呂曉迎.微電子系統輔助神經信道功能恢復方法及其裝置[P].中國發明專利，ZL200510135541.6，2008-12-24.

[4]Huang Z， Wang Z， Lv X， et al. A novel functional electrical stimulation-control system for restoring motor function of post-stroke hemiplegic patients[J]. Neural regeneration research， 2014，

9（23）：2102.

[5]Zhou Y X， Xia Y， Huang J， et al. Electromyographic bridge for promoting the recovery of hand movements in subacute stroke patients： A randomized controlled trial[J]. Journal of rehabilitation medicine， 2017，49（8）：629-636.

[6]吳明明.基于透皮穴位電刺激的肢體運動功能重建方法與實驗研究[D].南京：東南大學，2014.

[7]Cao X， Wu G C， Cheng J. Acupuncture therapy for neurological diseases： a neurobiological view [M]. Beijing， China：Springer， 2010：32-80.