기능적 전기 자극

Functional electrical stimulation
기능적 전기 자극 – 개략도 표현:운동뉴런의 자극도. (a) 세포핵은 수상돌기의 입력을 합성하고 신호를 생성할지 여부를 결정하는 역할을 한다.운동뉴런이 더 이상 중추신경계로부터 충분한 입력을 받지 못하기 때문에 마누어의 근육에 뇌졸중 또는 척수 손상이 발생한 후. (b) 기능적인 전기자극시스템은 세포에 전류를 주입한다. (c) 온전하지만 휴면중인 축삭은 자극을 받아 (d)로 활동전위를 전파한다.신경근 접합부(e) 대응하는 근섬유가 수축하여 (f)근력을 발생시킨다.(g) 일련의 음펄스를 생성한다.(h) 탈분극은 표시된 '활성' 전극에서 축삭에 음전류가 유입되는 현상을 말한다.

기능성 전기자극(FES)은 저에너지 전기펄스를 이용해 중추신경계 손상으로 마비된 사람의 신체운동을 인위적으로 발생시키는 기술이다.좀 더 구체적으로 말하면, FES는 움켜쥐기, 걷기, 방광 배뇨, 서기와 같은 기능을 만들기 위해 마비된 팔다리의 근육 수축을 발생시키는데 사용될 수 있다.이 기술은 원래 척수 손상(SCI), 머리 손상, 뇌졸중 및 기타 신경 질환이 있는 사람의 손상된 기능을 영구적으로 대체하기 위해 구현된 신경 동토층을 개발하기 위해 사용되었습니다.즉, 원하는 [1]기능을 생성하고자 할 때마다 기기를 사용할 수 있습니다.FES는 신경근 전기 자극(NMES)[2]이라고도 합니다.

FES 기술은 움켜쥐기, 도달하기, 걷기 등 자발적인 운동 기능을 재훈련하는 치료법을 전달하는데 사용되어 왔다.본 실시형태에서 FES는 단기요법으로서 사용되며, 그 목적은 자발적인 기능의 회복이며, 평생 FES 디바이스에 의존하지 않는 것이므로 기능성 전기자극요법(FET 또는 FEST)이라고 한다.다른 말로 하면, FEST는 그 사람이 남은 [3]기간 동안 신경 동토층에 의존하게 만드는 대신, 그 사람의 중추 신경계가 손상된 기능을 실행하는 방법을 다시 배우도록 돕는 단기적인 개입으로 사용된다.토론토 재활연구소의 [4][5][6][7]연구부문인 KITE에서 FEST와 함께 손을 뻗고 잡기 위한 초기 임상시험과 걷기를 실시했다.

원칙

뉴런은 전기적으로 활성화된 [8]세포이다.뉴런에서, 정보는 코드화되어 활동 전위라고 불리는 일련의 전기 충격으로 전달되는데, 이것은 약 80-90mV의 세포 전위의 짧은 변화를 나타냅니다.신경신호는 주파수 변조된다.즉, 시간 단위로 발생하는 활동전위의 수는 전송된 신호의 강도에 비례한다.일반적인 동작 전위 주파수는 4~12Hz입니다.전기자극은 세포의 [9]외막 바로 근처에서 전하를 유도함으로써 신경세포막(신경축도 포함한다) 전체의 전위를 변화시킴으로써 이 활동전위를 인위적으로 도출할 수 있다.

FES 장치는 신경 세포를 전기적으로 활성화 시키기 위해 이 특성을 이용하는데, 그러면 근육이나 다른 [10]신경을 활성화시킬 수 있습니다.그러나 조직을 통한 전류는 흥분성 감소 또는 세포 사멸과 같은 부작용을 초래할 수 있으므로 안전한 FES 장치를 설계할 때 각별한 주의를 기울여야 합니다.이는 열 손상, 세포막의 전기 분해, 전극 표면에서의 전기 화학 반응으로 인한 독성 생성물 또는 표적 뉴런 또는 근육의 과다 들뜸 때문일 수 있습니다.전형적으로 FES는 뉴런과 신경의 자극과 관련이 있다.일부 애플리케이션에서 FES는 말초 신경이 절단되거나 손상된 경우(즉,[11] 근육이 탈구된 경우) 근육을 직접 자극하는 데 사용될 수 있다.그러나 오늘날 사용되는 대부분의 FES 시스템은 신경이나 신경과 근육 사이의 접합부가 일어나는 지점을 자극합니다.자극된 신경 다발에는 운동 신경(중추 신경계에서 근육으로 내려오는 신경)과 감각 신경(감각 기관에서 중추 신경계로 올라가는 신경)이 포함됩니다.

