اعصاب قطع شده به مدار بر مي گردند

 بررسي مكانيزمها و روشهاي اساسي تحريك الكتريكي كاركردي
فريناز زماني، سميه ايماني- دانشجويان مهندسي  پزشكي دانشگاه صنعتي اميركبير
اصلاح كاركرد حركتي از بين رفته پس از ضايعه عصبي، قسمت حركتي فوقاني به وسيله تحريك الكتريكي كاركردي (FES: Functional Electrical Stimulation) ، يك روش تازه و جديد نيست. كارآيي اين روش در بيماران نيمه فلج بين سالهاي 1960 تا 1980، اميد تازهاي براي درمان اين بيماران پديد آورد و تصور ميرفت بدن پس از مقدمات نخاعي شود. اما با مشكلاتي در عمل مواجه شد و امروزه فاصله زيادي بين گزارشهاي تحقيقاتي و كاربردهاي عملي آن در بيماران نيمه فلج وجود دارد.
تحريك الكتريكي كاركردي، داراي سه بخش اساسي زير است:
1) سيستم كنترل؛ يعني بخشي كه تعيين ميكند كدام عضله بايد تحريك شود و سطح تحريك را نيز معين ميكند، 2) تحريك كننده كه وسيلهاي است كه توليد قطار پالس الكتريكي مينمايد و 3) الكترودها كه قطار پالس را به نورونهاي حركتي منتقل ميكند و سبب فعال شدن و انقباض مصنوعي عضلات فلج ميشود.
آزمايشها و تحقيقات باليني FES محدوديتهايي را نشان داده است كه استفاده طولاني مدت يك سيستم FES را غيرممكن ميسازد. اما تحقيقات اخير براي غلبه بر اين مشكلات طرحهايي را ارائه كرده است.
اين مقاله، در ابتدا مروري بر گذشته سيستمهاي FES دارد، سپس در مورد الكترودهايي با طراحيهاي خاص بحث ميشود و تأثيرات پارامترهاي تحريككننده (مانند شكل موج، شدت و فركانس) و اغتشاشات داخلي مانند خستگي و اسپاسم عضلاني، مورد ارزيابي قرار ميگيرد.
روشهاي فعال سازي ساختار عصبي عضلاني
قابليت الكترود جهت انتقال تحريك مؤثر و داراي قابليت اطمينان به عضله و فعال كرن آن، براي موفقيت سيستم FES حياتي است. پيشرفتهاي اخير، امكان ايجاد حركت در افراد فلجي را كه نورونهاي حركتي مركزي آنها آسيب ديده است، فراهم ميكند. اما اين روشها به علت محدوديتهاي موجود در فنآوري تحريك، پذيرفته نشده است.
الكترودهاي سطحي كه براي تحريك عبوركننده از پوست (TES) به كار ميرود، داراي بالشتكهاي قابل انعطافي است كه روي پوست قرار ميگيرد و براي تزريق جريان به بافت مورد نظر بهكار ميرود. اين جريان الكتريكي براي فعال كردن سلولهاي قابل تحريك، به منظور اهدافي مانند كاهش درد و تحريك عصبي عضلاني بهكار ميرود. محققان و طراحان الكترودهاي سطحي، براي طراحي، نياز به بررسي مسير عبور جريان در بافت دارند. گزارشها نشان ميدهد كه به كارگيري FES با الكترود سطحي، داراي محدوديت انتخابپذيري و حداقل جريان لازم بالا براي تحريك عضله است. همچنين الكترودهاي سطحي، در شدتهاي عادي كه براي تحريك عضله بهكار ميرود، منجر به حساسيتهاي پوستي ناخوشايند ميشود. بنابراين ابزارهاي باليني كه از الكترودهاي سطحي استفاده ميكند، به آساني قابل دسترسي است. اما اين ابزارها به جايگذاري دقيق الكترودها و تعيين شدت تحريك براي هر جلسه درمان نياز دارد.
الكترودهاي كاشتني، براي فراهم كردن كنترل قابل اطمينان و تكرارپذير عضلات فلج بهكار ميرود. اين الكترودها يا روي سطح عضله قرار ميگيرد يا اطراف عصب پيچيده ميشود. الكترودهاي كاشتني در بازتواني حركت باز و بسته شدن دست بهكار ميرود. الكترودهاي داخل عضله از سيم نازك فلزي تشكيل شده است كه به منظور تحريك نورونهاي حركتي در داخل عضله تزريق ميشود. الكترودهاي زير جلدي نيز از سيم نازكي تشكيل شده است و نوك آنها براي تحريك وارد عضله ميشود. اين الكترودها از طريق سيم رابط به كنترلكننده خارجي وصل ميشود. به دليل ويژگيهاي مكانيكي، اين الكترودها شكننده بوده و تحت استرسهاي ناشي از انقباض ماهيچه يا بافت نرم حركت ميكند.
