功能性電刺激（Functional Electrical Stimulation, FES）:技術(shù)概述

FES由Liberson等人于1961年首次報(bào)道，最初通過(guò)腳踏開(kāi)關(guān)控制腓神經(jīng)刺激實(shí)現(xiàn)踝關(guān)節(jié)背屈，幫助患者行走，1962年正式命名為 “功能性電刺激”。經(jīng)過(guò)六十余年發(fā)展，其應(yīng)用已從簡(jiǎn)單步態(tài)輔助拓展至復(fù)雜上肢功能重建、呼吸調(diào)控等多領(lǐng)域，成為現(xiàn)代神經(jīng)康復(fù)的核心技術(shù)之一。

功能性電刺激（Functional Electrical Stimulation, FES）是一種通過(guò)低頻脈沖電流刺激神經(jīng)肌肉組織，繞過(guò)受損中樞神經(jīng)系統(tǒng)（如中風(fēng)、脊髓損傷部位），人為激活肌肉收縮以恢復(fù)運(yùn)動(dòng)功能的康復(fù)技術(shù)。其核心原理在于利用神經(jīng)可塑性，通過(guò)重復(fù)電刺激重塑神經(jīng)通路，實(shí)現(xiàn) “被動(dòng)刺激” 向 “主動(dòng)功能重建” 的轉(zhuǎn)變。

神經(jīng)生理學(xué)基礎(chǔ)：

正常神經(jīng)傳導(dǎo)鏈：神經(jīng)元通過(guò)動(dòng)作電位傳遞信號(hào)至肌肉，觸發(fā)收縮。

損傷后機(jī)制：中風(fēng)或脊髓損傷導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元與中樞失聯(lián)，F(xiàn)ES直接刺激完整軸突，通過(guò)神經(jīng)肌肉接頭激活肌肉纖維。

人體上肢神經(jīng)解剖圖

FES神經(jīng)學(xué)原理

電刺激參數(shù)：

1.頻率：理論上FES的頻率為1~100Hz

2.脈沖：常在100~1000之間，多使用200~300。

3.占空比：大多數(shù)為1：1至1：3之間。

4.波升/波降：波升是指達(dá)到最大電流所需要的時(shí)間，波降是指從最大電流回落到斷電時(shí)所需的時(shí)間，波升、波降通常取1~2s。

一般FES使用表面電極時(shí)，其電流強(qiáng)度在0mA~100mA之間。使用肌肉內(nèi)電極時(shí)，其電流強(qiáng)度在0mA~20mA之間。

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技術(shù)原理與系統(tǒng)組成

FES系統(tǒng)主要分為開(kāi)放式和閉環(huán)式兩大類，核心差異在于是否引入

生物信號(hào)反饋。

圖1用于中風(fēng)康復(fù)的功能性電刺激（FES）康復(fù)系統(tǒng)類型

A.開(kāi)環(huán)FES系統(tǒng)；B.閉環(huán)FES系統(tǒng)（腦機(jī)接口-FES）；C.閉環(huán)FES系統(tǒng)（肌電圖-FES）；

1. 開(kāi)放式 FES 系統(tǒng)：手動(dòng)預(yù)編程控制

工作機(jī)制：由治療師手動(dòng)設(shè)定刺激參數(shù)（如強(qiáng)度、頻率、脈寬），通過(guò)預(yù)設(shè)模式激活目標(biāo)肌肉。例如，在腕部痙攣治療中，治療師可通過(guò)2通道表面電極刺激腕伸肌，抑制屈肌痙攣（圖1A）。

典型應(yīng)用：用于早期康復(fù)或肌肉基礎(chǔ)較弱的患者。一項(xiàng)研究通過(guò)8次定制化開(kāi)放式FES訓(xùn)練，使22名患者中17人完成率超90%，證實(shí)其臨床可行性。

2. 閉環(huán)式 FES 系統(tǒng)：生物信號(hào)驅(qū)動(dòng)的智能反饋

腦機(jī)接口（BCI-FES）：

原理：通過(guò)EEG捕捉運(yùn)動(dòng)想象（MI）的腦電信號(hào)，轉(zhuǎn)化為刺激指令。例如，患者想象手部抓握時(shí)，EEG信號(hào)經(jīng)算法分類后觸發(fā)FES刺激手指屈肌，同步結(jié)合VR場(chǎng)景引導(dǎo)訓(xùn)練。

