Метод функциональной электрической стимуляции: рекомендуемые параметры применения
- Авторы: Скворцов Д.В.1,2,3, Климов Л.В.1, Гребенкина Н.В.2
-
Учреждения:
- Федеральный центр мозга и нейротехнологий
- Российский национальный исследовательский медицинский университет имени Н.И. Пирогова
- Федеральный научно-клинический центр специализированных видов медицинской помощи и медицинских технологий
- Выпуск: Том 6, № 3 (2024)
- Страницы: 263-279
- Раздел: НАУЧНЫЙ ОБЗОР
- URL: https://journals.rcsi.science/2658-6843/article/view/269353
- DOI: https://doi.org/10.36425/rehab635187
- ID: 269353
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Функциональная электростимуляция ― метод электростимуляции мышц, осуществляемый непосредственно в рамках того или иного двигательного акта, в частности у пациентов после острого нарушения мозгового кровообращения в процессе восстановления функции ходьбы.
Обзор литературы выполнен с целью изучить имеющуюся информацию по функциональной электростимуляции с точки зрения методики применения и используемых параметров воздействия.
Авторами проанализирована доступная литература и произведена попытка определить научно обоснованные параметры стимуляции и методологию применения метода функциональной электростимуляции. В обзоре даётся краткая характеристика таких параметров, как частота, форма, амплитуда и длительность импульса, расположение электродов, а также синхронизация импульса с движением (в частности, с циклом шага), время проведения процедур, их частота и продолжительность курса. Описаны известные в настоящее время аспекты проведения стимуляции, преимущества и ограничения метода. Обнаружено, что большинство ключевых параметров функциональной электростимуляции, применяемых и рекомендуемых, не являются строго и научно обоснованными. Критерии проведения самих процедур функциональной электростимуляции и число курсов не определены, а количество противопоказаний по мере развития метода снижено. Используемые для реализации функциональной электростимуляции системы существенно отличаются по возможностям настройки работы и синхронизации с движением.
Учитывая актуальность задачи быстрого восстановления двигательных функций, а также положительное воздействие функциональной электростимуляции как на физические, так и психологические аспекты здоровья пациентов неврологического профиля, авторы подчёркивают необходимость дальнейшего исследования с целью уточнения оптимальных параметров функциональной электростимуляции и методологии её применения.
Ключевые слова
Полный текст
Открыть статью на сайте журналаОб авторах
Дмитрий Владимирович Скворцов
Федеральный центр мозга и нейротехнологий; Российский национальный исследовательский медицинский университет имени Н.И. Пирогова; Федеральный научно-клинический центр специализированных видов медицинской помощи и медицинских технологий
Email: dskvorts63@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-2794-4912
SPIN-код: 6274-4448
доктор медицинских наук, профессор
Россия, 117513, Москва, ул. Островитянова, д. 1, стр. 10; 117997 Москва, ул. Островитянова, 1; 115682 Москва, Ореховый б-р, 28Леонид Владимирович Климов
Федеральный центр мозга и нейротехнологий
Email: dr.klimov@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-1314-3388
SPIN-код: 5618-0734
кандидат медицинских наук
Россия, 117513, Москва, ул. Островитянова, д. 1, стр. 10Наталья Вячеславовна Гребенкина
Российский национальный исследовательский медицинский университет имени Н.И. Пирогова
Автор, ответственный за переписку.
Email: grebenkina_nv@rsmu.ru
ORCID iD: 0000-0002-8441-2285
SPIN-код: 6621-3836
Россия, 117997 Москва, ул. Островитянова, 1
Список литературы
- Гурьянова Е.А., Ковальчук В.В., Тихоплав О.А., Литвак Ф.Г. Функциональная электростимуляция при восстановлении ходьбы после инсульта. Обзор научной литературы // Физическая и реабилитационная медицина, медицинская реабилитация. 2020. Т. 2, № 3. C. 244–262. EDN: DIKKPO doi: 10.36425/rehab34831
- Moe J.H., Post H.W. Functional electrical stimulation for ambulation in hemiplegia // J Lancet. 1962. Vol. 82. P. 285–288.
