功能性电刺激（FES）—神经假肢

 

功能性电刺激（Functional Electrical Stimulation, FES）:技术概述

 

 

FES 由 Liberson 等人于 1961 年首次报道，最初通过脚踏开关控制腓神经刺激实现踝关节背屈，帮助患者行走，1962 年正式命名为 “功能性电刺激”。经过六十余年发展，其应用已从简单步态辅助拓展至复杂上肢功能重建、呼吸调控等多领域，成为现代神经康复的核心技术之一。

 

 

功能性电刺激（Functional Electrical Stimulation, FES）是一种通过低频脉冲电流刺激神经肌肉组织，绕过受损中枢神经系统（如中风、脊髓损伤部位），人为激活肌肉收缩以恢复运动功能的康复技术。其核心原理在于利用神经可塑性，通过重复电刺激重塑神经通路，实现 “被动刺激” 向 “主动功能重建” 的转变。

 

 

 

神经生理学基础：

 

正常神经传导链：神经元通过动作电位传递信号至肌肉，触发收缩。

 

 

损伤后机制：中风或脊髓损伤导致运动神经元与中枢失联，FES 直接刺激完整轴突，通过神经肌肉接头激活肌肉纤维。

 

 

 

人体上肢神经解剖图

 

 

 

FES神经学原理

 

 

电刺激参数：

 

 

1. 频率：理论上FES的频率为1~100Hz

 

 

2. 脉冲：常在100~1000之间，多使用200~300。

 

 

3. 占空比：大多数为1：1至1：3之间。

 

 

4. 波升/波降：波升是指达到最大电流所需要的时间，波降是指从最大电流回落到断电时所需的时间，波升、波降通常取1~2s。
 

一般FES使用表面电极时，其电流强度在0mA~100mA之间。使用肌肉内电极时，其电流强度在0mA~20mA之间。

 

 

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技术原理与系统组成

FES 系统主要分为开放式和闭环式两大类，核心差异在于是否引入

生物信号反馈。

 

 

 

图1 用于中风康复的功能性电刺激（FES）康复系统类型 

 

 

A.开环FES系统；B.闭环FES系统（脑机接口-FES）； C.闭环FES系统（肌电图-FES）；

 

 

 

1. 开放式 FES 系统：手动预编程控制

 

工作机制：由治疗师手动设定刺激参数（如强度、频率、脉宽），通过预设模式激活目标肌肉。例如，在腕部痉挛治疗中，治疗师可通过2 通道表面电极刺激腕伸肌，抑制屈肌痉挛（图1A）。

 

 

典型应用：用于早期康复或肌肉基础较弱的患者。一项研究通过8 次定制化开放式 FES 训练，使 22 名患者中 17 人完成率超 90%，证实其临床可行性。

 

 

 

2. 闭环式 FES 系统：生物信号驱动的智能反馈

 

脑机接口（BCI-FES）：

 

原理：通过EEG 捕捉运动想象（MI）的脑电信号，转化为刺激指令。例如，患者想象手部抓握时，EEG 信号经算法分类后触发 FES 刺激手指屈肌，同步结合 VR 场景引导训练。

 

 

 

BCI-FES 神经康复系统整体示意图

 

 

设备示例：商用系统RecoveriX 通过 16 通道 EEG 电极采集信号，分类准确率达 72.9%-95%，显著提升慢性中风患者 FMA 评分（Δ=3.5-21.0 分）。

 

 

 

肌电控制（EMG-FES）：

 

原理：实时分析肌电信号，动态调整刺激强度。当患者主动尝试腕部伸展时，EMG 传感器检测肌肉活动阈值，触发 FES 辅助完成动作，避免过度刺激导致的疲劳。

 

 

 

优势：相较于开放式系统，EMG-FES 的 FMA 评分提升最高（Δ=14.14 分），且能减少肌肉痉挛（MAS 评分降低 0.63-0.72）。

 

 

 

EMG-FES 神经康复系统整体示意图

 

 

关键组件对比

 

组件类型	开放式FES	闭环式FES（BCI/EMG）
电极类型	表面电极（非侵入性）	高密度表面电极或植入式电极
控制逻辑	预编程模式（治疗师主导）	生物信号实时反馈（患者主动参与）
典型参数	频率30-100Hz，脉宽 200-500μs	频率50Hz，脉宽 300μs（EMG 触发）
适用场景	早期被动训练	中晚期主动功能重建

 

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应用领域：从临床康复到前沿创新

 

 

FES 的应用已从单一肌肉激活拓展至多场景功能重建，覆盖神经系统疾病、运动医学及跨学科融合领域。

 

 

神经系统疾病康复

 

中风后上肢功能恢复：

 

手部抓握：BCI-FES 结合 VR 游戏训练（如 RecoveriX 系统）可使患者在虚拟场景中通过想象控制抓握动作，治疗 24 次后，9-HPT 测试（手指灵活性）提升 30%。

 

 

腕部协调：EMG-FES 系统（如 MeCFES）通过实时肌电反馈，使 32 名患者的 ARAT 评分（上肢功能）提升 3.0 分，显著优于传统疗法（Δ=2.0 分）。

