非对称随机高频脉冲簇刺激延缓近端神经电刺激引发的肌肉疲劳

为解决高频电刺激引发的肌肉同步激活和疼痛问题，西安交通大学团队开发了新型非对称随机高频脉冲簇(aSymR)刺激模式。研究表明，相比传统对称(Sym)模式，aSymR能显著降低60%的肌肉疲劳率，延长60%-peak period达3.6倍，同时使疼痛评分降低42%。该研究为中风患者运动功能康复提供了更优的神经肌肉电刺激(NMES)方案。

　　

在脑卒中康复领域，上肢运动功能障碍是最常见的后遗症之一，严重影响患者生活质量。传统神经肌肉电刺激(NMES)技术虽然能诱导肌肉收缩，但由于采用数百微秒的宽脉冲刺激，会导致运动单元(MUs)同步激活，引发快速肌肉疲劳。更棘手的是，现有高频脉冲簇(Sym)刺激虽能缓解疲劳，却会加剧疼痛感，严重制约临床转化。这些矛盾现象促使研究者思考：能否开发出既能延缓疲劳又能减轻疼痛的新型电刺激模式？

西安交通大学的研究团队创新性地提出了非对称随机高频脉冲簇(aSymR)刺激方案。这项发表在《Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation》的研究，通过16名健康受试者的对照实验和计算机模拟，证实aSymR刺激可使肌肉力量衰减率降低60%，最终输出力量提高35%，同时将疼痛评分从4.13±0.89降至2.38±0.74。更关键的是，通过建立包含皮肤、脂肪、肌肉等多层组织的上肢有限元模型，结合哺乳动物有髓神经纤维的双电缆模型(MRG)，首次揭示了随机脉冲振幅能延长不同直径轴突的激活时间差达3.2倍，从而实现了更接近生理状态的异步激活模式。

研究采用了几项关键技术：1）高密度表面肌电(HD-EMG)阵列监测128通道肌肉活动；2）LOESS平滑算法处理手指屈肌力量数据；3）基于COMSOL的上臂同心圆柱模型模拟电场分布；4）NEURON平台实现MRG轴突模型仿真。所有实验均通过西安交通大学医学院伦理审查(2021-1550)。

【实验结果】

1. 收缩力量：在匹配初始力量(30% MVC)条件下，aSymR组的平台力量(F_p)较Sym组提高21.5%，绝对力量衰减(F_d)降低38.7%，60%-peak period延长至156.4±24.3秒。

2. 肌电活动：刺激初期aSymR组的峰峰值EMG幅度降低23.4%，表明运动单元激活更分散；后期EMG幅度反超Sym组31.2%，显示更强的持续激活能力。

3. 疼痛评估：尽管正相脉冲数增加15%，但aSymR的NRS疼痛评分显著降低42%，归因于负相脉冲幅度降至0.1mA以下。

4. 模拟结果：300条运动纤维的激活时间延迟在aSymR模式下扩展至1.2-4.8ms范围，而Sym组仅集中在1.5-2.1ms，证实随机振幅能有效分散轴突激活。

【结论与意义】
该研究突破性地解决了高频电刺激中疲劳与疼痛不可兼得的难题。通过将正相脉冲振幅随机化(变异系数15%)与负相脉冲宽度扩展(占空比83%)相结合，aSymR刺激创造了三个临床优势：1）使4-16μm直径的轴突激活时间差扩大2.3倍，模拟生理性异步激活；2）在保持30% MVC力量下，使5分钟刺激的总力量-时间积分提升28%；3）为穿戴式刺激设备开发提供了低电流(3mA)解决方案。这些发现不仅为中风康复提供了新思路，其"子阈值累积激活"机制更为深部脑刺激等领域提供了技术借鉴。未来研究将探索不同收缩强度下的抗疲劳效果，并开发基于个体化神经解剖的精准刺激方案。