- Valenti F. L’elettrostimolazione neuromuscolare nella pratica clinica [neuromuscular electrostimulation in clinical practice. (In Italian).] // Acta Anaesthesiol. 1964. Vol. 15. P. 227–245.
- Deyo R.A., Walsh N.E., Martin D.C., et al. A controlled trial of transcutaneous electrical nerve stimulation (TENS) and exercise for chronic low back pain // N Engl J Med. 1990. Vol. 322, N 23. P. 1627–1634. doi: 10.1056/NEJM199006073222303
- Sluka K.A., Walsh D. Transcutaneous electrical nerve stimulation: Basic science mechanisms and clinical effectiveness // J Pain. 2003. Vol. 4, N 3. P. 109–121. doi: 10.1054/jpai.2003.434
- Kesar T.M., Perumal R., Jancosko A., et al. Novel patterns of functional electrical stimulation have an immediate effect on dorsiflexor muscle function during gait for people poststroke // Phys Ther. 2010. Vol. 90, N 1. P. 55–66. doi: 10.2522/ptj.20090140
- Wilder R.P., Wind T.C., Jones E.V., et al. Functional electrical stimulation for a dropped foot // J Long Term Eff Med Implants. 2002. Vol. 12, N 3. P. 149–159.
- Li X., Li H., Liu Y., et al. The effect of electromyographic feedback functional electrical stimulation on the plantar pressure in stroke patients with foot drop // Front Neurosci. 2024. Vol. 18. P. 1377702. EDN: JQFODY doi: 10.3389/fnins.2024.1377702
- De Kroon J.R., Ijzerman M.J., Chae J., et al. Relation between stimulation characteristics and clinical outcome in studies using electrical stimulation to improve motor control of the upper extremity in stroke // J Rehabil Med. 2005. Vol. 37, N 2. P. 65–74. doi: 10.1080/16501970410024190
- Витензон А.С., Петрушанская К.А., Скворцов Д.В. Руководство по применению метода искусственной коррекции ходьбы и ритмических движений посредством программируемой электростимуляции мышц. Москва: Т.М. Андреева, 2004. 284 с.
- Витензон А.С., Петрушанская К.А. Физиологические обоснования метода искусственной коррекции движений посредством программируемой электростимуляции мышц при ходьбе // Российский журнал биомеханики. 2010. Т. 14, № 2. С. 7–27. EDN: MSOHVH
- Bhadra N., Peckham P.H. Peripheral nerve stimulation for restoration of motor function // J Clin Neurophysiol. 1997. Vol. 14, N 5. P. 378–393. doi: 10.1097/00004691-199709000-00004
- Kebaetse M.B., Turner A.E., Binder-Macleod S.A. Effects of stimulation frequencies and patterns on performance of repetitive, nonisometric tasks // J Appl Physiol (1985). 2002. Vol. 92, N 1. P. 109–116. doi: 10.1152/jappl.2002.92.1.109
- Bigland-Ritchie B., Jones D.A., Woods J.J. Excitation frequency and muscle fatigue: Electrical responses during human voluntary and stimulated contractions // Exp Neurol. 1979. Vol. 64, N 2. P. 414–427. doi: 10.1016/0014-4886(79)90280-2
- Fuglevand A.J., Keen D.A. Re-evaluation of muscle wisdom in the human adductor pollicis using physiological rates of stimulation // J Physiol. 2003. Vol. 549, Pt. 3. P. 865–875. doi: 10.1113/jphysiol.2003.038836
- Mang C.S., Lagerquist O., Collins D.F. Changes in corticospinal excitability evoked by common peroneal nerve stimulation depend on stimulation frequency // Exp Brain Res. 2010. Vol. 203, N 1. P. 11–20. EDN: WESJMZ doi: 10.1007/s00221-010-2202-x
- Hoffman L.R., Field-Fote E.C. Cortical reorganization following bimanual training and somatosensory stimulation in cervical spinal cord injury: A case report // Phys Ther. 2007. Vol. 87, N 2. P. 208–223. doi: 10.2522/ptj.20050365
- Kandel E., Schwartz J., Jessell T., et al. Principles of neural science. New York: McGraw Hill Professional, 2000.
