用于治疗足下垂的新型功能电刺激技术及其神经机理研究

Foot drop is the inability to voluntarily dorsiflex the ankle during the swing phase of gait and is usually caused by weakness, damaging the peroneal nerve, decreasing gait quality, limiting mobility, increasing fall risk, and greatly increasing energy expenditure during walking. Functional electrical stimulation (FES) is a therapy to treat drop foot, and has been used for many years in clinical. However, due to the poor understanding of FES method, stimulation parameters, and the underlying neural mechanisms, the treatment benefits remain unsatisfactory. The project plans to explore the novel FES method and the optimal stimulation parameters, and to demonstrate the neural plastic mechanism of FES treatment. The main research contents have been addressed as follows. First, stimulate and record the same muscle simultaneously with our developed textile electrode to analyze the recoding electromyogram from the stimulated muscle and modulate the stimulation parameters adaptively. This closed loop method can achieve optimal stimulation effects. Second, neuroimaging method is used to analyze the stimulated ankle dorsiflexion, and monitor the effective executed movement to correctly interpret activation maps. This wil demonstrate the underlying neural plastic mechanism of FES treatment, and guide the selection of the stimulation parameters. The implementation of the project can obtain the more effective drop foot stimulation techniques, and understand mechanisms of central therapeutic benefits of FES.

足下垂是由腓总神经功能障碍引起踝关节无法背屈、行走时足趾拖地的症状，不仅影响患者日常行走，还会使患者产生自卑心理。功能电刺激（Functional Electrical Stimulation, FES）作为治疗足下垂的方法之一，虽然已在临床上应用多年，但由于合适的FES方式和参数及治疗效果的神经机制尚不明确，导致治疗效果不佳。本项目拟探索治疗足下垂的FES新方式与参数，进而研究FES治疗足下垂的神经可塑性。主要研究内容：1）利用研制的织物体表电极，同时实现目标肌肉电刺激和肌电信号采集，分析采集的肌电信号，实现对刺激参数的闭环调整，获取最佳刺激方式和参数；2）使用神经影像学方法分析FES诱发的踝关节背屈动作，并同时监视动作的执行，在此基础上理解FES促进神经可塑性的机理，并指导FES参数的选择。本项目的实施有望获得更有效的足下垂FES治疗技术，并从神经可塑性的角度了解FES治疗机理。

足下垂是指患者在行走时踝关节无法背屈，造成脚趾拖地、步态异常。功能电刺激技术可在行走过程中检测到患者抬脚意图并触发电刺激，帮助患者胫骨前肌收缩并完成抬脚动作。本项目拟通过研究新型刺激电极和刺激方式，研究基于足底压力、加速度、肌电、关节角度不同运动传感器对足背屈动作的反馈方法并结合动物实验探索新型功能电刺激技术及其神经机理。.主要在以下几个方面取得了突破性进展：.1．研制了用于经皮神经肌肉电刺激的织物电极，可用于患者的足下垂纠正。分析了含银导电织物材料的电化学阻抗特性并评价了织物电极的刺激舒适度，建立了织物刺激电极与皮肤的有限元模型，提出了刺激舒适度可能与Aδ神经纤维的激活有关，该方法可用于指导织物刺激电极的设计与优化。.2．研制了用于纠正足下垂的多触点阵列电刺激系统，由阵列电极、微控制单元、高压开关、刺激电流源、电源等组成。结合关节角度反馈，可实时搜索有效刺激点，解决了当前患者无法正确贴放电极位置的困难。通过多触点阵列电极，可顺序分布式激活不同的肌肉运动单元群，提高刺激效率，缓解电刺激造成的疲劳。.3．研究了足底压力、加速度、关节角度、肌电等不同运动传感器在复杂地形下（平走、上楼、下楼等）对刺激触发时间的判断情况。提出了一种基于加速度的识别算法，能在复杂地形下正确识别抬脚动作并触发电刺激，提高了刺激触发时间的正确率与稳定性。.4．建立了基于大鼠模型的运动功能康复研究实验平台，包括多通道大鼠跑台、可植入电极与颅骨接头、多通道肌电采集系统、运动分析系统等。研究了电刺激后肌肉功能恢复的情况。.5．基于大鼠动物实验平台，探索了利用超声对深部神经组织实施无创刺激的可能性。