التنبيه الكهربائي الوظيفي

رشا مسعود

التنبيه الكهربائي الوظيفي Functional Electrical Stimulation (FES) هو تقنية لإعادة التأهيل، يجري فيها تطبيق توترات وتيارات كهربائية منخفضة على الشخص لتحسين عمل عضو من أعضائه أو استعادة الوظيفة المفقودة بسبب الإصابة أو المرض. يمكن عموماً أن تهدف تقنيات التنبيه الكهربائي الوظيفي إلى استعادة حاسة السمع عند الصم أو البصر عند العمي أو إحباط نوبة الصرع أو الرعاش في داء باركنسون. وتُعدّ معظم أجهزة التنبيه الكهربائي الوظيفي وأنظمته جزءاً من المعوّضات العصبية؛ لأنها تقوم بتنبيه النسيج العصبي بغرض استعادة وظيفة ما. كما يستخدم مصطلح  التنبيه العصبي (العضلي) الوظيفي Functional Nerve Stimulation (FNS) لوصف تقنيات التنبيه الكهربائي الوظيفي المطبقة على النظام العصبي العضلي لتحسين نوعية الحياة عند الأشخاص المصابين بالسكتة القلبية أو الإصابة في الحبل الشوكي أو أي حالات عصبية أخرى تؤدي إلى شلل الوظيفة الحركية (القدرة على التنفس والحركة). ويُعدّ كلا مصطلحي الـ FES والـ FNS مترادفين تقريباً.

وتُعدّ تقنية التنبيه الكهربائي العلاجي Treatment Electrical Stimulation (TES) من التقنيات المرتبطة بالـ FES؛ حيث يجري تطبيق تنبيه كهربائي للمساعدة على التئام النسج وشفائها (تقوية العضلات وتكييفها والتئام الجرح). بيد أن معظم تقنيات الFES  وال  FNS تعتمد على هذه التأثيرات العلاجية حتى تتمكن من استعادة الوظيفة المفقودة بنجاح.

المبادئ التشريحية والفيزيولوجية للتنبيه الكهربائي الوظيفي

يفعّل التنبيه الكهربائي الأعصاب (الألياف العصبية أو بالقرب من الوصل العصبي العضلي) بدلاً من العضلات؛ لأن كمية التيار اللازمة لتوليد كمون الفعل في العصب أصغر بكثير من تلك اللازمة للعضلات، ويظهر ذلك جلياً في منحني العلاقة بين الشدة والزمن لكل من العصب والألياف العضلية (الشكل 1). وليكون التنبيه الكهربائي فعّالاً؛ يجب أن يكون التعصيب المحيطي من الحبل الشوكي إلى العضلة سليماً، وكذلك الوصل العصبي العضلي، والعضلة.

الشكل (1) منحني شدة الإثارة الكهربائية – مدة النبضة للعصب والعضلة.

تستخدم النبضات الكهربائية لتوليد كمون الفعل في الأعصاب، وتتحدد استجابة العصبونات المنبهة بـما يلي:

-       التنبيه الكهربائي المطبق: يتعلق بمطال التيار لنبضة التنبيه وعرض هذه النبضة (فترة تطبيق التيار)، ونوع الأقطاب المستخدمة لإيصال التنبيه الكهربائي، فعند استخدام الأقطاب السطحية لا يمكن تنبيه العضلات العميقة.

-       خصائص العصبون: يتعلق بحجم العصبون وخصائصه الكهربائية، وموقعه بالنسبة إلى الأقطاب، ونوع هذه الأقطاب. فعند تطبيق نبضات كهربائية منخفضة الشدة تستجيب العصبونات الكبيرة ذات عتبة التنبيه المنخفضة والقريبة من مكان الأقطاب، وتثار العصبونات الصغيرة ذات عتبات التنبيه العليا والعصبونات التي تقع بعيداً عن الأقطاب مع زيادة شدة النبضات.