- Popovic M.R., Keller T., Pappas I.P., et al. Surface-stimulation technology for grasping and walking neuroprosthesis // IEEE Eng Med Biol Mag. 2001. Vol. 20, N 1. P. 82–93. doi: 10.1109/51.897831
- Baker L.L. Neuromuscular electrical stimulation: A practical guide. 4th ed. Downey, Calif.: Los Amigos Research & Education Institute, Rancho Los Amigos National Rehabilitation Center, 2000. 252 р.
- Janssen T.W., Bakker M., Wyngaert A., et al. Effects of stimulation pattern on electrical stimulation-induced leg cycling performance // J Rehabil Res Dev. 2004. Vol. 41, N 6A. P. 787–796. EDN: XRFRCN doi: 10.1682/jrrd.2004.03.0030
- Kebaetse M.B., Binder-Macleod S.A. Strategies that improve human skeletal muscle performance during repetitive, non-isometric contractions // Pflugers Arch. 2004. Vol. 448, N 5. P. 525–532. doi: 10.1007/s00424-004-1279-0
- Bigland-Ritchie B., Zijdewind I., Thomas C.K. Muscle fatigue induced by stimulation with and without doublets // Muscle Nerve. 2000. Vol. 23, N 9. P. 1348–1355. doi: 10.1002/1097-4598(200009)23:9<1348::aid-mus5>3.0.co;2-0
- Doucet B.M., Griffin L. Maximal versus submaximal intensity stimulation with variable patterns // Muscle Nerve. 2008. Vol. 37, N 6. P. 770–777. doi: 10.1002/mus.20992
- Van Lunteren E., Moyer M. Combination of variable frequency train stimulation and K+ channel blockade to augment skeletal muscle force // IEEE Trans Neural Syst Rehabil Eng. 2004. Vol. 12, N 2. P. 288–294. doi: 10.1109/TNSRE.2004.828426
- Burke R.E., Rudomin P., Zajac F.E. The effect of activation history on tension production by individual muscle units // Brain Res. 1976. Vol. 109, N 3. P. 515–529. EDN: XRDLNB doi: 10.1016/0006-8993(76)90031-7
- Binder-Macleod S.A., Lee S.C., Russ D.W., Kucharski L.J. Effects of activation pattern on human skeletal muscle fatigue // Muscle Nerve. 1998. Vol. 21, N 9. P. 1145–1152. doi: 10.1002/(sici)1097-4598(199809)21:9<1145::aid-mus5>3.0.co;2-7
- Baker C., Kebaetse M.B., Lee S.C., Binder-Macleod S.A. A novel stimulation pattern improves performance during repetitive dynamic contractions // Muscle Nerve. 2001. Vol. 24, N 6. P. 744–752. EDN: XQPMWN doi: 10.1002/mus.1065
- Scott W.B., Binder-Macleod S.A. Changing stimulation patterns improves performance during electrically elicited contractions // Muscle Nerve. 2003. Vol. 28, N 2. P. 174–180. doi: 10.1002/mus.10412
- Winter D.A., Scott S.H. Technique for Interpretation of electromyography for concentric and eccentric contraction in gait // J Electromyograp Kinesiol. 1991. Vol. 1, N 4. P. 263–269.
- Gracanin F., Trnkoczy A. Optimal stimulus parameters for minimum pain in the chronic stimulation of innervated muscle // Arch Phys Med Rehabil. 1975. Vol. 56, N 6. P. 243–249.
- McLoda T.A., Carmack J.A. Optimal burst duration during a facilitated quadriceps femoris contraction // J Athl Train. 2000. Vol. 35, N 2. P. 145–150.
