基于fNIRS评估验证功能性电刺激FES的神经效应

 

中风、步态障碍与功能性电刺激FES

1.正常步态周期相位说明（图1）

支撑相（60%周期）：

脚跟触地（Heel strike）→ 承重反应（Loading response）→ 支撑中期（Mid-stance）→ 支撑末期（Terminal stance）→ 摆动前期（Pre-swing）

双支撑期：步态周期开始和结束阶段（各占10-12%），双脚同时触地，增加稳定性。

摆动相（40%周期）：

脚尖离地（Toe-off）→ 摆动中期（Mid-swing）→ 摆动末期（Terminal swing）→ 脚跟再次触地。

单支撑期：单腿承重，另一腿摆动。

图1 步态周期相位

 

2.步态参数术语说明(图2)：

步长（Step length）：一足触地点到对侧足触地点的距离。

步宽（Step width）：双足跟中点的横向距离（老年人比年轻人宽40%）。

步频（Cadence）：单位时间步数（青年成人115-120步/分）。

步速（Gait speed）：健康成人≤59岁约1.4 m/s，80岁以上降至0.95 m/s（步长缩短是主因）

图2 步态参数定义

 

3.中风如何导致步态障碍

中风通过损伤不同脑区引发特异性步态障碍：

皮质脊髓束损伤 → 痉挛性偏瘫步态（图3b）

丘脑或豆状核病变 → 丘脑性站立不能（Thalamic astasia）：

额叶/白质病变 → 额叶步态障碍（图3e）

 

图3 经典障碍步态模式 

 

关键机制：

运动控制通路（锥体束、基底节-丘脑-皮质环路）中断 → 肌张力异常、协调丧失。

感觉整合障碍（如本体觉缺失）→ 步态不稳，需视觉代偿（Romberg征阳性）

 

4.FES解决中风下肢问题的机制

FES原理：通过时序性电刺激股四头肌（支撑期）和胫骨前肌（摆动期），模拟自然步态（图4）。

 

图4 功能性电刺激FES核心机制

 

5.关键脑区功能及其与FES的关联

脑区	功能	与血红蛋白的关联	FES干预效果
健侧cPMC	运动计划、姿势控制	ΔOxy-Hb↓：氧合需求降低，反映神经效率提升	显著激活降低，步态更自动化
PFC	高阶认知控制（如平衡调节）	ΔOxy-Hb↓趋势：减少认知负荷	未达显著差异，但激活趋势下降
SMC	运动执行	ΔOxy-Hb↓趋势：运动控制资源需求减少	无显著差异，但对称性改善
ΔDeoxy-Hb	脱氧血红蛋白变化	无显著差异，因Oxy-Hb对运动更敏感	非主要指标，敏感度较低

 

HUIYING

fNIRS如何验证FES的神经效应

 

技术原理：fNIRS通过近红外光检测皮层血氧（Oxy-Hb/Deoxy-Hb），抗运动伪影强，适合步行研究

 

关键证据：

ΔOxy-Hb作为核心指标：信噪比优于Deoxy-Hb。

FES-on时cPMC的ΔOxy-Hb显著降低（图4）：表明健侧运动前区资源消耗减少，支持"步态自动化"假说。

相关性分析：cPMC激活降低与步行速度提升显著相关（*r* = 0.509, *p* = 0.026），证明神经效率改善直接关联功能进步。

 

与上肢研究的对比：类似上肢FES训练，下肢FES也减少健侧代偿，促进患侧激活。

 

 

HUIYING

临床研究方法与结果

采用功能性近红外光谱（fNIRS）技术，观察19例脑卒中患者在佩戴双通道功能性电刺激（FES）设备步行时的皮质激活变化。结果显示：与未使用FES相比，对侧前运动皮层（cPMC）的氧合血红蛋白（ΔOxy-Hb）显著降低（*z* = -2.803, *p* = 0.005），且所有脑区均呈现ΔOxy-Hb下降趋势；同时，FES辅助下步行速度提升（10米步行时间减少），且cPMC激活降低与步行速度改善呈正相关（ρ = 0.509, *p* = 0.026）。这表明FES可能通过减少对侧皮质资源依赖，促进更自动化的步行模式，为神经康复机制提供依据

 

研究方法

设计：交叉试验（图5），19例中风患者完成FES-on/FES-off步行任务。

图5 临床研究示意

 

技术：

fNIRS：监测6个脑区（PFC、PMC、SMC等）血氧变化（图6通道布局）。

  图6（fNIRS通道）：覆盖前额叶（PFC）、运动前区（PMC）、感觉运动区（SMC），健/患侧分区对比

 

FES设备：双通道（股四头肌+胫前肌），同步足压传感器触发（图7刺激时序）。

图7 刺激时序示意

 

指标：ΔOxy-Hb（主要）、ΔDeoxy-Hb、10米步行时间。

 