مكوّنات أجهزة التنبيه الكهربائي الوظيفي

تنوعت تصاميم أجهزة التنبيه FES اعتماداً على التطبيق الطبي الذي تتعامل معه؛ إلا أن جميع الأنظمة التي جرى تطويرها لها خصائص محددة ومشتركة في تصميم معياري موجه للحصول على أكبر فائدة وظيفية. ويظهر الشكل (2) المكونات الأساسية لاستعادة الوظيفة الحركية المفقودة بمساعدة تقنية التنبيه FES. يبدأ عمل النظام بقرار المريض بالحركة والذي يتمثل بإشارة تتلقاها واجهة الأوامر، تعمل واجهة الأوامر على إرسال جميع المعلومات المتعلقة بالحركة المطلوبة إلى المتحكم، يحدد المتحكم مواصفات نبضات التنبيه اللازمة للحركة، ويرسلها إلى المحفز (مولد النبضات)؛ ليولد قطاراً من النبضات الكهربائية، ويرسلها بدوره إلى الأقطاب التي توصلها إلى الأنسجة المراد إثارتها، فتتقلص العضلات، وتتحرك المفاصل، لتقوم الحساسات بجمع المعلومات حول حالة الجسم الجديدة، وترسلها إلى واجهة الأوامر.

الشكل (2) مكونات نظام FES لاستعادة الحركة.

يتألف نظام التنبيه FES  من المكونات التالية:

         ‌أ-         الحساسات أو المجسات sensors: وظيفتها تجميع المعلومات المتعلقة بحالة النظام. ويتعلق تحديد نوع الحساسات بنوع الإشارة التحكمية، فقد تكون أقطاباً لاقتباس الإشارات الحيوية للعضلات أو الأعصاب أو للدماغ، أو مقاومات حساسة للقوى توضع في باطن نعل الحذاء لقياس قوى رد فعل الأرض، أو مقاييس زوايا المفاصل، أو حساسات ضغط أو حتى مفاتيح تشغيل.

      ‌ب-      الأقطاب electrodes: تستخدم في تطبيق التنبيه الكهربائي أو نقله إلى الألياف العصبية للعضلات المراد تنبيهها، وهناك كثير من التصاميم المختلفة للأقطاب التي تستخدم في التنبيه الكهربائي الوظيفي، وهي: الأقطاب السطحية surface electrodes، وتوضع على سطح الجلد والأقطاب المزروعة حول الأعصاب cuff electrodes والأقطاب الإبرية percutaneous electrodes التي تخترق سطح الجلد، وعند اختيار الأقطاب يجب مراعاة الخصائص الميكانيكية والكهركيميائية والعوامل الجراحية والتشريحية واعتبارات الاستخدام الطويل الأمد وقضايا التعرض للخطر أمام الكلفة. إن الوظيفة الرئيسية لأقطاب التنبيه الكهربائي الوظيفي هي تحويل التيار الإلكتروني في أسلاك التوصيل إلى تيار إيوني (شاردي) في الأنسجة الحيوية من دون توليد أي شوارد مسمّمة عند منطقة التصاق القطب بالنسيج الحيوي.

       ‌ج-     المحفز أو المنبه stimulator: مسؤول عن توليد نبضات التنبيه الكهربائي حسب المواصفات التي يحددها المتحكم.

        ‌د-    واجهة الأوامر: وهي الوحدة التي تظهر قيم التحكم ومحدداته وحالة الحركة لدى المريض، وهي تمثل نظام الإحساس الذي يفسر الإشارات المولدة بوساطة المستخدم والملتقطة عبر الحساسات لتشغيل المعوض العصبي الحركي، ويتحدد تصميم واجهة الربط اعتماداً على نوع إشارة التحكم المستخدمة.

       ‌ه-       المتحكم: العنصر الرئيسي في الجهاز؛ فمن خلال تحديد أسلوب التحكم تتحدد الحساسات والأقطاب وأنماط نبضات التنبيه المستخدمة في تحريك العضلات، ويعمل على معالجة إشارات الحساسات والاستفادة منها في اختيار أنماط التنبيه المناسبة.