 

 

 

脊髓损伤与多发性硬化：

 

植入式FES 可帮助截瘫患者恢复站立能力。一项研究通过腰背部电极刺激，使慢性脊髓损伤患者的站立平衡时间延长至 15 分钟。

 

 

对于多发性硬化患者，FES 可缓解肌肉萎缩，维持关节活动度，延缓功能衰退。

 

 

呼吸功能障碍：

 

主要用于脑血管意外、脑外伤、高位脊髓损伤所致的呼吸肌麻痹。用于控制和调节呼吸运动的FES系统为膈肌起搏器（EDP）。一对植入电极埋入双侧膈神经上（亦可用体表电极置于双侧颈部膈神经运动点上），与固定于胸壁上的信号接收器相连。控制器发出无线电脉冲信号，由接收器将其变为低频电流，经电极刺激膈神经，引起膈肌收缩。

 

 

 

运动医学与智能康复设备

 

假肢控制与外骨骼协同：

 

 

结合肌电信号的FES 假肢可实现 “意念控制”。例如，截肢患者通过残肢肌电信号触发 FES，控制义肢完成捏取动作，触觉反馈准确率达 83%。

 

 

 

 

 

FES 与机械臂集成设计示意图

 

 

 

FES 与机器人外骨骼结合（如 RETRAINER 系统）可提供机械助力与电刺激双重支持。72 名中风患者经 25 次训练后，ARAT 评分提升 11.5 分，较传统疗法高 15%。

 

 

 

前沿创新：VR 与柔性电子技术融合

 

虚拟现实（VR）沉浸式训练：

 

VR-FES 联合疗法通过游戏化场景提升患者参与度。例如，患者在虚拟厨房中通过 FES 辅助完成端水杯动作，训练 20 次后，MAL 评分（日常活动能力）提升 40%。

 

 

 

柔性电极与可穿戴设备：

 

柔性电极阵列（如“e-sleeve”）贴合曲面皮肤，实现精准肌肉刺激。8 名患者使用 24 电极阵列进行 “手指开合” 训练，动作误差降低至 0.5°-0.8°。

 

 

 

临床数据对比：

 

应用场景	干预方式	样本量	关键指标提升
中风后手部功能	EMG-FES	12	FMA 评分 Δ=12.2±5.3
脊髓损伤站立	植入式FES	5	站立时间Δ=10 分钟
VR 协同训练	BCI-FES+VR	41	JTT 评分 Δ=18.0

 

 

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总结：从实验室到临床的跨越

 

 

FES 通过电信号与神经肌肉的精准交互，正在重新定义中风等神经疾病的康复边界。从早期的手动控制到如今的 BCI/EMG 闭环智能系统，其核心突破在于 “被动刺激” 向 “主动神经重塑” 的转变 。尽管仍面临个体适配与成本挑战，但随着 VR、柔性电子与 AI 的深度融合，FES 有望成为未来家庭康复的核心工具，让更多患者通过 “电子钥匙” 重启自主生活。

 

 

数据支持：截至2023 年，全球已有超 200 项临床研究验证 FES 疗效，其中闭环系统在慢性中风患者中的功能恢复率较传统疗法提升 40%-60%。随着跨学科技术的迭代，FES 正从 “辅助工具” 迈向 “神经再生引擎”，为千万患者开启康复新可能。

 

 

 

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回映产品  

手持式功能性电刺激仪 FES

该设备基于功能性电刺激（FES）技术，通过 低频脉冲电流（1–100Hz） 刺激目标神经或肌肉，绕过受损的中枢神经系统（如中风、脊髓损伤部位），直接诱发肌肉收缩，以恢复或辅助运动功能。该手持式FES设备通过 精准电刺激+智能反馈，为神经损伤患者提供非侵入、可定制的运动功能重建方案，覆盖从临床到家庭的康复需求。其核心价值在于 “替代-训练-重塑” 三重作用：短期替代瘫痪肌肉，中期促进神经可塑性，长期恢复自主运动功能。
适应症:
 

该设备适用于 神经系统损伤导致的运动功能障碍，主要临床应用包括：

 

1.中风康复

上肢功能重建：辅助手部抓握、腕部伸展（如改善勺子握持能力）。

下肢步态训练：纠正足下垂（如刺激腓神经实现踝背屈）。

 

2.脊髓损伤（SCI）

肌肉激活：预防废用性萎缩（如股四头肌电刺激维持肌力）。

膀胱功能管理：刺激骶神经根改善排尿（需专业配置）。

 

3.多发性硬化（MS） & 脑瘫（CP）

痉挛管理：通过拮抗肌刺激抑制异常肌张力（如腕屈肌痉挛缓解）。

 

4.运动医学

术后肌肉再训练：如膝关节置换后股四头肌激活。

 

回映手持式功能性电刺激FES设备示意图

回映自研type-C转生物电极示意图

 

 

基本参数

幅值：0~80mA

频率：1~100Hz

脉宽：0~1000us

淡入淡出时间：0~4s

通断比：1:5 ~ 1:1

刺激时间：0~30min

脱落检测：通过实时阻抗检测分析电极脱落状态确保刺激有效性；