اعصاب محيطي توسط جراحيهاي كوچك به آساني قابل دسترس است. الكترودهاي اعصاب محيطي به و صورت خارجي و داخلي است. الكترودهاي اعصاب محيطي خارجي، بدون آسيب زدن به نخاع، وصل ميشود. با اينكه اين الكترودها ميتواند به طور سطحي ناحيه مورد نظر را تحريك كند، ولي هميشه اين پرسش مطرح بوده است كه چگونه آكسونهاي داخلي ميتواند بدون تحريك آكسونهاي سطحي تحريك شود. الكترودهاي حلوي (cuff)، از جمله الكترودهاي خارجي است كه به دور عصب پيچيده ميشود و شامل يك كاف ايزوله با دو يا چند ناحيه فلزي به منظور انتقال جريان است. اخيراً كافهاي عصبي دو قطبي براي تحريك اعصاب تنه بهكار ميرود و باعث كاهش تجهيزات بهكار رفته جهت تحريك ميشود.
همانطور كه قبلاً اشاره شد، براي به كارگيري الكترودهاي كاشتني، محدوديتهايي وجود دارد كه براي حل اين مشكلات، الكترود كنترل شده با RF به نام BION طراحي شده است. اين الكترود با ابعاد 2 ميليمتر در 16 ميليمتر، به داخل عضله به وسيله سر سوزن شماره 12، تزريق ميشود. سيگنالهاي توان و دستورالعمل هاي كنترلي از ميان پوست توسط موج حامل 2 مگاهرتز منتقل ميشود.
ارزيابي پارامترهاي تحريك كننده و اغتشاشات داخلي
با تنظيم الگوي تحريك (شكل موج، شدت، فواصل مابين پالسها و فركانس براي الكترودهاي گوناگون) قدرت انقباض عضله ممكن است تغيير كند. بنابراين دستهبندي خروجي محرك اساس اكثر تلاشها براي بهبود سيستمهاي كنترلي FES است. در اين بخش با مطالعه مكانيزم اساسي الگوهاي تحريك و سيگنالهاي مزاحم داخلي را مرور خواهيم كرد.
انتخاب شكل موج تحريك، به اثر فيزيولوژيك مورد نظر و نوع الكترود به كار رفته بستگي دارد. الكترودهاي كاشتني بيشتر براي شكل موجهاي جريان ثابت به كار ميرود و در مورد تحريك ولتاژ ثابت كاربرد كمتري دارد. توجه به پتانسيل تحريك الكتريكي، براي تخريب بافت تحت تأثير الكترود نيز عامل مهمي در تعيين شكل موج است. نكته ديگر آنكه، تحريك انتخابي فيبرهاي عصبي كوچكتر مشكل مهمي در FES است. به همين منظور، تحقيقاتي براي طراحي شكل موجهاي تحريك بر اساس تحريك انتخابي دستگاه عصبي انجام شده است. قطعاً براي بازتواني فعاليتهاي حركتي، كنترل فركانس تحريك نيز لازم است. محققان دريافته اند كه براي سيستمهاي FES ساخته شده به منظور ايستادن فرد داراي ضايعه نخاعي، به علت ايزومتريك بودن انقياضهاي عضلاني وي و نياز به پيوستگي (و نه تناوب) فركانسهاي بالا منجر به خستگي سريع عضلاني ميشود. در مقايسه با تنظيم يا مدولاسيون فركانس كه تحريك لحظهاي پاسخها به هر پالس را تغيير ميدهد، شدت تحريك تعداد واحدهاي حركتي بيشتري تحريك ميشود.
قابل ذكر است در مقابل، تحريك معكوس از نظر فيزيولوژيك منجربه نيروي انقباض با درجه ضعيف شده و عامل حمله سريع خستگي عضلاني است. مشكل، كمبود روشي است كه بتواند در ابتدا واحدهاي حركتي كوچك را تحريك كند و كمكم انواع بزرگتر را نيز شامل شود. اين روش بايد قابليت اصلاح همزمان پتانسيل عمل را كه سرعت واحدهاي فعال را با استراتژيهاي گوناگون (مانند عضلات اسكلتي مختلف) تعيين ميكند، داشته باشد. بنابراين روشهاي تحريك مختلفي براي مسأله تحريك معكوس عنوان شده است: بلوك آندي، كاتد منفرد، دپلاريزاسيون زير آستانه پالس مقدماتي.
در سالهاي اخير، بعضي از راهكارها براي مقابله با محدوديتهاي فيزيولوژيك كه در سيستمهاي FNS (تحريك عصبي عضلاني كاركردي) وجود دارد، بهكار گرفته شده است. اين راهكارها شامل طراحي الكترودها، مكان كاشتن آنها و شكل موجهاي جديد تحريك كه امكان تحريك فيبرهاي عصبي حركتي را در وضعيت فيزيولوژيك مناسب، بالا ميبرد، است. به علاوه تغيير درجههاي مقاومت خستگي، توسط تحريك اعمالي همزمان، ازطريق چندين الكترود و در فركانسهايي كمتر از فركانس لازم براي فاز انقباض است، قابل حصول شده است.