- Marquez-Chin C., Popovic M.R. Functional electrical stimulation therapy for restoration of motor function after spinal cord injury and stroke: A review // Biomed Eng Online. 2020. Vol. 19, N 1. P. 34. EDN: YVDPJF doi: 10.1186/s12938-020-00773-4
- Collins D.F. Central contributions to contractions evoked by tetanic neuromuscular electrical stimulation // Exercise Sport Sci Rev. 2007. Vol. 35, N 3. P. 102–109. doi: 10.1097/jes.0b013e3180a0321b
- Eser P.C., Donaldson Nde N., Knecht H, Stüssi E. Influence of different stimulation frequencies on power output and fatigue during FES-cycling in recently injured SCI people // IEEE Trans Neural Syst Rehabil Eng. 2003. Vol. 11, N 3. P. 236–240. doi: 10.1109/TNSRE.2003.817677
- Kristensen M.G., Busk H., Wienecke T. Neuromuscular electrical stimulation improves activities of daily living post stroke: A systematic review and meta-analysis // Arch Rehab Res Clin Transl. 2021. Vol. 4, N 1. P. 100167. EDN: ZTLZYQ doi: 10.1016/j.arrct.2021.100167
- Chipchase L., Schabrun S., Hodges P. Peripheral electrical stimulation to induce cortical plasticity: A systematic review of stimulus parameters // Clin Neurophysiol. 2011. Vol. 122, N 3. P. 456–463. doi: 10.1016/j.clinph.2010.07.025
- Lagerquist O., Collins D.F. Influence of stimulus pulse width on M-waves, H-reflexes, and torque during tetanic low-intensity neuromuscular stimulation // Muscle Nerve. 2010. Vol. 42, N 6. P. 886–893. doi: 10.1002/mus.21762
- Livshitz L.M., Mizrahi J., Einziger P.D. Interaction of array of finite electrodes with layered biological tissue: Effect of electrode size and configuration // IEEE Trans Neural Syst Rehabil Eng. 2001. Vol. 9, N 4. P. 355–361. doi: 10.1109/7333.1000115
- Sha N., Kenney L.P., Heller B.W., et al. A finite element model to identify electrode influence on current distribution in the skin // Artif Organs. 2008. Vol. 32, N 8. P. 639–643. doi: 10.1111/j.1525-1594.2008.00615.x
- Mangold S., Keller T., Curt A., Dietz V. Transcutaneous functional electrical stimulation for grasping in subjects with cervical spinal cord injury // Spinal Cord. 2005. Vol. 43, N 1. P. 1–13. doi: 10.1038/sj.sc.3101644
- Thrasher T.A., Flett H.M., Popovic M.R. Gait training regimen for incomplete spinal cord injury using functional electrical stimulation // Spinal Cord. 2006. Vol. 44, N 6. P. 357–361. doi: 10.1038/sj.sc.3101864
- Perry J., Burnfield J.M. Gait analysis: Normal and pathological function. 2nd ed. New Jersey: Slack Incorporated, 2010. 570 р. doi: 10.1201/9781003525592
- Kirtley C. Clinical gait analysis: Theory and practice. Elsevier Health Sciences, 2006. 316 p.
