上肢瘫痪肢体康复训练的刺激电极贴附“处方”设计

李紫瑄 王海鹏 盛滟鸿 陆宇雷

摘 要：针对瘫痪肢体电刺激康复训练中寻找个体体表的电极定位贴附较困难问题，文章提出了使用基于经穴部位国家标准的刺激位点定位方法来确定上肢手腕部各康复动作对应的刺激位点。该定位方法采用“骨度”折量寸定位法先预先为每个人定义“寸”的概念，即将个体的肘横纹至腕掌纹长度定位12“寸”对应于其实际前臂长度。因此将电极贴附位置中的个体差异转换为标准的“寸”，从而使最后得到的基于“寸”为单位的刺激位点位置，并进行与中医穴位的关联对比研究，从而更具有指导和参考意义，即称之为医学中的“处方”。文章使用双通道“肢动仪”进行刺激实验，并确定了指伸、指屈、腕伸、腕屈、尺偏、桡偏、旋前和旋后八个动作以“寸”为单位的“处方”设计。

关键词：运动功能重建；肌电桥；功能性电刺激；中医穴位

中图分类号：R318.6 文献标志码：A 文章编号：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

瘫痪是指人神经系统受损伤而导致的单一或多肌肉感觉和运动功能的丧失。在瘫痪肢体运动功能重建方面，上肢的运动功能康复对于患者的正常生活具有重要意义，并且上肢手部精细动作功能的康复要远比下肢粗大动作需要更長的时间，面临更大的困难[1]。传统的瘫痪肢体康复治疗方法主要包括药物治疗和工程学方法康复治疗，在工程学方法中主要有外骨骼、神经假体、功能性电激（FES， Functional Electrical Stimulation）等方法[2]。外骨骼与神经假体价格昂贵且通常为功能取代，对肢体本身并没有功能康复作用；普通的功能性电刺激仅仅是简单的人工编码刺激信号使肢体被动重复动作，训练者往往无法主动参与其中只能起到防止肌肉萎缩的作用。

鉴于上述方法针对瘫痪患者肢体运动功能的重建遇到的困难，东南大学王志功和吕晓迎两位教授领导课题组提出了基于通信原理与肌电（EMG， Electromyographic）信号控制的瘫痪肢体运动功能重建方法[3]。通过受控肢体与控制肢体运动EMG信号之间在空间、时间和编码三方面的对应关系，处理控制侧肢体EMG信号后转化成适当的FES脉冲以实现受控侧肢体运动功能的重建[2]。由于该方法实现时是在健康肢体和瘫痪肢体的对应主动肌之间构建一个“通信系统桥”用于传递信息，所以称该方法为“肌电桥”，并开发出无创的“双通道瘫痪肢体功能重建仪”，简称“肢动仪”[4]。通过使用双通道“肢动仪”在脑卒中急性期、亚急性期偏瘫患者上肢康复临床对照实验表明“肌电桥”对于偏瘫病人上肢运动功能康复是有效的[5]。但要在个体上实现瘫痪肢体的多自由度受控动作，需要发现刺激电极在个体体表的电极定位贴附方法，研究如何快速、准确的贴附刺激电极在受控者上肢从而完成对应康复训练动作具有重要意义。

本文提出了使用基于经穴部位国家标准的刺激位点定位方法来确定上肢手腕部各康复动作对应的刺激位点。该定位方法采用“骨度”折量寸定位法先预先为每个人定义“寸”的概念，即将个体的肘横纹至腕掌纹长度定位12“寸”对应于其实际前臂长度。因此将电极贴附位置中的个体差异转换为标准的“寸”，从而使最后得到的基于“寸”为单位的刺激位点位置，并进行与中医穴位的关联对比研究，从而更具有指导和参考意义，即称之为医学中的“处方”。本文使用双通道“肢动仪”进行刺激实验，并确定了指伸、指屈、腕伸、腕屈、尺偏、桡偏、旋前和旋后八个动作以“寸”为单位的“处方”设计。

2 受试者与方法

2.1 受试者

本次实验共招募6名健康受试者（3名男性，3名女性，年龄21.2 1.9岁）参加本研究。每个受试者要求在实验进行前24小时之内不能做剧烈运动，并且所有受试者在参加本研究实验前均已签署知情同意书。

2.2 基于中医“寸”的上肢坐标系建立

构建前臂坐标系如图1所示。按照中医学中所讲的单位“寸”，将前臂旋后姿势的桡骨远端手腕褶皱的末端被定义为起源，内侧远端手腕褶皱为正x轴（D-E-F-G），背侧手腕褶皱朝向尺骨茎突为负x轴（H-A-B-C），以及连接手腕折痕和垂直于手腕折痕的肘部折痕作为正y轴的线。正负x轴等间距分成8段（A-G），正y轴根据前述个体的肘横纹至腕掌纹长度等分成12“寸”，然后构建目标刺激位点阵列，点与点间距为1“寸”。

