功能性电刺激（functional electrical stimulation，FES）是利用一定强度的低频脉冲电流，通过预先设定的程序刺激目标肌肉的支配神经，诱发肌肉收缩，以替代或矫正器官及肢体已丧失功能的电刺激疗法，属于NMES的一种。NMES可分为治疗性NMES和功能性NMES两种，完全被动的NMES属于治疗性的电刺激，而FES属于功能性的电刺激，其应用的前提条件之一是脊髓前角到目标肌肉神经肌肉接头之间的下运动神经元通路保持完整，即主要应用于上运动神经元损伤所致的运动功能障碍，因为刺激后可以产生即刻的功能性活动，如抓握动作、功能性行走等，因此FES也被称为“神经假体”。

20世纪60年代，美国医生Liberson利用FES刺激腓总神经以矫正偏瘫患者的足下垂，从此FES在脑卒中患者的运动和感觉功能恢复中得到广泛应用。现在FES的应用范围日益增大，其研究与应用不仅局限于肢体运动功能的替代与纠正，还广泛涉及临床各个领域。例如人工心脏起搏器已广泛应用于各类心脏病的心律失常；膈肌起搏器用于治疗呼吸中枢麻痹、调整呼吸；膀胱刺激器用于改善排尿功能等。

因为FES属于NMES，所以其基本作用原理和NMES相同。中枢神经系统具有可塑性，脑和脊髓损伤后，中枢神经系统功能重组是患者功能恢复的基础。FES在兴奋运动神经元轴突的同时，通过Ⅰa纤维产生传入冲动，在脊髓层面调节主动肌、协同肌和拮抗肌之间的活动，从而保持伸肌群与屈肌群之间张力的平衡；其在脑水平通过反复的传入刺激，可产生使用依赖性可塑性（use-dependent plasticity），诱导脑功能重组。FES改善肢体活动能力的神经机制包括增强关节和肌肉本体感觉传入、提供更好的运动视觉反馈和对神经元直接刺激后肌肉收缩能力的提高。且FES能够更好地促进运动再学习，在刺激神经肌肉的同时，刺激传入神经，加上不断重复的运动模式信息传入中枢神经系统，在皮层形成兴奋痕迹，促进运动功能的代偿性“恢复”或功能重建。

运动再学习的定义是中枢神经系统损伤后重新获得运动技能。对于中枢神经系统的可塑性研究巩固了目标导向性训练的重要地位。中枢神经系统损伤后运动功能的恢复是一种再学习、再训练的过程，但一些不要求获得技能的、简单的、重复性运动训练不会引起运动皮质兴奋性的明显改变。而如果将主动重复性训练和任务结合起来，会有效地促进病灶周围未受累运动皮质的功能重组。根据运动再学习理念，NMES如果能有效介导运动再学习，必须满足以下几个条件：动作的重复性、新颖性、高度功能性及个体的主观努力。因此，在运动再学习方面，FES要优于完全被动的NMES，因为它是在患者完成功能性任务的过程中给予电刺激，首先满足了重复运动的要求；FES需要患者主动参与，且能在训练过程中设计不同任务，也满足了动作新颖性和高度功能性的要求。

FES属于NMES，其电流应用参数的设置原则，包括波形、脉宽、频率、电流强度、电极片大小和放置方式、通断比基本同NMES，本节不再介绍。

FES系统由三部分组成：刺激电极、刺激器及控制器。电极用来传递刺激电流到可兴奋组织，引起肌肉收缩；刺激器用来对电极产生电流；控制器根据患者指令和感知等信息调节电刺激（图3-14）。控制器可以只是一个开关，由患者自己或治疗师控制；也可以包含记录患者运动信息的传感器（压力传感器、角度传感器、加速度传感器、陀螺仪等），设备可根据传感器提供的信息来调节电刺激参数。