BCI-FES神經(jīng)康復(fù)系統(tǒng)整體示意圖

設(shè)備示例：商用系統(tǒng)RecoveriX通過(guò)16通道EEG電極采集信號(hào)，分類準(zhǔn)確率達(dá)72.9%-95%，顯著提升慢性中風(fēng)患者FMA評(píng)分（Δ=3.5-21.0分）。

肌電控制（EMG-FES）：

原理：實(shí)時(shí)分析肌電信號(hào)，動(dòng)態(tài)調(diào)整刺激強(qiáng)度。當(dāng)患者主動(dòng)嘗試腕部伸展時(shí)，EMG傳感器檢測(cè)肌肉活動(dòng)閾值，觸發(fā)FES輔助完成動(dòng)作，避免過(guò)度刺激導(dǎo)致的疲勞。

優(yōu)勢(shì)：相較于開(kāi)放式系統(tǒng)，EMG-FES的FMA評(píng)分提升最高（Δ=14.14分），且能減少肌肉痙攣（MAS評(píng)分降低0.63-0.72）。

EMG-FES神經(jīng)康復(fù)系統(tǒng)整體示意圖

關(guān)鍵組件對(duì)比

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應(yīng)用領(lǐng)域：從臨床康復(fù)到前沿創(chuàng)新

FES的應(yīng)用已從單一肌肉激活拓展至多場(chǎng)景功能重建，覆蓋神經(jīng)系統(tǒng)疾病、運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)及跨學(xué)科融合領(lǐng)域。

神經(jīng)系統(tǒng)疾病康復(fù)

中風(fēng)后上肢功能恢復(fù)：

手部抓握：BCI-FES結(jié)合VR游戲訓(xùn)練（如RecoveriX系統(tǒng)）可使患者在虛擬場(chǎng)景中通過(guò)想象控制抓握動(dòng)作，治療24次后，9-HPT測(cè)試（手指靈活性）提升30%。

腕部協(xié)調(diào)：EMG-FES系統(tǒng)（如MeCFES）通過(guò)實(shí)時(shí)肌電反饋，使32名患者的ARAT評(píng)分（上肢功能）提升3.0分，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)療法（Δ=2.0分）。

脊髓損傷與多發(fā)性硬化：

植入式FES可幫助截癱患者恢復(fù)站立能力。一項(xiàng)研究通過(guò)腰背部電極刺激，使慢性脊髓損傷患者的站立平衡時(shí)間延長(zhǎng)至15分鐘。

對(duì)于多發(fā)性硬化患者，F(xiàn)ES可緩解肌肉萎縮，維持關(guān)節(jié)活動(dòng)度，延緩功能衰退。

呼吸功能障礙：

主要用于腦血管意外、腦外傷、高位脊髓損傷所致的呼吸肌麻痹。用于控制和調(diào)節(jié)呼吸運(yùn)動(dòng)的FES系統(tǒng)為膈肌起搏器（EDP）。一對(duì)植入電極埋入雙側(cè)膈神經(jīng)上（亦可用體表電極置于雙側(cè)頸部膈神經(jīng)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)上），與固定于胸壁上的信號(hào)接收器相連。控制器發(fā)出無(wú)線電脈沖信號(hào)，由接收器將其變?yōu)榈皖l電流，經(jīng)電極刺激膈神經(jīng)，引起膈肌收縮。

運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)與智能康復(fù)設(shè)備

假肢控制與外骨骼協(xié)同：

結(jié)合肌電信號(hào)的FES假肢可實(shí)現(xiàn) “意念控制”。例如，截肢患者通過(guò)殘肢肌電信號(hào)觸發(fā)FES，控制義肢完成捏取動(dòng)作，觸覺(jué)反饋準(zhǔn)確率達(dá)83%。

FES與機(jī)械臂集成設(shè)計(jì)示意圖

FES與機(jī)器人外骨骼結(jié)合（如RETRAINER系統(tǒng)）可提供機(jī)械助力與電刺激雙重支持。72名中風(fēng)患者經(jīng)25次訓(xùn)練后，ARAT評(píng)分提升11.5分，較傳統(tǒng)療法高15%。

前沿創(chuàng)新：VR 與柔性電子技術(shù)融合

虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）沉浸式訓(xùn)練：

VR-FES聯(lián)合療法通過(guò)游戲化場(chǎng)景提升患者參與度。例如，患者在虛擬廚房中通過(guò)FES輔助完成端水杯動(dòng)作，訓(xùn)練20次后，MAL評(píng)分（日常活動(dòng)能力）提升40%。