전하가 운동신경과 감각신경을 자극할 수 있다.일부 어플리케이션에서 신경은 국소적인 근육 활동을 생성하기 위해 자극된다. 즉, 자극은 직접적인 근육 수축을 발생시키는 것을 목표로 한다.다른 응용 프로그램에서는 자극을 사용하여 단순 또는 복잡한 반사를 활성화합니다.즉, 구심신경은 자극을 받아 반사를 일으키며, 일반적으로 감각신경 자극에 반응하여 하나 이상의 근육의 협조 수축으로 표현된다.

신경이 자극될 때, 즉 신경세포에 충분한 전하가 공급될 때, 세포벽의 국소 탈분극이 일어나 축삭의 양끝을 향해 전파되는 활동 전위가 발생한다.전형적으로, 활동 전위의 "파동"은 축삭을 따라 근육으로 전파되며(정통 전파), 동시에 다른 활동 전위의 "파동"은 중추 신경계의 세포체를 향해 전파된다(항체 전파).항색소 자극과 감각 신경 자극의 경우 전파 방향은 동일하지만, 중추 신경계에 대한 최종 효과는 매우 다르다.반크롬 자극은 FES의 무관한 부작용으로 여겨져 왔다.그러나 최근 몇 년 동안 신경 [12]회복에 대한 반크롬 자극의 잠재적 역할을 시사하는 가설이 제시되었다.전형적으로 FES는 정통적인 자극과 관련이 있으며 이를 이용하여 조직화된 근육 수축을 일으킨다.

감각신경이 자극되면 특정 말초 부위의 감각신경 축삭 자극에 의해 반사호(reflex arc)가 발생한다.그러한 반사의 한 예는 굴곡 이탈 반사이다.굴곡 이탈 반사는 발바닥에 갑작스럽고 고통스러운 감각이 가해지면 자연스럽게 일어난다.그것은 아픈 자극으로부터 가능한 한 빨리 발을 떼어내기 위해 환부의 엉덩이, 무릎, 발목을 구부리고 반대쪽 다리를 확장시킵니다.감각 신경 자극은 뇌졸중 후 개인의 걷기를 용이하게 하기 위해 굴곡 수축 반사를 일으키는 것과 같은 원하는 운동 작업을 생성하거나, 반사 또는 중추 신경계의 기능을 변경하는데 사용될 수 있습니다.후자의 경우 전기적 자극은 일반적으로 신경조절이라는 용어로 설명된다.

신경은 표면(경피) 또는 피하(경피 또는 이식) 전극을 사용하여 자극할 수 있습니다.표면 전극은 "활성화"해야 하는 신경 또는 근육 위의 피부 표면에 배치됩니다.비침습적이고 적용하기 쉬우며 일반적으로 가격이 저렴합니다.최근까지 FES 분야에서는 전극-피부 접촉 임피던스, 피부 및 조직 임피던스, 자극 중의 전류 분산으로 인해 피하 전극에 비해 표면 자극 전극을 사용하여 신경을 자극하기 위해 훨씬 더 높은 강도의 펄스가 요구되어 왔다.

(이 문구는 MyndMove 자극기(Milos R 개발)를 제외한 시판되는 모든 자극기에 대해 정확합니다. Popovic)은 미국 특허 8,880,178(2014년), 9,440,077(2016년), 9,592,380(2016년) 및 상대성(relative)을 바탕으로 시판되는 경피 전기 자극 시스템의 공통 문제인 자극 시 불편함 없이 근육 수축을 발생시키는 새로운 자극 펄스를 구현했다.해외특허를 취득했습니다.[citation needed][13][14][15]

경피 전기 자극의 주요 한계는 일부 신경, 예를 들어 고관절 굴곡부를 자극하는 신경이 표면 전극을 사용하여 자극하기에는 너무 심오하다는 것입니다.이 제한은 전극 어레이를 사용하여 부분적으로 해결할 수 있습니다. 전극 어레이는 선택성을 높이기 위해 여러 전기 [16][17][18]접점을 사용할 수 있습니다.