根据FES系统三个组成部分放置位置的不同，又分为表面FES系统、植入式FES系统。

刺激电极、刺激器及控制器都置于体外。将表面电极置于皮肤上，电极通过导线和刺激器相连，由于刺激器一般是佩戴在患者身上，比如手臂、腿部、腰部等，所以这类FES也被称为神经假体。电极放置方法同NMES，放在神经或肌肉的运动点上。优点是操作简单、方便、是非侵入性治疗、刺激器和表面电极相对较便宜。表面FES系统是目前应用最广泛的FES技术，已成功应用于站立、步行、手部的抓握和释放。多通道FES也是采用此系统，其刺激器一般不佩戴在患者身上。然而，表面FES系统也有一些缺点，因为电极较大且置于皮肤表面，所以很难使小块或深部肌肉独立收缩；且每天都要摘取电极，电极定位有可能不同。

刺激电极和刺激器都植入体内，但多数控制器都置于体外。刺激器和控制器之间的通讯通过射频传输实现，因此没有导线经过皮肤。植入式电极和植入式刺激器通过快插式接头相连，这样可以在不移除刺激器的情况下移除或替换电极。植入式电极的导线需要长期使用，不能轻易断裂，所以比较粗和牢固。刺激器封装在钛合金外壳内，一般是植入在上胸部或腹腔内。刺激器通过射频遥测技术接收来自外部控制器的能量和控制指令。射频技术使得刺激器无需电池供电，减少了由于电池问题导致的系统更换需要。射频技术只需用胶带将与控制器相连的圆形线圈固定在刺激器上方的皮肤上。控制器可以穿戴在患者身上，也可以放置在患者轮椅上。植入性FES系统的优点是方便、美观、可靠、可重复性好。但是是一种侵入性的治疗，价格也相对较高。

与NMES所用电极一样，至少需要两个电极（图3-15），一个为刺激电极，即阴极，放置在待刺激的周围神经或肌肉的运动点上；另一个为参考电极，即阳极，放置在离刺激电极较远、较难兴奋的组织上（肌腱或筋膜等），或放置在刺激电极的周围，以便将电场限制在局部区域以实现更高的刺激选择度。多通道FES系统需同时刺激多块肌肉，可使用双极或单极的电极放置。双极电极放置即对每块需要刺激的肌肉或神经都用一对电极实现（包括阴极和阳极），每个刺激电极都有单独的返回电路，刺激的选择度更大，但电极和导线较多。单极电极放置是在每块需要刺激的肌肉或神经放置一个刺激电极，所有刺激电极共用一个返回电路，电极和导线较少。

植入式电极的种类很多，可以根据不同需要进行选择。肌外膜电极直接缝合在肌肉表面的肌外膜上，在上肢和下肢刺激中应用较多，尤其适合刺激面积较大、扁薄、位于浅层的肌肉。肌内电极则直接插入肌体内，适用于刺激深部或更小的肌肉，比如手内部肌肉。当很难直接刺激目标肌肉或当刺激神经会募集更多肌肉时，可选用基于神经的电极：神经束表电极缝合在运动神经的结缔组织上；套电极置放于神经束的周围。

手部控制FES也称为上肢“神经假体”，其本身是一种手腕-前臂矫形器，将手腕固定在功能位，可以将腕的稳定性与电刺激相结合（图3-16）。设备内的表面电极可以对伸指肌群、屈指肌群和鱼际肌进行模式化刺激，产生手伸展、抓握、侧捏等动作，以帮助完成功能性活动（图3-17）。手部运动相对较复杂，很难完全实现自动化的程序控制，在某些情况下需要患者或治疗师自己触发控制器的开关，发出刺激指令。

手部控制FES适用于脑卒中后偏瘫和C ₅以下脊髓损伤患者，辅助患者完成上肢及手部功能性任务，如抓握、进食和饮水等。

对侧控制型功能性电刺激（contralateral controlled functional electrical stimulation，CCFES）最早是由Knutson等于2007年提出的，它是在患手完成功能性任务的过程中，通过健侧肢体的运动触发连接于患侧肢体的电刺激装置，诱发患手完成伸展、抓握等动作。如果单纯用健侧肢体的运动触发电刺激装置，引起患侧肢体被动收缩，不完成功能性任务，则称为对侧控制型神经肌肉电刺激（contralateral controlled neuromuscular electrical stimulation，CCNMES）（图3-18）。相比传统NMES，CCNMES调动了训练的主动性，而且强调了双侧运动。

