第三章　低频电疗法

将频率小于1 000Hz的脉冲电流作用于人体以治疗疾病的方法称为低频电疗法。低频电疗法的频率定为1 000Hz以下，是由神经肌肉组织的电生理学特征决定的。一般而言，哺乳类动物较粗大神经纤维的绝对不应期约为1ms，骨骼肌细胞的绝对不应期约为2ms，为了使每次脉冲均可以引起神经纤维兴奋，则两次刺激的间隔应大于1ms。因此，理论上频率小于1 000Hz脉冲电流的每个脉冲均能使神经纤维兴奋。

低频电疗法在医学领域的应用已有100多年的历史，20世纪80年代以来，随着集成电路和计算机技术的应用，治疗仪器也从早期的手动控制的大型设备发展为电脑控制、对侧控制、可随身携带的便携式设备。随着电疗学的发展，有些治疗方法逐渐消失或被替代，而神经肌肉电刺激、功能性电刺激、经皮神经电刺激等的临床应用已有明确的理论基础和实验证据支持，成为康复治疗中较常用的物理治疗方法。

由于机体各组织对不同参数设置的低频脉冲电流（波形、频率、强度、持续时间）反应不尽相同，因此低频脉冲电流的参数设置对治疗作用和治疗效果有重要影响。以下将详述各参数的定义及其意义。

波形指随时间而变化的单一脉冲形态。临床上常使用的有方波、三角波、正弦波等。不同波形的有效作用面积不同（图3-1），对组织和细胞的作用也不尽相同。在脉宽和电流强度相同的情况下，方波的有效作用面积最大。

相位指零电位基线之上或之下单一方向的电流。单方向偏离零电位的脉冲为单相脉冲；先单向偏离基线又反向偏离基线的脉冲称为双相脉冲。具有三个相的波形称为三相，多于三个相的波形称为多相（图3-2）。

在双相波中，两个相位的波形、强度-时间变化曲线完全相同，只是方向相反，即第一相是第二相的镜像，则为对称性双相波。反之为不对称性双相波。

脉冲电流中，每个相位的电荷量约为电流强度对单位时间的积分；简单来说就是相位所涵盖的面积。在双相波中，若两个相位所涵盖的面积相同，则为平衡性双相波。一般来说，对称性双相波是平衡性双相波，但平衡性双相波不一定是对称性双相波。平衡性双相波两个输出电极的正负离子均等，可避免电刺激导致的化学作用，因此大肌肉刺激一般使用平衡性双相波。在使用单相波时，脉宽应较短，避免离子堆积引起的化学性伤害。

当使用的波形为单相波或不平衡双相波时，需要区分电极的极性。负极有较高的负离子浓度，容易造成去极化产生动作电位，引起较大的肌肉收缩。因此负极多为作用电极，正极为辅助电极。

频率指每秒出现脉冲刺激的数量，单位为Hz。频率影响低频电疗的作用和肌肉收缩力量的大小，也与肌肉产生疲劳的快慢有关。当刺激频率小于10Hz时，肌肉只能产生单收缩；随着频率的加快，肌纤维相邻的两次收缩开始重叠。当刺激频率大于35Hz时，开始强直收缩；当频率增加超过50Hz时，可能会产生更大的肌肉力量，但也会加快肌肉疲劳的速度。

电流强度指电流相对于零电位上下振动的幅度，单位为毫安（mA）。电流强度影响被募集的肌肉组织的数量，从而影响肌肉收缩力量的大小。增加电流强度可以使刺激部位部分阈值较高的运动神经元兴奋，也可以刺激较深层的具有相同阈值的肌纤维产生兴奋，因此增加电流强度可以诱发更多的肌纤维去极化，产生更强的肌肉收缩。由于电刺激首先募集靠近电极的大肌肉，而大肌肉多为Ⅱ型肌纤维，容易产生疲劳，因此，随着治疗时间的延长，同样的电流强度诱发的肌肉收缩强度越来越小。

脉宽指每个脉冲电流持续的时间，包括波升时间、波降时间（图3-4），单位多为微秒（μs）或毫秒（ms）。根据强度-时间曲线可知，引起组织兴奋除了需要足够的电流强度外，还需要达到一定的脉冲宽度。当脉宽小于40μs时，电流强度要非常大才可以兴奋神经纤维产生肌肉收缩；脉宽较大时，较小的电流强度就可以引起神经纤维的动作电位，产生肌肉收缩，但是也容易兴奋痛觉神经。因此，脉宽对电刺激是否能引起肌肉收缩、电刺激的舒适度有重要影响。