- Fang Y., Li J., Liu S., et al. Optimization of electrical stimulation for the treatment of lower limb dysfunction after stroke: A systematic review and Bayesian network meta-analysis of randomized controlled trials // PLoS One. 2023. Vol. 18, N 5. P. e0285523. EDN: MCMEUB doi: 10.1371/journal.pone.0285523
- Vromans M., Faghri P.D. Functional electrical stimulation-induced muscular fatigue: Effect of fiber composition and stimulation frequency on rate of fatigue development // J Electromyogr Kinesiol. 2018. Vol. 38. P. 67–72. doi: 10.1016/j.jelekin.2017.11.006
- Casabona A., Valle M.S., Dominante C., et al. Effects of functional electrical stimulation cycling of different duration on viscoelastic and electromyographic properties of the knee in patients with spinal cord injury // Brain Sci. 2021. Vol. 11, N 1. P. 7. EDN: KVEKXD doi: 10.3390/brainsci11010007
- Rushton D.N. Functional electrical stimulation // Physiological Measurement. 1997. Vol. 18, N 4. P. 241–275. doi: 10.1088/0967-3334/18/4/001
- Thrasher T.A., Popovic M.R. Functional electrical stimulation of walking: Function, exercise and rehabilitation. (In English, French) // Ann Readapt Med Phys. 2008. Vol. 51, N 6. P. 452–460. doi: 10.1016/j.annrmp.2008.05.006
- Woolley S.M. Characteristics of gait in hemiplegia // Top Stroke Rehabil. 2001. Vol. 7, N 4. P. 1–18. doi: 10.1310/JB16-V04F-JAL5-H1UV
- Matsumoto S., Shimodozono M., Noma T., et al. Effect of functional electrical stimulation in convalescent stroke patients: A multicenter, randomized controlled trial. The rally trial investigators // J Clin Med. 2023. Vol. 12, N 7. P. 2638. EDN: ZJUOMI doi: 10.3390/jcm12072638
- Springer S., Vatine J.J., Wolf A., Laufer Y. The effects of dual-channel functional electrical stimulation on stance phase sagittal kinematics in patients with hemiparesis // J Electromyogr Kinesiol. 2013. Vol. 23, N 2. P. 476–482. doi: 10.1016/j.jelekin.2012.10.017
- Kesar T.M., Perumal R., Reisman D.S., et al. Functional electrical stimulation of ankle plantarflexor and dorsiflexor muscles: Effects on poststroke gait // Stroke. 2009. Vol. 40, N 12. P. 3821–3827. doi: 10.1161/STROKEAHA.109.560375
- Kim J.H., Chung Y., Kim Y., Hwang S. Functional electrical stimulation applied to gluteus medius and tibialis anterior corresponding gait cycle for stroke // Gait Posture. 2012. Vol. 36, N 1. P. 65–67. doi: 10.1016/j.gaitpost.2012.01.006
- Bao X., Luo J.N., Shao Y.C., et al. Effect of functional electrical stimulation plus body weight-supported treadmill training for gait rehabilitation in patients with poststroke: A retrospective case-matched study // Eur J Phys Rehabil Med. 2020. Vol. 56, N 1. P. 34–40. doi: 10.23736/S1973-9087.19.05879-9
- Dong Y., Wang K., He R., et al. Hybrid and adaptive control of functional electrical stimulation to correct hemiplegic gait for patients after stroke // Front Bioeng Biotechnol. 2023. Vol. 11. P. 1246014. EDN: XESGZL doi: 10.3389/fbioe.2023.1246014
- Sijobert B., Azevedo C., Pontier J., et al. A sensor-based multichannel FES system to control knee joint and reduce stance phase asymmetry in post-stroke gait // Sensors (Basel). 2021. Vol. 21, N 6. P. 2134. doi: 10.3390/s21062134
- Araki S., Kawada M., Miyazaki T., et al. Effect of functional electrical stimulation of the gluteus medius during gait in patients following a stroke // Biomed Res Int. 2020. Vol. 2020. P. 8659845. doi: 10.1155/2020/8659845
- Nagai M.K., Marquez-Chin C., Popovic M.R. Why is functional electrical stimulation therapy capable of restoring motor function following severe injury to the central nervous system? // Tuszynski MH. Translational neuroscience: Fundamental approaches for neurological disorders. Springer, 2016. P. 479–498.
- Vanderthommen M., Duchateau J. Electrical stimulation as a modality to improve performance of the neuromuscular system // Exerc Sport Sci Rev. 2007. Vol. 35, N 4. P. 180–185. doi: 10.1097/jes.0b013e318156e785
- Gregory C.M., Bickel C.S. Recruitment patterns in human skeletal muscle during electrical stimulation // Phys Ther. 2005. Vol. 85, N 4. P. 358–364.