CCFES的控制器里有角度传感器或肌电传感器。角度传感器可以装在手套里，用来感应健侧手活动时的角度。肌电传感器使用表面电极来感应健侧运动时肌肉的收缩信号。治疗时，在双侧肢体相同部位贴上表面电极，贴于健侧肢体的表面电极用来感应健侧肌肉收缩时的肌电信号，贴于患侧的表面电极为刺激电极。当健侧肢体运动时，传感器将接收到健侧肌电变化信号，调节模拟电压输入刺激器，通过置于患侧的表面电极，刺激患侧肌肉收缩，其电流刺激强度与健侧肢体活动强度成正比，即健侧肢体的活动会反馈性地引导电刺激装置刺激患侧肢体做相似动作。

CCFES适用于脑卒中后偏瘫和C ₅以下脊髓损伤患者，辅助患者完成上肢和手部功能性任务，如抓握、进食和饮水等。

C ₅～C ₆脊髓损伤的患者具有一定的肩关节、肘关节屈曲和腕关节背伸（C ₆损伤者）功能，但不能自主控制手指活动。植入式神经假体可以提高颈脊髓损伤患者手部精细功能。

植入式神经假体由体外控制系统、电磁发射线圈、皮下接收器、连接器和刺激电极组成（图3-19）。包含12导联植入电极（刺激电极）和两个肌电信号采集电极（EMG电极）。因为刺激电极数量多，所以能精细控制手功能，而且可以进行前臂旋前和肘关节伸展控制。EMG电极用于采集肌电信号，启动神经假体的电刺激，产生运动。一个EMG电极置于桡侧腕长伸肌或肱桡肌，另一个EMG电极置于斜方肌或颈阔肌附近。患者可以通过伸腕、屈肘动作或颈肩部运动启动运动控制系统，且可通过肩关节的运动控制不同抓握方式，并对抓握的位置和力量进行调整。研究表明，此种设备可以明显改善颈脊髓损伤患者手功能（包括侧捏及握力）及日常生活活动能力（包括进食、刷牙、翻书等）。但植入式神经假体本身的价格及前期手术费用较高，在临床上未普遍使用。

早期临床上使用较多的FES就是足下垂FES，用于改善中枢神经系统损伤引起的足下垂。许多脑卒中患者都有踝关节背屈、膝关节屈曲、髋关节弯曲不足问题，使得他们在步行时无法将脚趾提离地面。足下垂FES的原理是在患侧摆动相开始时，触发电刺激开关，刺激患侧腓总神经，使患者在迈步期产生踝背屈（图3-20）。进入患侧站立相后，患侧足跟着地，电刺激停止。刺激电极放置在腓骨小头下方的腓总神经上。8项荟萃分析结果表明，使用足下垂FES后，患者的步行速度提高，且步态改善。但足下垂FES对腓总神经的刺激只能提供有限的膝关节控制，因此，需要用踝-足矫形器来阻止膝关节屈曲不足或者有严重膝过伸的患者，都不适合使用。

目前触发电刺激开关的方式有几种：足跟触发器触发、压力触发、角度触发。①足跟触发器触发是当脚离开地面时，刺激开始，当足跟落地时，停止刺激。②压力触发在足底有个压力传感器，患者在不同地面（水泥地、草地、沙地等）上行走时足底受到的压力不同，且不同步行速度，向前、向后迈步，上下楼梯时压力也不同。压力传感器能够精确探测到压力的变化，提供准确的电刺激。③角度触发是通过角度传感器探测胫骨角度的变化范围，所以优势是不受穿鞋的影响，可赤足。角度传感器对下肢前后移动较敏感，对侧方移动不敏感。尤其对脑卒中患者来说，胫骨角度变化小，进行侧方步行训练时有可能感受不到胫骨角度的变化而不能给予准确的刺激。另外，上下楼梯时胫骨角度的变化也不明显，可能不能给予准确刺激。如果在草地或沙地上行走，角度传感器就不如压力传感器敏感。

传统的单通道或双通道FES只能刺激一组或两组肌群收缩，产生单方向、单关节的活动，所以其应用大多局限于在手部运动时刺激指伸肌、指屈肌及在步行中刺激腓总神经。但是人体的多数运动都是极其复杂的协调运动，需要多肌群、多关节的协调参与，多通道FES的出现将FES的应用范围进一步扩大，其可以刺激多组肌群、产生多关节的活动。多通道FES更加符合功能性活动的要求，能更好地诱导脑功能重组，有利于恢复肌群之间的运动协调性及运动控制能力。