피하전극은 경피전극과 이식전극으로 나눌 수 있다.경피전극은 피부를 통해 대상 신경에 가까운 근육 조직에 삽입된 가는 와이어로 구성됩니다.이러한 전극은 일반적으로 짧은 시간 동안 제자리에 유지되며 단기 FES 개입에만 고려됩니다.그러나 Cleveland FES Center와 같은 일부 그룹은 한 번에 몇 개월 또는 몇 년 동안 개별 환자에게 경피 전극을 안전하게 사용할 수 있었습니다.경피 전극을 사용하는 것의 결점 중 하나는 감염되기 쉽다는 것이며 이러한 현상을 방지하기 위해 특별한 주의를 기울여야 합니다.

다른 종류의 피하전극은 이식형 전극입니다.이것들은 소비자의 몸에 영구적으로 이식되어 소비자의 남은 생애 동안 몸에 남아 있다.표면자극전극에 비해 이식된 경피전극은 잠재적으로 높은 자극선택성을 가지며 이는 FES 시스템의 바람직한 특성이다.낮은 자극 진폭을 적용하면서 높은 선택성을 달성하려면 음극과 양극이 모두 자극되는 신경 근처에 있는 것이 좋습니다.이식된 전극의 단점은 설치하기 위해 침습적인 외과적 절차가 필요하며, 모든 외과적 개입의 경우와 마찬가지로 이식 후 감염 가능성이 있다는 것입니다.

임상 FES에 사용되는 일반적인 자극 프로토콜은 일련의 전기 펄스를 포함한다.전기자극의 안전성을 향상시키고 일부 부작용을 최소화하기 위해 바이패스 하전 평형 펄스를 사용한다.펄스 지속 시간, 펄스 진폭 및 펄스 주파수는 FES 장치에 의해 조절되는 주요 파라미터입니다.FES 장치는 전류 또는 전압을 조절할 수 있습니다.현재 조절된 FES 시스템은 피부/조직 저항과 상관없이 항상 조직에 동일한 전하를 공급합니다.따라서 현재 조절된 FES 시스템은 자극 강도를 자주 조정할 필요가 없습니다.전압 조절 장치는 피부/조직 저항이 변화함에 따라 전달되는 전하가 변화하므로 자극 강도를 더 자주 조정해야 할 수 있습니다.자극 펄스열의 특성과 자극 중에 사용되는 채널의 수는 FES 유도 기능이 얼마나 복잡하고 정교한지를 정의합니다.시스템은 근육 강화를 위한 FES 시스템과 같이 단순할 수 있고 동시에 도달하고 [19]잡는 데 사용되는 FES 시스템 또는 이족 보행 [20][21][22]이동과 같이 복잡할 수 있다.

주의: 이 단락은 부분적으로 다음 [1]참조 자료를 사용하여 개발되었습니다.FES에 대한 자세한 내용은 FES 및 단락에 제공된 다른 참고 자료를 참조하십시오.

역사

전기 자극은 인간과 함께 물웅덩이에 어뢰 물고기를 놓아두는 것이 치료 효과가 있다고 믿었던 고대 이집트까지 사용되었습니다.FES - 기능적 움직임(예: 걷기, 물건에 손을 뻗는 등) 동안 표적 기관을 자극하는 것을 수반하는 FES는 처음에 Liberson에 [23]의해 기능적 전기 치료라고 불렸다.1967년이 되어서야 Moe와 [24]Post에 의해 기능성 전기 자극이라는 용어가 만들어졌고, "근수축을 제공하고 기능적으로 유용한 [25]순간을 만들어 내는 관점에서 신경 제어를 박탈당한 근육의 전기 자극"이라는 제목의 특허에 사용되었다.오프너의 특허는 발바닥을 치료하는데 사용되는 시스템을 기술했다.

시판되는 최초의 FES 장치는 보행 중 경막신경을 자극하여 발바닥을 치료했다.이 경우, 사용자의 신발 뒤꿈치 끝에 위치한 스위치는 사용자가 착용한 자극기를 작동시킵니다.