通断比指一系列脉冲电流输出的持续时间和休息时间的比值。

在电刺激治疗时，休息时间越长，肌肉越不容易疲劳，但达到同样的治疗效果所需的治疗时间越长。临床上一般以1︰3～1︰5开始，然后逐渐增加刺激时间，缩短间歇时间。在确定通断比时，还应考虑频率，因为频率越高越容易引起肌肉疲劳，需要的休息时间越长。

电流密度指单位面积内通过的电流量的多少。电流密度的大小受组织深度和电极大小的影响。一般而言，组织深度越深，电流密度越小；同样的电流强度下，面积小的电极片电流密度较大。因此，治疗时面积小的电极片可用作主动电极，置于神经肌肉的运动点上；面积较大的电极片用作辅助电极，放在远离治疗部位的区域。

临床上常使用的电极片包括导电性金属电极片和橡胶电极片。金属电极片在使用时，用浸泡过自来水的海绵垫来减小皮肤和电极接触界面的电阻抗，增加导电性，操作较麻烦。橡胶电极片的表面往往会加上导电胶，形成自黏式电极，使用方便；但使用一段时间后，此类电极的导电性逐渐降低，整个电极表面不能形成均匀的电流，可能会导致局部高强度刺激，使患者有灼痛感。因此橡胶电极片需要定期更换。

无论使用金属电极片或是橡胶电极片，在选择电极片时均应遵循以下原则：①电流分布均匀；②与皮肤均匀、完全接触；③不会引起皮肤的过敏反应；④不妨碍电刺激所诱发动作的产生。

电极片尺寸的选择取决于被刺激组织的面积大小。同样的电流强度下，电极片越小，电流密度越大，越容易产生动作电位，但治疗时疼痛感较强。电极片越大，可刺激到的肌肉范围越广，产生的肌肉收缩强度越强，比较容易在无痛的情况下产生最大的肌肉收缩。但电极片太大或者形状不适可能会导致电流蔓延到治疗部位周围的易兴奋组织。

在电压固定的情况下，电流强度和电阻成反比。因此在放置电极片前，应使用清水或酒精清洗电极片放置的部位，并用砂纸去除皮肤表面的角质以降低皮肤电阻。在人体中，肌肉水分含量最高，导电性最好；皮肤、骨骼、脂肪含水量低，导电性差，因此电极片放置时应避开脂肪堆积或骨突的部位。同一对电极跨肌肉时电流需通过肌腱、关节等组织，电阻明显增大，因此同一对电极最好不要跨肌肉放置。研究表明，电流方向平行于肌纤维时导电性是垂直于肌纤维的4倍，因此两个电极片通常平行于肌纤维方向放置。

在低频电疗中，电极的放置常采用单极法和双极法。单极法是将一个电极放置在靶区域或期望产生最强治疗作用的组织上方，此电极称为刺激电极或主动电极；为了构成完整的刺激回路，另一个电极放置在远离靶区域的部位，此电极称为参考电极或辅助电极。使用单极法时，刺激电极通常小于参考电极，使刺激电极下的电流密度较大，容易产生组织兴奋，并且可以避免电流扩散到不欲刺激的肌肉。双极法是指将来自同一个刺激通道的两个电极均放置在靶区域，此时使用的两片电极通常尺寸相同，每个电极激活神经或肌肉的能力相同；但临床实际应用时，为了达到特定的治疗效果也可以使用两个不同大小的电极。

电极片的放置还需要考虑刺激部位的深浅，两电极间距离越近，电流刺激深度越表浅；距离越远，刺激深度越深；因此在治疗中，要确定适当的电极间距离，以达到刺激神经肌肉的效果。

外界刺激是否能产生动作电位，是否能引起组织兴奋，一方面取决于外界刺激的强度、持续时间和强度-时间变化率，另一方面取决于组织细胞的自身功能状态。组织或细胞对刺激产生反应的能力称为兴奋性。神经细胞、肌肉细胞的兴奋性较高，称为可兴奋组织。可兴奋组织和细胞受到刺激后可以产生动作电位，并以此触发细胞活动的改变。因此，兴奋性可看作细胞和组织受到刺激后产生动作电位的能力。以下将从静息电位、动作电位的产生和传递、肌肉收缩生理学几方面阐述低频电刺激的生理学基础。

