功能性电刺激修复兔单侧永久性面瘫的实验研究

研究目的:
面瘫是一种以表情肌运动功能障碍为主要特征的常见疾病,常需要多学科的协同诊治,部分面瘫能够痊愈,部分面瘫会发展为晚期面瘫,亦称永久性面瘫.目前尚没有令人十分满意的方法能够治愈永久性面瘫,功能性电刺激可能成为一个潜在的选择,它是一种通过微电流刺激神经组织或肌肉组织来代偿因神经损伤所致的机体功能障碍的装置.临床上已有一些功能性电刺激器得到应用,如修复肢体运动、辅助呼吸、大小便管理等,但尚没有用于修复面瘫的功能性电刺激器出现.本研究的目的在于研发一套可用于修复永久性面瘫的功能性电刺激系统,并对其功能进行测试.
研究方法:
功能性电刺激系统研发的前期研究
1.以新西兰大白兔的眼轮匝肌为研究对象,切除一段面神经总干后,分别于1w1、2w、4w、8w时使用频率50Hz、脉宽2ms、脉幅1.5-3.0mA递增的方波脉冲对眼轮匝肌进行电刺激,使用摄像机拍摄眼睑对不同刺激强度的反应,分别分析不同时间眼轮匝肌收缩率与刺激强度的相关性,比较刺激强度为1.5mA和3.0mA时,不同时间眼轮匝肌收缩率的差异,确定电刺激的有效时间.
2.使用生物信号采集系统分别记录正常眼睑在静息睁眼,自发眨眼以及反射性闭眼状态下眼轮匝肌的肌电信号,以及反射性闭眼状态下上睑提肌的肌电信号,并使用张力换能器记录眼睑的运动状态.比较不同功能状态下肌电信号的幅度,频率(最大能量频率,中位能量值频率,平均能量值频率,95%频谱边缘频率)的差异,分析自发眨眼的幅度与对应眼轮匝肌肌电信号幅度,频率的相关性.
3.将刺激电极分别植入到失神经支配的兔眼轮匝肌的上下睑、内外眦以及上下睑&内外眦处,使用频率50Hz、脉宽2ms、脉幅为1.5mA和3.0mA的刺激脉冲进行刺激,使用摄像机拍摄电极植入在不同位置时的眼睑反应,分析并比较不同电极植入位置的眼轮匝肌收缩率的差异,选择合适的刺激电极植入位置.
4.分别使用50Hz、2ms、1.5-3.0mA的脉冲,50Hz、2.0mA、125-2000μ2的脉冲,和2.0mA、2.0ms、10-200Hz的脉冲对眼轮匝肌进行电刺激,并使用肌肉张力换能器记录眼轮匝肌的收缩力,分析眼轮匝肌收缩力与对应参数的相关性,从而确定合适的可调参数用于功能性电刺激.功能性电刺激系统的研发
根据系统需求分别设计出刺激模块、记录模块的电路,并制作印刷电路板(Printed Circuit Board,PCB),编写控制模块程序,通过仿真测试和动物实验对其进行调试优化,最后研发出一套能用于修复瘫痪眼睑眨眼功能的功能性电刺系统.
功能性电刺系统的功能测试
将功能性电刺系统的记录电极植入到单侧面瘫动物模型的健侧上睑,刺激电极植入到患侧眼睑内外眦,接通电源后,使用肌肉张力换能器同时记录两侧眼睑的运动,分析两侧眨眼运动的同步性.
结果:
1.兔眼轮匝肌在失神经支配后1w、2w、4w、8w时都具有电兴奋性,且眼轮匝肌收缩率与刺激强度呈正相关,回归方程符合Y=Bottom+(Top-Bottom)/(1+10^(LogEC50-X)),相关系数R2分别为0.86,0.81,0.83,0.92,且在失神经支配2w时,其电兴奋性最高.
2.正常眼睑眼轮匝肌和上睑提肌肌电信号的幅度与频率在不同功能状态下有显著差异,自发眨眼的幅度与眼轮匝肌肌电信号的幅度和频率有显著相关性,眨眼幅度与肌电信号幅度的相关系数R2为0.6766,与最大能量频率,中位能量值频率,平均能量值频率,95%频谱边缘频率的相关系数R2分别为0.21,0.27,0.39,-0.03.
3.在相同刺激参数下,电极植入在上下睑时眼轮匝肌收缩率低于电极植入在内外眦和上下睑&内外眦时,它们的差异在刺激强度为3.0mA时具有显著性.
4.眼轮匝肌收缩力与刺激脉冲的脉幅、脉宽及频率均有显著相关性,回归方程符合Y=A+B*X+C,X^2+D,X^3,相关系数分别为0.5456、0.7260和0.1233.
5.本研究成功研发了一套用于修复单侧永久性面瘫的功能性电刺系统,它能基本实现单侧面瘫动物模型的对称眨眼动作.同步性分析显示,患侧眼睑眨眼动作开始的时间较健侧迟227.2±169.8ms,达到最大眨眼幅度的时间较健侧迟76.5±143.3ms,双侧眼睑发生同步眨眼占所有眨眼运动的比例可达73.5%.结论:
1.兔眼轮匝肌在失神经支配后8w甚至更长的时间内都具有电兴奋性,这为通过功能性电刺激修复面瘫的可行性提供了保证.
2.眼轮匝肌肌电信号能实时反映正常眼睑的眨眼和闭眼运动,因此可用于作为促发功能性电刺激的信号.上睑提肌肌电信号能实时反映正常眼睑的睁闭眼状态,其能否反映眨眼运动有待进一步研究.
3.与上下睑相比,刺激电极植入在内外眦时刺激效果更好.
4.刺激脉冲的脉幅及脉宽均适合用于调节眼轮匝肌的收缩程度.
5.本研究研发的功能性电刺系统能基本实现单侧面瘫动物模型的对称眨眼动作,具有一定的临床研究及应用前景,但其功能有待进一步优化及完善.