研究结果

图8数据：

健侧前运动区（cPMC）：FES-on时ΔOxy-Hb显著降低（*z* = -2.803, *p* = 0.005）。

其他脑区：激活均下降（无统计学差异）。

步行速度：FES-on缩短步行时间（9.61s vs. 10.85s），且与cPMC激活降低显著相关（*r* = 0.509, *p* = 0.026）。

图8 柱状图直观显示cPMC区ΔOxy-Hb在FES-on下的显著下降

 

结论图示：图8柱状图清晰展示cPMC在FES-on下的激活减少，支持“FES促进自动化步态”假说。

 

总结

FES的神经效益：通过降低健侧PMC激活，减少步态控制的皮质资源消耗，促进自动化、对称步态。

临床意义：双通道FES可作为中风康复辅助工具，尤其改善亚急性/慢性患者步行效率。

总结逻辑：聚焦FES干预→fNIRS揭示皮质激活变化→核心发现（cPMC资源节省）→机制解读（自动化步态）→临床与科研价值

 

 

HUIYING

回映产品  ：外周神经系统（PNS）调控设备

产品1：经皮耳迷走神经刺激（taVNS）本产品采用经皮耳迷走神经刺激（taVNS）技术，通过非侵入性电刺激耳甲腔及耳甲艇的迷走神经分支，精准调控耳部迷走神经分支（耳甲腔CO10、耳甲艇CO15等穴位）；具有多种刺激模式、信号调节范围大，直接作用于神经生理机制，可适用于睡眠障碍、焦虑症状、认知障碍、乏力、食欲减退、偏头痛、以及癫痫等多种疾病的辅助治疗。
 

回映经皮耳迷走神经电刺激taVNS设备示意图

回映自研经耳迷走神经电刺激耳甲电极

 

 

基本参数

刺激强度：0 - 30mA;

刺激频率：1 - 200Hz;

刺激脉宽：100 - 1000us;

刺激维持ON状态：1 - 500s;

刺激间歇OFF状态：1 - 500s;

淡入淡出时间：0 - 10s.

 

 

产品2：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

 

 

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；

 

 

HUIYING

回映产品  ：多模态生理参数采集设备

产品1：单通道肌电/心电/皮电采集设备

单通道肌电采集设备创新性地采用type-C转脑电电极以简单轻便的方式实现了单通道肌电、心电、皮电采集，且基于结构与硬件的特殊设计，支持高原环境下进行采集。另外产品总体结构采用魔术贴设计，方便于全身佩戴。

适用领域:单通道生理参数采集

单通道肌电/心电/皮电采集设备

 

 

基本参数

 

1.模数转换：24位；

 

2.通道数：2；

 

3.示值准确度：误差不大于±10%或±2μV,两者取较大值；

 

4.测量范围：测量范围±350mV；

 

5.分辨率：分辨率≤2uV；

 

6.系统噪声：系统噪声≤1uV；

 

7.通频带：通频带为20Hz~250Hz(不包括陷波波段)；

 

8.差模输入阻抗：差模输入阻抗大于5MΩ；

 

9.共模抑制比：共模抑制比大于100dB；

 

10.工频陷波器：设备有50Hz陷波器,衰减后幅值不大于5μV(峰-谷值)；

 

11.工作噪音：工作噪音不大于65dB(A)；

产品2.基于干电极的32通道脑电采集仪

 

高质量脑电信号采集对于精准识别和分析非癫痫样异常（如弥漫性慢波、局灶性δ活动）至关重要。为此可以了解我们研发的一款32通道可穿戴脑电采集仪，采用高精度干电极采集脑电信号，无需导电膏即可快速佩戴，极大提升了受试者的舒适度和操作效率，特别适合长时间或动态环境下的数据采集。该设备不仅能通过全覆盖设计捕捉全脑电活动细节，还采用了type-C智能转接技术和抗干扰硬件架构，有效减少了运动噪声和电磁干扰对信号的影响，在高原或移动场景中也能稳定输出低噪声波形。

 

 

适用范围：多通道生理参数采集

 

 

基本参数

采样率：≤ 16KSPS，每个通道独立可控制； 

 

 

共模抑制比：≥ 120dB； 

 

 

系统噪声：≤ 5uVrms； 

 

 

模数转换率：24 位； 

 

 

输入信号范围：±375mVpp； 

 

 

通频带：直流耦合放大，保留全部低频信号； 

 

 

事件同步输入：无线同步，时间精度＜ 1ms； 

 

 

供电方式：可充电锂电池； 

 

 

工作时间：单电池供电不低于 4 小时； 

 

 

优势：可支持高原环境采集。

 

参考文献

1.What is the probability of patients who are nonambulatory after stroke regaining independent walking? A

systematic review.

2.Feasibility and preliminary efficacy of gait training assisted by multichannel functional electrical stimulation in early stroke rehabilitation: a pilot randomized controlled trial.

3.Gait post-stroke: pathophysiology and rehabilitation strategies.

4.Changes in balance and walking from stroke rehabilitation to the community: a follow-up observational study.

5.A randomized clinical trial of a functional electrical stimulation mimic to gait promotes motor recovery and brain remodeling in acute stroke.