- Henneman E. Relation between size of neurons and their susceptibility to discharge // Science. 1957. Vol. 126, N 3287. P. 1345–1347. EDN: ICSTQL doi: 10.1126/science.126.3287
- Bickel C.S., Gregory C.M., Dean J.C. Motor unit recruitment during neuromuscular electrical stimulation: A critical appraisal // Eur J Appl Physiol. 2011. Vol. 111, N 10. P. 2399–2407. EDN: VVPQKC doi: 10.1007/s00421-011-2128-4
- Carpentier A., Duchateau J., Hainaut K. Motor unit behaviour and contractile changes during fatigue in the human first dorsal interosseus // J Physiol. 2001. Vol. 534, Pt. 3. P. 903–912. EDN: YJEPTW doi: 10.1111/j.1469-7793.2001.00903.x
- Fuglevand A.J., Winter D.A., Patla A.E., Stashuk D. Detection of motor unit action potentials with surface electrodes: Influence of electrode size and spacing // Biol Cybern. 1992. Vol. 67, N 2. P. 143–153. doi: 10.1007/BF00201021
- Denegar C., Saliba E., Saliba S., et al. Therapeutic modalities for musculoskeletal injuries. Champaign, IL: Human Kinetics, 2009. 294 р.
- Ozer K., Chesher S.P., Scheker L.R. Neuromuscular electrical stimulation and dynamic bracing for the management of upper-extremity spasticity in children with cerebral palsy // Dev Med Child Neurol. 2006. Vol. 48, N 7. P. 559–563. EDN: HWBMTD doi: 10.1017/S0012162206001186
- Shields R.K., Dudley-Javoroski S. Musculoskeletal plasticity after acute spinal cord injury: Effects of long-term neuromuscular electrical stimulation training // J Neurophysiol. 2006. Vol. 95, N 4. P. 2380–2390. doi: 10.1152/jn.01181.2005
- Van Duijnhoven N.T., Janssen T.W., Green D.J., et al. Effect of functional electrostimulation on impaired skin vasodilator responses to local heating in spinal cord injury // J Appl Physiol (1985). 2009. Vol. 106, N 4. P. 1065–1071. doi: 10.1152/japplphysiol.91611.2008
- Koyuncu E., Nakipoğlu-Yüzer G.F., Doğan A., Ozgirgin N. The effectiveness of functional electrical stimulation for the treatment of shoulder subluxation and shoulder pain in hemiplegic patients: A randomized controlled trial // Disabil Rehabil. 2010. Vol. 32, N 7. P. 560–566. doi: 10.3109/09638280903183811
- Gargiulo P., Reynisson P.J., Helgason B., et al. Muscle, tendons, and bone: Structural changes during denervation and FES treatment // Neurol Res. 2011. Vol. 33, N 7. P. 750–758. doi: 10.1179/1743132811Y.0000000007
- Sahin N., Ugurlu H., Albayrak I. The efficacy of electrical stimulation in reducing the post-stroke spasticity: A randomized controlled study // Disabil Rehabil. 2012. Vol. 34, N 2. P. 151–156. doi: 10.3109/09638288.2011.593679
- Langhorne P., Coupar F., Pollock A. Motor recovery after stroke: A systematic review // Lancet Neurol. 2009. Vol. 8, N 8. P. 741–754. doi: 10.1016/S1474-4422(09)70150-4
- Santos M., Zahner L.H., McKiernan B.J., et al. Neuromuscular electrical stimulation improves severe hand dysfunction for individuals with chronic stroke: A pilot study // J Neurol Phys Ther. 2006. Vol. 30, N 4. P. 175–183. doi: 10.1097/01.npt.0000281254.33045.e4
- Dolbow D.R., Gorgey A.S., Cifu D.X., et al. Feasibility of home-based functional electrical stimulation cycling: Case report // Spinal Cord. 2012. Vol. 50, N 2. P. 170–171. doi: 10.1038/sc.2011.115
- Popovic M.R., Keller T., Pappas I.P., et al. Surface-stimulation technology for grasping and walking neuroprosthesis // IEEE Eng Med Biol Mag. 2001. Vol. 20, N 1. P. 82–93. doi: 10.1109/51.897831
- Skvortsov D.V., Kaurkin S.N., Ivanova G.E. A study of biofeedback gait training in cerebral stroke patients in the early recovery phase with stance phase as target parameter // Sensors. 2021. Vol. 21, N 21. P. 7217. EDN: MKCCUM doi: 10.3390/s21217217
Дополнительные файлы