일반적인 응용 프로그램

척수 손상

척수에 대한 부상은 뇌와 근육 사이의 전기 신호를 방해하여 부상 수준 이하의 마비를 초래한다.FES는 통증, 압박, 통증 등의 치료에도 사용되지만 장기 기능의 조절뿐만 아니라 사지 기능의 회복이 주요 응용 분야이다.FES 적용의 몇 가지 예는 하반신마비가 있는 사람들이 걷고, 서고, 사지마비가 있는 사람들의 손아귀 기능을 회복하거나 장과 방광 [26]기능을 회복할 수 있게 해주는 신경 동토층의 사용을 포함한다.사두근육의 고강도 FES는 완전한 하부운동뉴런 병변이 있는 환자에게 근육량, 근섬유 직경을 증가시키고 수축성 물질의 초미세구조 조직을 개선하며 전기자극 중 힘의 출력을 증가시키며 FES 보조 기립 운동을 [27]할 수 있도록 한다.

척수 손상으로 걷는 것

Kralj와 그의 동료들은 표면 자극을 이용한 하반신 마비 보행 기술을 설명했는데,[28] 이것은 오늘날에도 가장 인기 있는 방법으로 남아있다.전극은 사두근육과 경막신경에 양쪽으로 배치된다.사용자는 보행 프레임의 좌우 핸들 또는 지팡이 또는 목발에 부착된 두 개의 푸시 버튼을 사용하여 신경 동토층을 제어합니다.뉴로스트제시스를 켜면 양쪽 사두근육이 자극되어 선 자세가 됩니다.전극은 사두근육과 경막신경에 양쪽으로 배치된다.사용자는 보행 프레임의 좌우 핸들 또는 지팡이 또는 목발에 부착된 두 개의 푸시 버튼을 사용하여 신경 동토층을 제어합니다.뉴로스트제시스를 켜면 양쪽 사두근육이 자극되어 선 [29]자세가 됩니다.

Kralj의 접근방식은 Graupe [29]등에 의해 디지털 신호 처리의 힘을 사용하여 미국 특허 5,014,705(1991년), 5,016,636(1991년), 5,070,873(1991년), 5,032,892년)에 기초한 Parastep FES 시스템으로 확장되었다.Parastep 시스템은 미국 FDA 승인(FDA, PMA P900038, 1994)을 받고 상업적으로 이용 가능한 최초의 서서 걷는 FES 시스템이 되었다.

Parastep의 디지털 디자인은 적절한 훈련을 받은 흉부 수준의 완전한 하반신 다리를 위해 20-60분의 보행 시간과 평균 보행 거리 450m의 자극 맥박 폭(100-140마이크로초)과 맥박수(12-24초)를 대폭 줄임으로써 환자 피로도를 상당히 줄일 수 있다.매일 러닝머신 [29]세션이 포함된 훈련을 마친 환자 [30]중 일부는 걷기 당 1마일을 초과하는 환자도 있습니다.또한, 파레스텝 기반 걷기는 하지로 가는 거의 정상적인 혈류 회복과 골밀도 [31][32][29]저하를 포함한 몇 가지 의학적, 심리적 이점을 가져온다고 보고되었다.

Parastep 시스템을 이용한 걷기 성과는 엄격한 상체 컨디셔닝 훈련과 30분 이상의 러닝머신 [29]훈련을 포함한 매일 1-2시간 훈련 프로그램의 3~5개월 완료에 크게 좌우된다.

상기 기술에 대한 대안적 접근법은 Popovic 등에 의해 Compex Motion Neurostesis를 사용하여 개발된 보행용 FES 시스템입니다. 보행용 Compex Motion Neurostesis는 뇌졸중 및 척수 손상 환자의 [4]자발적 보행 회복을 위해 사용되는 8-16 채널 표면 FES 시스템입니다.[33][34]이 시스템은 이동을 가능하게 하기 위해 경막 신경 자극을 가하지 않습니다.대신에, 그것은 뇌가 움직임을 가능하게 하기 위해 사용하는 것과 유사한 순서로 관련된 모든 하지 근육을 활성화시킨다.하이브리드 보조 시스템(HAS)[35]과 RGO[36] 보행 신경 동토층은 각각 능동형 및 수동형 교정기를 적용하는 장치입니다.교정기는 서 있거나 걷는 동안 추가적인 안정성을 제공하기 위해 도입되었습니다.표면 자극에 기초한 보행용 뉴로스트의 주요 한계는 고관절 굴곡을 직접 자극할 수 없다는 것이다.따라서 보행 중 고관절 굴곡은 하반신 마비나 굴곡성 금단 반사에는 없는 자발적인 노력에서 비롯되어야 한다.이식된 시스템은 고관절 굴곡을 자극할 수 있다는 장점이 있으며, 따라서 더 나은 근육 선택성과 잠재적으로 더 나은 보행 [37]패턴을 제공할 수 있습니다.이 [38]문제를 해결하기 위해 외골격을 갖춘 하이브리드 시스템도 제안되었다.이러한 기술은 성공적이고 유망한 것으로 확인되었지만, 현재 이러한 FES 시스템은 대부분 운동 목적으로 사용되며 휠체어 이동성의 대안으로 사용되는 경우는 드물다.

