可编程式经皮神经肌肉电刺激系统的设计及初步实验研究

　　模拟和真实的太空实验结果表明,长时间重力缺失将导致航天员的肌肉结构和功能变化,突出表现在背部和下肢的抗重力肌肉萎缩,体积、能量和力量减小,易疲劳性增强,异常反射模式增多[1-3]。肌肉萎缩不仅大大降低航天员的工作效率,也为飞行器在太空中紧急着陆或重返重力环境时航天员的安全带来很大风险。美国和俄罗斯航天员主要利用跑台、自行车功量计、飞轮测力计等体能训练装置作为对抗措施,但所需装备复杂沉重,占据空间较大[3-4]。另外,每天2~3 h的长时间训练也不利于提高太空工作效率。为此,研究更为有效、简便、灵活的失重对抗措施成为载人航天医监医保工作的重要课题。

　　经皮神经肌肉电刺激( transcutaneous neuro-muscular electrical stimulation, TNMES)是利用低频电脉冲对神经肌肉进行刺激,引起肌肉收缩,从而实现某种治疗功能的方法。TNMES在过去几十年里被成功应用于运动功能恢复和训练等领域[5-6],近年来开始引起航天医学工作者的关注。

　　TNMES在载人航天中的应用

　　NASA和ESA从1996年的STS-78任务起开始对航天员飞行前后的肌肉组织活性进行比较, 研究失重环境下肌肉组织萎缩原因。此次任务中,由瑞士Syderal公司设计研制的经皮神经肌肉电刺激器PEMS开始应用。PEMS总重10 kg,尺寸为150 mm×300 mm×400 mm,采用28 V直流电压供电,功耗约25 W。刺激波形采用方波脉冲,能够提供50μs和250μs两种脉宽刺激脉冲串的独立和组合输出,脉宽精度±5%,最高输出电流为0. 8 A(50μs)和0. 16 A(250μs),重复频率1、10、20、30、50、100 Hz可选。第二代刺激器 PEMS II(图1)于2006年7月在STS-121任务期间被送往ISS,进行肌肉萎缩对抗研究[7]。

　　俄罗斯和澳大利亚从1998年在MIR开始利用MYOSTIM电刺激系统进行TNMES对抗肌肉萎缩的研究(图2)。MYOSTIM系统由笔记本电脑、两个4通道刺激器、导线电极组成。MIR Crew 26航天任务中经过每天3 h刺激的航天员与其他只接受常规训练的航天员相比,肌肉收缩的动力学性能改善显著(表1),肌肉纤维组织、肌肉反射和姿态控制稳定性也明显更好。并且,除极特殊的操作外,神经肌肉刺激不会影响航天员的日常操作活动[8-9]。最近,俄罗斯为其在ISS工作的航天员特制的航天服中装入多个刺激电极,便于进行神经肌肉电刺激。

　　TNMES在失重环境下对肌肉组织、功能的显著改善作用已经在航天实验中得到证实,然而对于如何选择最优刺激参数尚无结论。就PEMS和 MYOSTIM而言,刺激频率都在100 Hz以内的低频范围,但其脉冲幅度、频率、脉宽、通断时间、脉冲串组合方式等都不相同[9]。此外,包括PEMS、 MYOSTIM、国内常见的HANS刺激仪在内的多数刺激器都采用方波刺激脉冲,主要因为方波脉冲的突变电流能够引起高效率的肌肉收缩,且硬件上易于实现,便于控制[10]。但有研究指出,方波并不是同时满足有效和舒适的最佳刺激波形[11-12]。因此,研究不同波形、不同刺激参数及其组合在TNMES中的作用对于增强失重对抗效果,获得更舒适感觉具有重要意义。本文设计了可编程式经皮神经肌肉电刺激系统,并进行初步人体试用实验,以探讨航天肌肉萎缩对抗处方选择依据,为未来长期载人航天飞行提供技术基础积累。