功能性电刺激FES对中风后上肢功能的改善

 

中枢神经系统损伤的核心机制

 

中风导致的上肢运动障碍本质上是中枢神经系统结构性与功能性损伤的综合表现。大脑中动脉供血区的梗死或出血(约占缺血性中风的 60%-80%)常累及基底节、内囊后肢等关键结构，造成皮质脊髓束（CST）的轴突中断或脱髓鞘改变。组织病理学研究显示，急性期病灶周围神经元出现细胞水肿、线粒体肿胀，突触密度在 72 小时内下降 34%±5%。这种结构性破坏导致运动皮层（M1 区）至脊髓前角运动神经元的神经传导通路中断，表现为患侧上肢的主动运动启动困难。

 

 

 

皮质脊髓束（CST）

 

 

 

功能影像学研究进一步揭示，中风后健侧大脑半球出现异常激活代偿正电子发射断层扫描（PET）显示，患侧 M1 区葡萄糖代谢率较健侧低降41%±7%，而健侧辅助运动区（SMA）和前额叶皮层代谢率升高 28%±4%。这种跨半球抑制失衡引发镜像运动增多，表现为执行单侧动作时对侧肢体不自主运动，严重影响精细动作控制。

 

 

 

健康受试者和脑卒中患者在左手和右手运动时的大脑激活情况

 

 

 

神经可塑性的受限与重构特征

 

中风后中枢神经系统启动神经重塑机制，但存在显著的时空局限性。轴突芽生主要发生在病灶周边 2-5mm 范围内，新生轴突每日生长速度约 50-100μm。树突棘密度在亚急性期（2-4 周）出现短暂升高，主要集中在初级运动皮层和感觉皮层的 Ⅱ/Ⅲ 层，随后因神经营养因子（BDNF,NGF）供应不足而逐渐回落。

 

 

 

突触传递效率的改变是功能重构的关键环节。单突触反射（H 反射）检测显示，患侧上肢 α 运动神经元兴奋性在中风后 1 周内下降 65%±9%，3 个月时恢复至 42%±8%。经颅磁刺激（TMS）研究发现，运动皮层兴奋性阈值升高（从 1.2T 升至 1.5T），皮质内抑制（ICI）增强而皮质内易化（ICF）减弱，这种失衡状态持续 6-12 个月。

 

 

 

感觉运动整合功能的紊乱

 

本体感觉传入障碍是上肢运动障碍的重要诱因。正中神经体感诱发电位（SEP）显示，N20 波幅降低 58%±11%，潜伏期延长 12ms±3ms。这种外周感觉输入的缺失导致运动皮层无法获取准确的肢体位置信息，形成 "运动计划 - 执行 - 反馈" 环路的断裂。

 

 

 

运动感觉神经传导通路

 

 

 

运动单位募集模式的改变进一步加剧功能障碍。表面肌电（sEMG）分析表明，患侧上肢在抓握动作时，肱二头肌与肱三头肌的协同收缩指数升高至 0.72±0.08（健侧为 0.35±0.06），拮抗肌异常激活导致关节稳定性下降。这种异常的神经肌肉控制模式在中风后早期即形成，并随病程发展出现肌肉萎缩（每月肌肉横截面积减少 1.2%-1.5%）。

 

 

 

HUIYING

FES 刺激改善上肢功能的原理机制

外周神经肌肉的直接激活效应

 

 

功能性电刺激（FES）通过表面电极或植入电极产生的脉冲电流，直接兴奋运动神经纤维。当刺激频率达到 30-50Hz 时，可引发运动单位的强直性收缩，募集 Ⅰ 型和 Ⅱa 型肌纤维。动态力学测试显示，单次 FES 刺激可使患侧腕伸肌肌力即刻提升 22%±5%，握力增加 15%±4%。

 

 

 

功能性电刺激产生脉冲电流刺激引发肌肉收缩

 

 

 

电刺激的空间 - 时间参数决定激活效果：矩形波（波宽 200-300μs）对运动神经的激活效率最高，而交流电（频率 > 100Hz）更易引起感觉神经兴奋。电极间距 15-20mm 时可形成有效的电场分布，覆盖目标肌群的运动终板区。这种直接的肌肉激活效应在改善关节活动度（ROM）方面尤为显著，肘关节被动屈曲角度可增加 18°±3°。

 

 

 

 

中枢神经系统的可塑性诱导

 

FES 刺激通过逆向神经传导激活中枢重塑机制。经颅磁刺激联合 FES 实验显示，刺激后 M1 区的运动诱发电位（MEP）波幅升高 35%±8%，潜伏期缩短 5ms±2ms，持续效应可达 60 分钟。功能磁共振成像（fMRI）证实，刺激患侧上肢伸肌时，对侧 M1 区血流量增加 21%±6%，同侧 SMA 激活强度提升 18%±5%。

 

 

 

长期 FES 干预可改变大脑皮层的功能重组模式。慢性期（>6 个月）患者接受 8 周 FES 治疗后，患侧 M1 区的皮层代表区面积扩大 19%±4%，而健侧 SMA 的异常激活程度降低 25%±7%。这种重塑与突触结构的改变相关：海马区突触后致密蛋白 - 95（PSD-95）表达增加 32%±9%，突触素（Synapsin）水平升高 28%±6%。

 

 

 

功能性电刺激（FES）如何增强中风患者神经元功能连接的示意图

 

 

 

感觉运动环路的重建作用

 