뇌졸중 및 상지 회복

뇌졸중 회복의 급성 단계에서는 주기적인 전기 자극의 사용이 손목 신장의 등각 강도를 증가시키는 것으로 나타났다.손목신장의 강도를 높이기 위해서는 뇌졸중 후 손목에 운동기능이 어느 정도 있고 반신불수가 심해야 한다.손목 신장의 주기적인 전기 자극의 이점을 이끌어낼 환자는 치료를 끝까지 수행하려는 의욕이 매우 강해야 합니다.전기 자극을 받은 지 8주가 지나면 그립 강도가 눈에 띄게 증가할 수 있습니다.뇌졸중 후 상지의 장애 수준을 평가하는 많은 척도가 공통 항목으로 그립 강도를 사용합니다.따라서 손목신장의 강도가 높아지면 상지장애의 정도가 낮아진다.

뇌졸중 후 반신불수증 환자는 일반적으로 어깨 통증과 역류 증세를 경험하는데, 둘 다 재활 과정을 방해할 것이다.기능적인 전기 자극은 통증 관리와 어깨 아류 감소, 운동 회복의 정도와 속도 향상에 효과적인 것으로 밝혀졌다.또한 FES의 편익은 시간이 지남에 따라 유지된다. 연구 결과 편익은 최소 24개월 [39]동안 유지되는 것으로 나타났다.

발을 떨어뜨리다

드롭풋은 반신불수증에서 흔한 증상이며, 보행의 스윙 단계 동안 배굴이 없어 짧고 뒤척이는 걸음걸이를 하는 것이 특징이다.FES를 사용하여 보행의 스윙 단계 동안 드롭풋을 효과적으로 보상할 수 있는 것으로 나타났다.보행의 발뒤꿈치 오프 단계가 일어나기 직전, 자극기는 일반적인 경막 신경에 자극을 전달하고, 이것은 배굴을 담당하는 근육을 수축시킨다.현재 표면 및 이식된 FES [40][41][42][43][44]기술을 사용하는 다수의 낙하 발 자극기가 있습니다.드롭풋 자극제는 뇌졸중, 척수 손상, 다발성 경화증 [45]등 다양한 환자 집단에서 성공적으로 사용되어 왔다.


"정통 효과"라는 용어는 개인이 보조되지 않은 보행에 비해 FES 장치를 켤 때 관찰되는 기능의 즉각적인 개선을 설명하는 데 사용될 수 있다.이러한 개선은 FES 기기를 끄면 바로 사라집니다.이와는 대조적으로, "훈련" 또는 "치료 효과"는 장치가 꺼진 상태에서도 여전히 존재하는 장치를 사용하는 기간 후에 장기적인 기능 개선 또는 회복을 묘사하기 위해 사용된다.정형 효과와 장기 훈련 또는 치료 효과를 측정하는 데 있어 더 복잡한 것은 소위 "일시 이월 효과"의 존재이다.Liberson et al., 1961은[23] 일부 뇌졸중 환자가 일시적으로 기능이 개선되고 전기 자극이 꺼진 후 최대 1시간 동안 발을 구부릴 수 있다는 것을 최초로 관찰했다.이러한 일시적인 기능 개선은 장기적인 훈련 또는 치료 효과와 관련이 있을 수 있다는 가설이 있다.

이 이미지에서는 걷기를 위한 기능 전기 자극 요법을 설명합니다.이 치료법은 불완전한 척수를 다친 사람들이 걷도록 재훈련하는 데 사용되었다[30,31].