إشارة التنبيه الكهربائي الوظيفي

تستخدم أجهزة التنبيه FES الإشارات الكهربائية لإحداث تقلص عضلي لإنجاز الوظيفة المطلوبة، وتوصف هذه الإشارات اعتماداً على الشكل الموجي، والتردد (التواتر)، والمطال وعرض النبضة؛ إضافة إلى أنماط التنبيه، وتُعدّ هذه الخصائص المفاهيم الأساسية في عملية تطوير أي جهاز FES. يوضح الشكل (3) رسماً يلخص الأشكال الموجية المستخدمة في تطبيقات التنبيه الكهربائي، وهذه الأشكال الموجية هي:

     ‌أ-   التيار المستمر direct current: يستخدم لزيادة التروية الدموية ومعالجة الألم العصبي، ولا يستخدم في تنشيط التقلصات العضلية؛ لأنه يولد نفضات عضلية مع بداية موجة التيار ونهايتها فقط.

   ‌ب- التيار المتناوب alternating current: يُعدّ التنبيه الجيبي المنخفض التردد الأكثر فعالية في تنشيط العضلات الفاقدة التعصيب.

 ج-  التيار النبضي الشكل pulse shaped current: يقدم نبضات كهربائية متقطعة للحصول على موجة وعرض نبضة ومطال وتردد معلومين. يستخدم استخداماً فعالاً في تطبيقات FES العملية، مثل برامج تنبيه العصب كهربائياً عبر الجلد لتنظيم الألم، ولتقوية العضلات، ومن الشائع فيها استخدام شكل النبضة المستطيلة. ويمكن توليد هذه النبضات بتركيبات مختلفة، وهي:

-  نبضات التنبيه أحادية الطور monophasic stimulation pulses: وتستخدم في التطبيقات العلاجية قصيرة الأمد؛ لأنها قد تسبب أضراراً للأقطاب والنسيج المثار عند استخدامها لفترات طويلة.

- نبضات التنبيه ثنائية الطور biphasic stimulation pulses: يفضل استخدامها في غالبية تطبيقات FES وخصوصاً عند الاستخدام لفترات طويلة الأمد.

- نبضات التنبيه المتناوبة الهجينة: فيها تتناوب الشحنات الموجبة والسالبة بعد كل فترة زمنية محددة، ويقترن فيها أكثر من نوع من الأمواج النبضية. وتستخدم هذه النبضات في تطبيقات FES بحسب الوظيفة التي طُوِّرت لتحسين أدائها بطريقة احترافية.

الشكل (3) الأشكال الموجية الأساسية المستخدمة في التنبيه الكهربائي الوظيفي.

 محددات موجة التنبيه

تعرف شدة التنبيه بأنها تابع للشحنة الكلية المنتقلة إلى العضلة، وتعتمد على مطال قطار النبضات المستخدم في التنبيه وعرضه وتردّده وشكله؛ ومن ثمّ يجب أخذ هذه المحددات في الحسبان؛ لأنها ضرورية لإنتاج استجابة عضلية فعالة. يجري التحكم بالمحددات التالية:

         ‌أ-  التردد frequency: يعرف تردد النبضة بأنه المعدل الذي يجري عنده قدح نبضات التنبيه، ويمكن التحكم بقوة العضلة الناتجة من خلال تعديل تردد التنبيه، وقد وجد أن التردد ضمن المجال 20-40 Hz  لا يسبب أي أضرار عصبية واضحة.

      ‌ب- المطال amplitude: يمكن تعديل مطال نبضات التنبيه الكهربائي للتحكم بقوة العضلة. ويجب أن يتجاوز مطال نبضة التنبيه على الأقل عتبة النسيج المثار لإحداث كمون فعل. وحددت الدراسات المجال الأمثل لمطال التنبيه بالمجال 80-120 MA  لإحداث تنبيه سطحي يوفر أعلى تقلص فعال وغير مؤذٍ في حالة مطال تنبيه ثابت وعرض نبضة متغير.

       ‌ج-   مدة النبضة pulse duration: عادة ما تكون قيم عرض النبضة ضمن المجال الوسطي  200-400 µs، وتكون القيم العليا غير مريحة.