2.3 手腕部动作位点测定方法

从中医穴位来看，整个上肢部分可细分为大经脉之间的不同区域，这些区域由不同的神经分支支配[6，7]。实验前期发现，体表电极面积越小，对前臂下半部分穴位的选择性和灵敏程度越高；体表电极面积越大，对前臂上半部分穴位的选择性和灵敏程度越高。为了提高刺激选择性，故在此采用直径为2.3cm圆形水凝胶电极，进行阵列式刺激寻找单个手指屈的刺激位点，并将4×4cm2方形水凝胶电极置于肘部鹰突处作为参考电极。刺激器采用双通道“肢动仪”，工作模式为普通模式，刺激参数为50Hz双相非对称平衡脉冲。根据前期临床科学研究得出非对称的电荷平衡刺激脉冲刺激选择性好，适合小肌肉群刺激。故本实验中刺激波形采用1：4的正负双相脉冲刺激波形，示意图如图2所示，刺激时长为1s。

然后用于确定刺激点的位置的遍历任务从每个对象的前臂坐标系中的坐标原点开始。阴极（刺激电极）电流以8mA强度开始。在确保受试者实验任务期间前臂位置没有改变，同时没有不适的情况前提下，调整刺激强度和阴极电极沿格点位置移动。每个网格点被刺激两次以确定哪些手指处于运动中以及哪种类型的运动。最终确定没有刺痛、肌肉疼痛或不适的网格点作为刺激点。在其他前臂位置进行了相同的遍历任务。

3 实验结果与分析

3.1 基于“寸”手腕部动作运动位点测定图

将6名受试者依次进行手腕部动作位点测定实验，刺激的目标动作分别是腕伸、腕屈、指伸、指屈、尺偏、桡偏、旋前和旋后等动作。然后根据得到的动作位点按照事先建立好基于中医“寸”的上肢坐标系作图，如图3所示列出了受试者分别在腕伸、腕屈、指伸、指屈这四个动作时的测得的最佳动作运动位点。以图3中为（a）和（b）腕伸动作为例，可以看到腕伸刺激位点多集中在手前臂背侧，在手臂内侧有少量位点也可刺激实现腕伸动作。而图3（c）和（d）对应位点位置被测定为实现腕屈动作的刺激位点，分布在前臂内外两侧靠近拇指端。从图中也可以得到腕伸和腕屈动作有相互交叉的动作位点。图3（e）和（f）是手指伸的动作位点示意图，图3（g）和（h）是手指屈的动作位点。为了更加清晰的展示手指伸/指屈的动作位点，图4将1名受试者每个手指指屈的动作位点进行分别标注。图中从上到下依次为拇指、食指、中指、无名指和小指的指屈动作位点分布图。

3.2 基于“寸”手腕部动作运动位点测定与穴位的关联比对研究

结合基于“寸”手腕部动作运动位点分布图，本文与中医穴位在人体的分布标准位置进行关联对比研究，得到了手腕部运动位点与中医人体穴位的关联研究结果，如表1所示。上述手腕部动作位点与人体对应穴位都有一定关联，根据6位受试者的刺激位点分布，可以得到除指伸、尺偏和桡偏动作与对应的穴位有2寸范围，其余动作位点与对应穴位的距离均在一“寸”范围内。由于指伸/指屈动作包括五指的动作，所以对应的刺激位点和穴位较多。旋前和旋后同样也有较多的刺激位点和对应的穴位，因而位点与穴位的距离也较大。最后，在实验过程中发现使肘屈动作的刺激位点与曲池穴直接对应。

4 结论

本文针对瘫痪肢体电刺激康复训练中寻找个体体表的电极定位贴附较困难问题，提出了使用基于经穴部位国家标准的刺激位点定位方法来确定上肢手腕部各康复动作对应的刺激位点，并通过与中医穴位的关联对比研究得到基于穴位的电极位置贴附“处方”，从而加快在使用电刺激时进行上肢瘫痪肢体康复训练时的电极贴附效率和准确率，具有重要临床指导意义。

参考文献：

[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.上肢瘫痪肢体运动功能重建的电路系统设计与研究[D].南京：东南大学，2017.

[3]王志功，顾晓松，吕晓迎.微电子系统辅助神经信道功能恢复方法及其装置[P].中国发明专利，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]吴明明.基于透皮穴位电刺激的肢体运动功能重建方法与实验研究[D].南京：东南大学，2014.

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