多通道FES通过预先设置的程序实现对各输出通道的控制，在运动过程中，对各输出通道独立控制，各通道的刺激参数（频率、强度、时间等）各自可调，通道之间相互独立，可以根据具体刺激肌肉的肌力和肌张力情况设置电流的大小。治疗时，各通道按照功能性活动中肌群收缩时序刺激肌肉收缩，肢体产生正常的运动，达到功能性活动的目的。更智能的FES设备还能根据患者运动输出情况动态调整刺激参数，以达到最佳治疗效果。

目前多通道FES主要有两种：多通道辅助步行FES、FES踏车系统。

多通道辅助步行FES是基于正常人体行走时序的智能化、多通道FES治疗仪（图3-21），该类治疗仪采用多通道、非同步的刺激方式按正常行走的时序依次刺激股四头肌产生伸膝、刺激腘绳肌产生屈膝、刺激胫前肌产生踝背屈、刺激小腿三头肌产生踝跖屈（图3-22），使瘫痪下肢产生行走动作，辅助患者站立和行走。其采用足底触发开关启动刺激，以足跟离地启动刺激周期，足跟着地结束刺激，从而使刺激周期和患者的步行周期保持一致。其在行走的功能位上调控治疗仪的起始时相，使治疗仪适用于不同个体。而脊髓损伤患者根据实际的功能状况，还可增加臀中肌、腰背肌电刺激，以辅助患者保持躯干稳定和完成髋关节活动。多通道辅助步行FES适用于脑卒中和T ₄～T ₁₂脊髓损伤患者。

FES踏车系统的机制和多通道辅助步行FES类似，不同点在于它是在双下肢完成圆周踏车运动的过程中，按肌群收缩的时序程序化刺激股四头肌、臀肌、腘绳肌、胫前肌、小腿三头肌等肌肉，以辅助双下肢完成正常的踏车圆周运动，实现下肢的周期性运动（图3-23）。此外，FES踏车系统还包括上肢FES踏车系统（图3-24）。

FES踏车系统由刺激器、机械装置、控制器、表面电极等几部分组成。机械装置多为功率车形式，也有在室外使用的三轮车，有效帮助患者舒适轻松地实现类似蹬车运动的腿部屈伸动作。控制器是系统的核心部分，可根据患者的动态输出情况，调整电刺激强度以及各组肌群刺激的顺序，使患者的多个肌群能够协调地实现有力的蹬踏运动。控制器里的信号采集设备主要用来获取系统的输出（如速度、功率等），以及用于控制器参数的设定与调整。

同NMES疗法。

患者王某，男，65岁，“左侧肢体活动不利3个月余”入院，头颅CT示右侧额顶叶多发散在脑梗死灶。

脑梗死。

左侧下肢BrunnstromⅣ期，Fugl-Meyer下肢运动功能评分15分/34分；左侧伸膝肌群肌张力1级，左侧小腿三头肌肌张力1+级；站位平衡Ⅲ级，但站立时左侧下肢负重减小，重心偏向健侧。行走时，左侧下肢支撑相缩短，摆动相时膝关节不能屈曲，且伴有足下垂。

①左侧偏瘫；②左侧下肢肌张力增高；③左侧足下垂；④步态异常。

①改善左侧足下垂；②纠正步态。

该患者除足下垂外，在步行中还伴有摆动相膝关节屈曲不足、患侧支撑相缩短等问题，因此在常规康复训练的基础上可以考虑进行基于正常人体行走时序的智能化、多通道FES治疗仪辅助患者改善步态。治疗时四对电极分别置于胫前肌、股四头肌、腘绳肌和小腿三头肌的运动点上，按照正常行走时各肌肉的收缩时序进行电刺激，辅助患者完成行走过程中患侧膝关节和踝关节的活动。治疗时为了诱发充分的肌肉收缩，刺激的波形可使用方波，刺激参数设置为频率为30～50Hz，脉宽200μs，通电/断电比5s/5s，强度0～90mA可调。治疗每天进行l～2次，30min/次。随着治疗次数的增多和患者耐受程度的提高可逐渐延长治疗时间至60min/次。