پيشرفت كنترل كننده
در دستگاه هاي FES، كنترلكننده تعدادي از پارامترهاي تحريك ورودي را براي دستيابي به خروجي دلخواه تعيين ميكند. تحريك كنندههاي الكتريكي كه امروزه در كاربردهاي باليني به كار ميرود، از يك سيستم كنترلي ساده حلقه باز استفاده ميكند كه پارامترهاي تحريك آن از پيش تعيين شده است.
در اين صورت دو محدوديت اساسي وجود دارد. اول اينكه روشهاي كنترلي باليني نياز به تنظيم دستي خسته كننده دارد. اين روش توليد حركت نامنظم كرده و منجر به خستگي عضلاني سريع ميشود. دوم آنكه دستگاههاي FES باليني كه برپايه كنترل حلقه باز عمل ميكند، با مشكلات مربوط به حساسيت نسبت به اغتشاشات خارجي و همينطور تغييرات پارامترهاي داخلي تحريك رو به رو است. (به طور مثال پديده خستگي، عادت عضلاني و اسپاسم عضلاني) به صورت طبيعي بعضي از مشكلات شناخته شده اين سيستمهاي باليني، منجر به ارائه چندين سيستم كنترلي شده است. در مطالعات تحريك، اين سيستم ها بر اساس مدلهاي جانوري و انساني مورد آزمايش قرار گرفته است. كنترل فيدبكي قابلتي حذف اغتشاشات را فراهم كرده و كنترل كننده هاي وفقي (adoptive)، روشهاي تنظيم را كه براي عضلات گوناگون لازم است، ساده مينمايد. اساساً در طراحي سيستمهاي كنترلي FNS، مشخصات ديناميك عضلات نيز مورد توجه قرار ميگيرد. پس از اعمال پالس تحريك، زمان تأخيري در حدود 50 تا 100 ميليثانيه وجود دارد و سپس نيروي انقباضي كه تابعي دنياميك از پارامترهاي قطار پالس تحريك است، ايجاد ميشود. مطالعات گوناگوني با استفاده از مدلهايي كه از مدلهاي ساده خطي تا مدلهاي پيچيده غيرخطي و متغير با زمان را دربرميگيرد، اين فرآيند ديناميك را نشان داده است.
بدون شك، اگر عضلات براي دورههاي طولاني مدت در سطوح بالا فعال شوند، به سرعت خسته خواهند شد. به منظور كاهش خستگي عضلات الگوريتم هاي كنترلي بهينهاي براي بهبود كنترلكننده حلقه باز يا مسير پيشخوردي FES، ارائه و آزمايش شده است. قطعاً طرحهاي حلقه بسته گوناگوني پيشنهاد شده است كه ادعا ميشود دستگاههاي كنترلي آنها نياز به تنظيم دستي گسترده را رفع ميكند. مهمتر آنكه اين مسيرهاي پيشخوردي وفقي كارايي را افزايش ميدهد و نكته برجسته ديگر، طراحي و ارزيابي نوعي از روشهاي كنترلي پسخوردي وفقي توسط بسياري از گروههاي تحقيقاتي است.
اين روشها نياز به مدلهاي خاص آزمايشي نداشته و نسبت به كنترلكننده هاي موجود، براي تحريك مزمن نياز كمتري به تجهيزات دارد.

نتيجه گيري
به طور خلاصه، طراحان پروتزهاي عصبي به دنبال دستيابي به موارد زير است: توليد الگوهاي فعاليتي مشابه آنچه در فعاليت فيزيولوژيك طبيعي استفاده ميشود، طراحي الكترودها و تعيين مكانهاي كاشتني كه فعاليت انتخابي عضلات را بالا ببرد، روشهايي كه مقاومت در برابر خستگي را افزايش دهد و همينطور شكل موجهاي تحريك جديدي كه امكان تحريك فيبرهاي عصبي را در حد طبيعي فيزيولوژيك ايجاد نمايد.
اين مسأله همواره مورد قبول بوده است كه FES، براي گسترش كاربردهاي باليني نياز به استراتژيهاي كنترلي بهتر دارد. بنابراين امكان مطالعات بيشتري در مورد كنترلكننده وفقي وجود دارد. از جمله: ارزيابي كارايي در انجام ساير وظايف و انجام آزمايشهاي بيشتر در مواردي مانند: زماني كه خستگي بيشتري توليد ميشود، در موقعيتهايي كه تحريك مشترك (costimulation) استفاده ميشود و حركاتي كه نياز به كنترل چند مفصل دارند.
در پايان بايد گفت در مطالعات آينده، علاوه بر روش كنترلي FES، مكانيزم اساسي آن نيز نياز به بررسي دارد.

 

بازگشت