细胞膜是选择性半透膜，对不同粒子的通透性不同。正常情况下，细胞外钠离子浓度高，细胞内钾离子浓度高；在静息状态下，细胞膜对钾离子通透性相对较高，对钠离子通透性相对较低，因此大量的钾离子从细胞内流出细胞外。而带负电的大分子蛋白质基本不能通过细胞膜，从而使膜内呈负电位、膜外呈正电位。细胞在受到刺激之前，细胞膜内负外正的跨膜电位即为静息电位。细胞膜跨膜电位内负外正的状态称为极化状态。正常情况下，神经细胞的静息电位约为-70～-75mV，骨骼肌细胞的静息电位约为-80～-90mV。

细胞受到刺激后，膜电位的迅速倒转和恢复即为动作电位。动作电位包括去极化、复极化和超极化的过程（图3-5）。

当细胞受到电刺激后，细胞膜对钠离子的通透性提高，钠离子沿着浓度差从细胞外进入细胞内，使细胞膜的负电位减小。当负电位减小达到阈值时，细胞膜对钠离子的通透性再次提高，大量的钠离子进入细胞内使膜内的负电位转变为正电位，最高可达到正25～35mV，此过程即为去极化。

当细胞膜内电位达到正25～35mV时，细胞膜对钠离子的通透性恢复正常状态，对钾离子的通透性增大，钾离子大量流出细胞外，使细胞膜的跨膜电位降低，恢复负电位，此过程为复极化。

复极化的过程在膜电位达到静息电位时仍将继续进行，直到低于静息电位10～20mV，再缓缓回到静息电位，此过程为超极化。在超极化状态下，细胞的兴奋性降低。

当细胞受到刺激，局部的细胞膜产生动作电位后，邻近的细胞膜受到影响开始去极化产生下一个动作电位，如此重复产生使动作电位传递出去，即为动作电位的传递。动作电位的传递速度受细胞直径大小和有无髓鞘的影响。细胞直径越大，动作电位传递速度越快。就神经细胞而言，运动神经、传递触觉和本体感觉的神经纤维直径较大，对电刺激较敏感；传递痛觉的神经和自主神经的神经纤维直径较小，对电刺激反应较不敏感。在无髓鞘的神经纤维和肌肉细胞中，细胞膜的局部受到刺激产生动作电位后，已兴奋部位和未兴奋部位之间的电位差引起电荷移动，形成局部电流，使邻近细胞膜去极化产生动作电位，这样的过程在细胞膜上顺序进行，直到整个细胞兴奋一次。而有髓鞘的神经纤维，髓鞘具有绝缘性，因此动作电位只能在髓鞘和髓鞘之间无被膜包覆的相邻郎飞结之间形成局部电流，所以有髓鞘细胞的动作电位是跳跃式传递，传递速度较快。此外，动作电位的传递速度还受温度、压力和药物等因素的影响。

哺乳类动物的肌纤维有两大类型（表3-1），慢肌纤维（Ⅰ型肌纤维）和快肌纤维（Ⅱ型肌纤维）。快肌纤维又可分为Ⅱa型（快肌纤维）和Ⅱb型（极快速肌纤维）。Ⅰ型肌纤维由较小的神经元支配，单个肌纤维收缩时间约为100ms，高度抗疲劳，耐力最好。Ⅱ型肌纤维由较大的神经元支配，单个肌纤维收缩时间约为30ms，主要产生爆发力（图3-6）。每个人肌纤维收缩的持续时间略有差异。

20世纪50年代，Huxley等提出了肌丝滑行理论。该理论认为当肌肉收缩时肌细胞内并无肌丝或其所包含分子结构的缩短，而是细肌丝在粗肌丝中滑动，粗细肌丝的重叠度增加，从而使肌小节缩短。

支配骨骼肌的运动神经纤维直径较粗，并且有髓鞘；神经纤维到达骨骼肌纤维后，运动神经纤维末梢失去髓鞘，陷入肌细胞膜的凹陷处，形成神经肌肉接头。当神经纤维兴奋产生动作电位后，动作电位在髓鞘间跳跃式传递传导至神经肌肉接头处，再通过释放乙酰胆碱促使接头处的肌细胞膜产生局部兴奋。该局部兴奋再以电紧张扩布的形式影响邻近的肌细胞膜，使之去极化达到阈电位，肌细胞产生一次动作电位并传至整个肌细胞膜。

在静息状态下，肌纤维内所含的Ca ²⁺浓度较低。当肌纤维兴奋时，动作电位促使肌浆网中的Ca ²⁺释放，导致肌浆内的Ca ²⁺浓度迅速增高，使细肌丝滑动，产生肌细胞收缩。上述电活动和肌肉收缩的机械活动联系的过程叫做兴奋-收缩偶联。