스트로크

이완, 근육 위축, 경련에 의해 영향을 받는 반신상 뇌졸중 환자는 일반적으로 근육 약화 및 적절한 보행 단계에서 특정 발목 및 엉덩이 근육을 자발적으로 수축시킬 수 없는 비정상적인 보행 패턴을 경험한다.리버슨 외 연구진(1961)은 뇌졸중 환자의 [23]FES를 최초로 개척했다.최근에는 이 분야에서 많은 연구가 이루어지고 있습니다.만성 뇌졸중에서의 FES 사용에 대해 2012년에 수행된 체계적 검토에는 총 231명의 참가자와 함께 7개의 무작위 대조 실험이 포함되었다.검토 결과 6분 걷기 [46]테스트에 FES를 사용하는 데 약간의 치료 효과가 있는 것으로 나타났다.

다발성 경화증

FES는 또한 다발성 경화증 환자의 발바닥 치료에 유용한 것으로 밝혀졌다.첫 번째 사용은 1977년 캔스탐 외 연구진에 의해 보고되었으며, 그는 경막 [47][48]자극을 사용하여 강도 증가를 발생시킬 수 있다는 것을 발견했다.보다 최근의 연구는 운동 그룹과 비교하여 FES의 사용을 조사했고 FES 그룹에 대한 직교 효과가 있었지만 보행 속도에서 훈련 [49]효과가 발견되지 않았다는 것을 발견했다.동일한 연구의 모든 참가자를 포함한 추가 정성 분석 결과,[50] 운동에 비해 일상생활 활동이 개선되고 FES를 사용하는 참가자의 낙상 횟수가 감소했다.소규모(n=32) 종적 관측 연구는 FES [51]사용을 통한 유의한 훈련 효과의 증거를 발견했다.NMES 치료와 함께 [52]보행 기능에서 측정 가능한 이득이 있었다.

그러나 더 큰 규모의 관찰 연구(n=120)는 이전 발견을 뒷받침했고 [53]보행 속도에 대한 직교 효과에서 유의미한 향상을 발견했다.

뇌성마비

FES는 뇌성마비 증상 치료에 유용한 것으로 밝혀졌다.최근 무작위 대조군 시험(n=32)에서 일방성 경련성 뇌성마비 아동에 대해 유의미한 정형 및 훈련 효과를 발견했다.위경련성, 지역사회 이동성 [54]및 균형 능력에서 개선이 발견되었다.장애아동을 치료하기 위해 전기자극과 FES를 사용하는 영역에 대한 최근의 포괄적인 문헌 검토에는 뇌성마비 [55]아동을 대상으로 한 연구가 대부분 포함되었다.검토자들은 근육량과 힘, 경련성, 수동적 동작 범위, 상지 기능, 보행 속도, 발과 발목 운동학을 포함한 여러 가지 다른 영역을 개선할 수 있는 가능성이 있는 치료법으로 증거를 요약했다.검토 결과 부작용은 드물었고 기술은 이 인구에 의해 안전하고 잘 용인된 것으로 결론지어진다.뇌성마비 아동에 대한 FES 적용은 성인용과 유사하다.FES 장치의 일부 일반적인 적용에는 근육 활동 강화, 근육 경련 감소, 근육 활동 개시 촉진 또는 [56]운동에 대한 기억 제공을 위해 동원하는 동안 근육의 자극이 포함된다.

미국 국립보건관리 우수가이드라인(NICE) (영국)

NICE는 중추신경학적[57] 기원의 드롭풋(IPG278) 치료에 대한 전체 지침을 발표했다.NICE는 "중추 신경학적 기원의 드롭풋에 대한 기능 전기 자극(FES)의 안전성 및 효과(보행 개선 측면에서)에 대한 현재 증거는 임상 거버넌스, 동의 및 감사를 위한 정상적인 준비가 갖추어져 있는 경우 이 절차의 사용을 지원하기에 적절한 것으로 보인다"고 밝혔다.

대중문화에서

  • Mark Coggins의 소설 No Hard Feelings (2015)는 허구의 생물의학 [58]스타트업에서 개발한 첨단 FES 기술을 통해 이동성을 회복하는 척추 부상을 입은 여성 주인공이 등장한다.

「 」를 참조해 주세요.

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