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无创性磁刺激技术及在康复中的应用 |
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刘洪广 蒋大宗 周琳
摘要 无创性磁刺激技术在中枢神经功能检测和神经肌肉功能恢复的应 用是康复医学工程研究的一个新热点。文章对磁刺激的发生发展，物理原理，特性，磁刺激 与标准电刺激的差别，外周磁刺激技术的多信道磁刺激对电刺激模拟等最新发展，以及临床 上磁刺激在神经肌肉功能恢复的作用作了全面介绍。
关键词 神经肌肉刺激；外周磁刺激；功能磁刺激；中枢神经无创检测 ；康复
1 生物组织磁刺激研究的发生发展
磁刺激(magnetic)或非电极电刺激(electrodeless electrical stimulation)外周神经技术 首先由Kolin于1945年从青蛙的肌肉神经标本得到证明［1］，他展示了用带磁的磁极 片包裹坐骨神经会使其产生搏动，并在肌肉处可记录出收缩。1956年Bickford和Fremming ［2］在混合神经上获得了类似的兴奋现象，从而将这种模式发展到人体得到了证明。 遗憾的是这种仪器非常笨重，因而并没有迅速地在临床被推广使用。然而Barker等对神经磁 刺激器(magnetic neuronal stimulator)进行现代电子改造设计后，对大脑皮层神经中枢进 行了有效刺激［3］，1987年Amassian等［4］、1990年Cohen等［5］分 别用实验证明了不同方向放置的磁刺激线圈对大脑皮层的作用引起不同手指活动。1990年Ue no等［6］设计了“8”字形线圈，在实验室条件下实现了5mm空间分辨率的局部大脑 皮层磁刺激［7］。近10年来，对脑神经的磁刺激研究及其作用作了大量报道，成为 一个研究热点［8、9］。磁刺激技术将为人类实现对某些脑生理活动的人为调控，探 索脑疾病的诊断、治疗方法提供新的手段［10］。在临床上，磁刺激可应用于研究大 脑皮层神经分布、检测多发性硬化病患者的中枢神经传导延迟以及退化性运动失调，也可用 来检测外周神经传导速度，监测中枢神经系统机能状态。
2 磁刺激的物理原理
人体可兴奋细胞可以在外界用时变(time-varying)的电磁场以无创的方式加以刺激［ 11］。这种刺激可用直接驱动电流进入组织，对组织直接刺激(电刺激)或用电磁诱发的方 式(磁刺激)实施。靠产生一个可控制的，即磁通量可以迅速增加的磁场，在所经过的组织诱 发一个电场。如果强度和延迟可调，诱发的电场会引起生物电流在组织中均衡地传导，而这 传导会使得神经纤维、神经元和肌肉去极化，这包括诱发刺激和磁刺激。诱发的电流不需流 过神经的疼痛受体，所以不舒服的感觉是很小的甚至没有感觉。诱发的场进入组织中并不衰 减，对4～5厘米深的组织进行刺激是有可能的。
磁电刺激是无创性的。这是由于生物组织磁导率基本均匀，磁场容易透过皮肤和颅骨而达到 脑内深层组织，因而磁刺激技术可无创性应用于脑神经刺激以及深部神经组织中；头皮和颅 骨电阻率很大(颅骨比头皮还大80倍［12］)，而感生电流与组织电阻率成反比，所以 磁刺激脑部神经时只有微小电流通过头皮和颅骨，基本无不适感；磁刺激线圈不与身体有任 何接触，不需要对皮肤进行任何预处理就可以直接刺激受损伤部位和暴露部位，不会或只会 引起轻微疼痛；机体与外界无电联系，因而安全性好。
根据电磁感应原理，一个随时间变化的均匀磁场B在它所通过的空间内产生相应的感应电场E ，而与该空间的电导率无关。在该空间中沿任意闭合圆周(设圆周半径为r)上的感应电势ε 为［13］：其中，S是圆周面积，则电 场强度E为圆周上总电势除以圆周周长：是磁场变化率，r是圆周半径，为矢量。如 果该圆周上有导电的介质，便会形成感生电流(涡电流)，假设圆周上具有均匀导电的生物组 织，则生物组织内产生的感生电流可表示为：σ是生物组织电导率。当感生电流值超过神经组织兴奋阈值时 ，便会象电刺激一样达到刺激相应部位神经组织的效果。
3 磁刺激的物理特性
圆形线圈与刺激强度分布［40］。进行脑神经刺激研究，应首先研究线圈放电时，线 圈耦合人脑内的时变磁场及相应的感应电场的分布特性，及其与磁刺激线圈、磁刺激器的电 参数的关系，这样才能有针对性地设计线圈及进行刺激，使之有选择性地在被刺激部位产生 适当的感应电场，引起脑神经兴奋。空间任何一点的感应电场是沿着励磁线圈回路各电流元 在该点产生感应电场迭加的结果，因此空间感应电场的分布与线圈形状以及相对该点位置有 关。不同结构、在空间不同位置的线圈产生不同磁场，进而形成不同的空间感应电场分布。 [1] [2] 下一页
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