柔性電極與可穿戴設(shè)備：

柔性電極陣列（如“e-sleeve”）貼合曲面皮膚，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)肌肉刺激。8名患者使用24電極陣列進(jìn)行 “手指開(kāi)合” 訓(xùn)練，動(dòng)作誤差降低至0.5°-0.8°。

臨床數(shù)據(jù)對(duì)比：

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總結(jié)：從實(shí)驗(yàn)室到臨床的跨越

FES通過(guò)電信號(hào)與神經(jīng)肌肉的精準(zhǔn)交互，正在重新定義中風(fēng)等神經(jīng)疾病的康復(fù)邊界。從早期的手動(dòng)控制到如今的BCI/EMG閉環(huán)智能系統(tǒng)，其核心突破在于 “被動(dòng)刺激” 向 “主動(dòng)神經(jīng)重塑” 的轉(zhuǎn)變 。盡管仍面臨個(gè)體適配與成本挑戰(zhàn)，但隨著VR、柔性電子與AI的深度融合，F(xiàn)ES有望成為未來(lái)家庭康復(fù)的核心工具，讓更多患者通過(guò) “電子鑰匙” 重啟自主生活。

數(shù)據(jù)支持：截至2023年，全球已有超200項(xiàng)臨床研究驗(yàn)證FES療效，其中閉環(huán)系統(tǒng)在慢性中風(fēng)患者中的功能恢復(fù)率較傳統(tǒng)療法提升40%-60%。隨著跨學(xué)科技術(shù)的迭代，F(xiàn)ES正從 “輔助工具” 邁向 “神經(jīng)再生引擎”，為千萬(wàn)患者開(kāi)啟康復(fù)新可能。

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回映產(chǎn)品

手持式功能性電刺激儀 FES

該設(shè)備基于功能性電刺激（FES）技術(shù)，通過(guò) 低頻脈沖電流（1–100Hz） 刺激目標(biāo)神經(jīng)或肌肉，繞過(guò)受損的中樞神經(jīng)系統(tǒng)（如中風(fēng)、脊髓損傷部位），直接誘發(fā)肌肉收縮，以恢復(fù)或輔助運(yùn)動(dòng)功能。該手持式FES設(shè)備通過(guò) 精準(zhǔn)電刺激+智能反饋，為神經(jīng)損傷患者提供非侵入、可定制的運(yùn)動(dòng)功能重建方案，覆蓋從臨床到家庭的康復(fù)需求。其核心價(jià)值在于 “替代-訓(xùn)練-重塑” 三重作用：短期替代癱瘓肌肉，中期促進(jìn)神經(jīng)可塑性，長(zhǎng)期恢復(fù)自主運(yùn)動(dòng)功能。
適應(yīng)癥:

該設(shè)備適用于 神經(jīng)系統(tǒng)損傷導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)功能障礙，主要臨床應(yīng)用包括：

1.中風(fēng)康復(fù)

上肢功能重建：輔助手部抓握、腕部伸展（如改善勺子握持能力）。

下肢步態(tài)訓(xùn)練：糾正足下垂（如刺激腓神經(jīng)實(shí)現(xiàn)踝背屈）。

2.脊髓損傷（SCI）

肌肉激活：預(yù)防廢用性萎縮（如股四頭肌電刺激維持肌力）。

膀胱功能管理：刺激骶神經(jīng)根改善排尿（需專業(yè)配置）。

3.多發(fā)性硬化（MS） & 腦癱（CP）

痙攣管理：通過(guò)拮抗肌刺激抑制異常肌張力（如腕屈肌痙攣緩解）。

4.運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)

術(shù)后肌肉再訓(xùn)練：如膝關(guān)節(jié)置換后股四頭肌激活。

回映手持式功能性電刺激FES設(shè)備示意圖

回映自研type-C轉(zhuǎn)生物電極示意圖

基本參數(shù)

幅值：0~80mA

頻率：1~100Hz

脈寬：0~1000us

淡入淡出時(shí)間：0~4s

通斷比：1:5 ~ 1:1

刺激時(shí)間：0~30min

脫落檢測(cè)：通過(guò)實(shí)時(shí)阻抗檢測(cè)分析電極脫落狀態(tài)確保刺激有效性；