FES 在激活肌肉收缩的同时，同步激活本体感觉传入。胫后神经 FES 可使脊髓后角神经元放电频率增加 40%±12%，经丘脑腹后外侧核投射至中央后回的信号强度提升 25%±8%。这种感觉输入的恢复有助于重建 "运动执行 - 感觉反馈" 闭环，改善动作的协调性。

 

 

 

运动控制理论模型显示，FES 通过以下途径优化运动模式：①降低拮抗肌的异常协同收缩（协同收缩指数下降至 0.51±0.09）；②调整运动单位募集顺序，优先激活低阈值慢肌纤维；③增强脊髓水平的反射调节，使 H 反射与 M 波的比值从 0.68±0.11 恢复至 0.45±0.07。这些效应共同促进抓握、伸手等功能性动作的完成。

 

 

HUIYING

临床实验研究验证

 

 

急性期干预效果（发病 1-4 周）

多中心随机对照试验（RCT）纳入 120 例急性缺血性中风患者，发病 72 小时内启动 FES 治疗。干预组（n=60）接受每日 2 次、每次 30 分钟的伸腕肌 FES（频率 40Hz，强度 20-30mA），对照组（n=60）接受假刺激。4 周后评估显示：

 

评估指标	干预组改善值	对照组改善值	p 值
Fugl-Meyer 评分	12.3±2.7	6.5±1.8	<0.01
动作研究臂测试 (ARAT)	15.2±3.1	8.7±2.4	<0.01
改良 Ashworth 量表	1.8±0.5	0.9±0.3	<0.05

经颅磁刺激监测发现，干预组的皮质静息期（CSP）从 58ms±10ms 缩短至 39ms±8ms，提示皮层抑制性调控改善。

 

 

 

改良Ashworth 量表评定受试者上肢痉挛程度的结果

 

 

 

亚慢性期疗效对比（发病 1-6 个月）

 

一项包含 5 项 RCT 的 Meta 分析（n=350）比较了不同 FES 方案的效果。结果显示：高频刺激（50-70Hz）在改善肌肉力量（SMD=0.89, 95% CI:0.62-1.16）和关节活动度（SMD=0.78, 0.51-1.05）方面优于低频刺激（20-30Hz）。

 

 

 

同步刺激多个肌群（如伸腕肌 + 指伸肌）的 ARAT 评分提升幅度（18.5±4.2）显著高于单肌群刺激（12.3±3.5, p<0.01）

 

 

 

结合任务导向训练（TOT）的 FES 组，6 个月时的 Wolf 运动功能测试（WMFT）完成时间缩短 42%±11%，显著优于单纯 FES 组（28%±9%, p<0.05）。

 

 

 

 

 

 

表面肌电图评估肌肉活性结果

 

 

 

HUIYING

临床实验研究验证

 

 

 

电刺激基础参数

 

参数类型	推荐范围	临床效应
刺激频率	20-70Hz（常用 30-50Hz）	低频（20-30Hz）：诱发肌肉收缩高频（50-70Hz）：增强肌肉耐力
波宽	200-350μs	影响神经纤维激活阈值，宽波刺激更易兴奋粗纤维
强度	20-50mA（表面电极）	以可见肌肉收缩但无疼痛为限，约为运动阈值的 120%-150%
周期	收缩期 10-15s舒张期 20-30s	避免肌肉疲劳，理想 duty cycle 30%-40%
参数类型	推荐范围	临床效应

 

目标肌群电极放置

 

1. 腕伸肌群

 

 

阳极：肱骨外上髁上方 2cm（对应伸肌总腱起点）

阴极：腕背横纹上 3cm（肌腱移行区）电极尺寸：5cm×7cm，间距 8-10cm

 

 

2. 指伸肌群

 

 

阳极：尺骨背面中 1/3（肌腹中部）

阴极：掌指关节背侧（肌腱附着点近端）采用双电极对置法，覆盖第 2-5 指伸肌

 

 

3. 拇指外展肌群

 

 

阳极：桡骨茎突上方 4cm（肌腹起点）

阴极：第一掌骨背侧中点（肌腱走行区）使用 2cm×3cm 小型电极，电流强度 15-25mA

 

 

 

目标肌群位置

 

 

结语

 

FES 刺激通过直接激活神经肌肉、诱导中枢重塑、重建感觉运动环路，成为中风后上肢功能康复的重要手段。现有研究明确了其作用的神经生理基础在于修复皮质脊髓束传导、促进突触重塑和优化运动单位募集。临床证据显示，早期介入（发病 72 小时内）联合任务导向训练可显著提升功能恢复效果，具体参数需根据病程阶段、肌肉状态进行个体化调整。未来研究应进一步探索 FES 与神经调控技术（如 tDCS、TMS）的协同机制，以及长期疗效的神经影像学生物标志物，为精准康复方案制定提供依据。

 

 

 

HUIYING

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；

 

参考文献

1.Effectiveness of upper limb functional electrical stimulation after stroke for the improvement of activities of daily living and motor function: a systematic review and meta-analysis

 

 

2.Effect of transcranial direct current stimulation and functional electrical stimulation on upper limb rehabilitation of stroke patients

 

 

3.Usability of Functional Electrical Stimulation in Upper Limb Rehabilitation in Post-Stroke Patients: A Narrative Review

 

 

4.Upper Extremity Functional Electrical Stimulation (FES)

 

 

5.A systematic review on functional electrical stimulation based rehabilitation systems for upper limb post-stroke recovery