فوائد التنبيه الكهربائي الوظيفي في المجال الطبي

هناك ثلاثة أهداف رئيسة لاستخدام التنبيه الكهربائي في المجال الطبي، وهي: المساعدة على التشخيص، والعلاج، واستعادة الوظائف المفقودة. ويبين الشكل (4) فوائد التنبيه الكهربائي.

         ‌أ-   التنبيه الكهربائي التشخيصي: تستخدم تقنية تنبيه العصب والدماغ التشخيصي في الفيزيولوجيا العصبية السريرية للمساعدة على تقييم المريض واختياره. بيد أن الفوائد التشخيصية لهذه التقنية تنحصر في تحديد مدى ملاءَمة المريض، ولا تحقق شمولية التشخيص. لذلك تُعدّ تقنية FES  إجرائية تأهيلية يكون فيها التشخيص معروفاً سلفاً.

      ‌ب-   التنبيه الكهربائي العلاجي TES : له فوائد علاجية مكفولة، وعادة ما يجري تحت إشراف طبي. ومن أهم فوائده أنه يحسن التوتر العضلي ويزيد حجم العضلة ويقويها، ويقلل من فرط التشنج العضلي، ويحسن من تدفق الدم داخل الطرف، ويقلل من ترقق العظام (الناجم عن الشلل)، ويحافظ على استخدام المفاصل والأربطة وطاقة العضلة الطبيعية، كما أنه يقلل من فرصة تطور التقرحات الناجمة عن الضغط والاضطرابات الوعائية القلبية. ويختلف التنبيه TES عن تنبيه الأعصاب الكهربائي عبر الجلد Transcutaneous Electrical Nerve Stimulation (TENS) الذي يتم عن طريق أقطاب (إلكترودات) إبرية تخترق الجلد بهدف تسكين الألم.

       ‌ج-       التنبيه الكهربائي الوظيفي FES: يهدف إلى توليد حركات ووظائف تحاكي الحركات الإرادية الطبيعية؛ ومن ثمّ يقوم باستعادة تلك الوظائف التي تحققها هذه الحركات.  كما يمكن تقسيم التنبيه الكهربائي الوظيفي ثلاثة أنواع بحسب الهدف منها: استرجاع وظائف الحاسة (سمع، بصر) واسترجاع الوظائف الحركية الهيكلية واسترجاع الوظائف الذاتية (اللاإرادية)، وهناك نوع رابع لاستعادة الوظائف الإدراكية (المعرفة) أو الفيزيولوجية؛ كالتي تستعمل في التنبيه للمشي وتحسين التركيز والذاكرة وفق بروتوكولات معينة ومازالت الأبحاث مستمرة في هذا الاتجاه.

الشكل (4) فوائد التنبيه الكهربائي.

تطبيقات التنبيه الكهربائي الوظيفي

يجب أن تكون أجهزة FES محمولة ومتناسقة وسهلة التطبيق على المرضى. ومن المشاكل المرتبطة بهذه التقنية صعوبة نقل تيار التنبيه الصحيح إلى العضلة المطلوبة. وهذا يتطلب تصميماً دقيقاً لدارة التنبيه والأقطاب. تشمل تطبيقات FES:

‌أ-   استعادة الوظيفة الحركية الإرادية مع استخدامه للتنبيه في حالة تقوية العضلات.

‌ب-   معوضاً جزئيّاً أو كليّاً لوظيفة مفقودة مثل:

-       تنبيه عضلة الحجاب الحاجز للمرضى المصابين بنقص تهوية مركزي المنشأ أو الذين لديهم إصابة في العمود الفقري، ودعم عملية التنفس بتنظيم حركة الحجاب الحاجز دورياً.

-       تنبيه عضلات الطرف السفلي بهدف المساعدة على الوقوف والمشي للمصابين بالشلل النصفي.

-       تنبيه عضلات الطرف العلوي لفتح اليد وإغلاقها بهدفالإمساك بالأشياء. ويبين الشكل (5) أحد هذه الأجهزة وهو جهاز Bioness H200 المستخدم لهذا الغرض.  

الشكل (5) جهاز Bioness H200.

-     التنبيه العصبي لجذور الأعصاب العجزية لتحقيق حبس البول وإفراغ المثانة.

-     معالجة هبوط القدم: يستخدم التنبيه الكهربائي الوظيفي بديلاً من استخدام الأجهزة التقويمية للكاحل والقدم Ankle-Foot Orthosis (AFO). ومن فوائد هذا الجهاز أن مستخدمه يمكنه المشي بسرعات مختلفة، ويتصل الجهاز بحساس يوضع داخل الحذاء يفعّل التنبيه أو يوقفه (الشكل 6).

الشكل (6) جهاز لمعالجة هبوط القدم WalkAide.

-     تنبيه معلاق العضلة الناحلة عند مرضى السلس المستقيمي الشرجي.

-   نواظم الخطا القلبية  cardiac pacemakerلتنبيه قلب الإنسان، وقد أثبتت هذه النواظم وثوقية الأدوات الإلكترونية الحديثة في تحسين نوعية الحياة. ويبين الشكل (7) ناظم خطا قلبي مزروع.

الشكل (7) ناظم الخطا القلبي المزروع.

-     التنبيه الكهربائي للعصب السمعي (زراعة الحلزون)، ويستخدم لمرضى الصمم الحسي العصبي (الشكل8).

الشكل (8) حلزون قابل للزرع.

-       منبه القشرة البصرية: يمكن استخدام التحفيز الكهربائي الوظيفي (FES) لتحفيز القشرة البصرية لتحسين الرؤية أو توليد ومضات ضوئية اصطناعية.يمكن تطبيقه بشكل غير جراحي على فروة الرأس أو جراحياً عبر أقطاب كهربائية مزروعة. تُظهر الأبحاث أن التحفيز غير الجراحي يُحسّن حدة البصر بشكل فوري، وتهدف الأنظمة القابلة للزرع إلى خلق رؤية اصطناعية للمكفوفين.

الشكل (9) مبدأ عمل منبه القشرة البصرية.

‌ج-       تقليل مستوى الاعتلال الحركي (الرعاش لدى مرضى باركنسون) أو تحسين الحالة النفسية للمريض (الاكتئاب) أو تخفيف الألم:

-       منبه الحبل الشوكي (لتخفيف الألم).

-       منبه المخيخ (الشناج والصرع).

-       منبه العصب المبهم (الصرع): يتحكم الجهاز بنوبة الصرع عن طريق إرسال نبضات كهربائية إلى العصب المبهم.

-       تنبيه الدماغ العميق Deep Brain Stimulation (DBS) لمعالجة أعراض داء باركنسون، (الشكل 10).

-       التنبيه المستمر للسبيل المعدي المعوي يمكن أن يكون فعالاً في معالجة السمنة.

الشكل (10) تنبيه الدماغ لمعالجة أعراض داء باركنسون.

الآفاق المستقبلية

تُعدّ نواظم الخطا القلبية تطبيقات ناجحة جداً ومنقذة للحياة، كما انتشرت زراعة الحلزون وأجهزة التحكم بالمثانة انتشاراً واسعاً، وتطورت سريعاً. بيد أن أجهزة التنبيه الكهربائي الوظيفي الأخرى ليست على السوية نفسها من النجاح، وهي بطيئة التطور، فهناك بعض الأجهزة المتطورة مثل أجهزة هبوط القدم وأجهزة تنبيه الطرف العلوي؛ إلا أن عدد المرضى المنتفعين بهذه الأجهزة قليل نسبياً، وعلى الرغم من العدد الكبير لفاقدي البصر، فإنّ الفوائد السريرية لتنبيه القشرة البصرية مازال قيد الدراسة، وهناك بعض التطبيقات في المراحل الأولى من عملية التطوير، وبعضها الآخر يعاني مشاكل تحكمية معقدة كأجهزة تنبيه الأطراف السفلية عند مصابي الحبل الشوكي. لكل هذه الأسباب ما يزال التنبيه الكهربائي الوظيفي مجالاً خصباً لإجراء البحوث وتطوير التقنيات والأجهزة الهادفة إلى تحسين نوعية الحياة.