神経因性疼痛、痙縮の管理のための呼吸制御型電気刺激（BreEStim）

Summary

目的は、神経因性疼痛、痙縮の管理を行うための新しい方法、呼吸制御電気刺激（BreEStim）を提示することである。

Abstract

電気刺激（ESTIM）は、機能的な治療目標を達成するために、筋肉や神経への電流のアプリケーションを指します。これは、広く様々な臨床現場で使用されてきました。自発呼吸と自発呼吸時に、システム間の本質的な生理作用の全身への影響に関連する最近の発見に基づいて、新しいESTIMプロトコル、呼吸制御型電気刺激（BreEStim）は、電気刺激の効果を増強するために開発されました。 BreEStimでは、単一パルス電気刺激がトリガーされて、隔離された自主的なインスピレーションの風量がしきい値に達した目標領域に送達。 BreEStimは自発的呼吸時に活性化され、優れた臨床効果を実証した本質的な生理学的な相互作用を統合しています。 BreEStimの二つの代表的なアプリケーションの詳細なプロトコルで報告されています：脳卒中後の指フレックスの管理脊髄損傷におけるまたは痙縮及び神経因性疼痛。

Introduction

電気刺激（ESTIM）は、機能的な治療目標を達成するために、筋肉や神経への電流のアプリケーションを指します。それは広範囲の痛みの管理^1、下垂足^2、麻痺したり弱体化筋肉³の活性化と強化のための神経筋電気刺激（NMES）の腓骨神経刺激のための例えば 、経皮的電気神経刺激（TENS）は、種々の臨床の場で使用されてきました。 NMESが機能タスクを達成するために使用されるとき、それは機能的電気刺激^（FES）4と呼ばれる。筋電図（EMG）·トリガー神経筋刺激が運動回復^5-14およびストローク^7,15後の痙性の減少で電気刺激の有効性を強化するために使用されています。本論文では、新しいESTIMプロトコル - 呼吸制御型電気刺激（BreEStim）は、systemiに関する最近の研究結果によると、導入され自発呼吸^16、17のc効果。

経皮的電気神経刺激（TENS）は、疼痛管理¹の非薬理学的検査法の一つである。 TENSは、非侵襲的に安価で、安全で^、18を使用^して容易である。 TENSは通常、所定の処理時間のために様々な周波数、強度、そして刺激のパルス持続時間で適用されます。 TENSは神経因性疼痛を含む、痛みの様々な条件に適用されている。 TENSの臨床効果は、特に脊髄損傷（SCI）と切断（口コミ数^{：1、19、20を}参照）で、物議を醸している。可能なメカニズムは、ゲート制御理論²¹および内因性オピオイド^22,23のリリースです。伝統的な中国医学の鍼治療は、疼痛管理のための別の非薬理学的な様式である。これはよく西洋医学²⁴で受け入れられている。近代的な鍼治療では、伝統的な鍼治療の針は表面エレメントに置き換えられましたctrode（または同等品）。特殊な電極は、伝統的なツボの上の場所であり、電気的な刺激が配信されます。この変更は、電気鍼療法^25、26と呼ばれている。針鍼と電気鍼療法は、内因性オピオイドの放出^27、28を介して両方の鎮痛に有効である。電気鍼療法の効果は、通常、信頼性の高いですが、効果は、供給される電気刺激の強さと周波数に依存します。電気刺激の異なる周波数が異なる内因性オピオイドを生成し、鎮痛効果はナロキソン可逆^26、27です。最近では、反復的な痛み刺激（嫌悪）が有意な痛みの減衰につながることが分かっている。誘発される痛みの減衰は²⁹ナロキソン可逆的ではない。可能な新たな介入にメカニズム（鍼、電気刺激、嫌悪）対処これらの痛みを統合することにより、その臨床的有効性を向上させることができます。

5-10指拡張機能障害^{、12から14まで、34}の脳卒中後の運動回復を容易にするために長年使用されている。手の機能の回復は、脳卒中患者のために重要であり、まだ非常に困難です。大体脳卒中を経験するすべての人々の3分の1は、手の機能³³の主要な障害を持つ、上肢^{30から32まで}のいくつかの残留障害を持つことになります。筋活動がしきい値レベルに達するまで、EMG-トリガーNMES介入プロトコルは、特定の運動のための伸筋の随意収縮の開始を含む。 EMG活動がターゲットしきい値に達するとすぐに、補助電気刺激は動きを容易にするために開始されます。この介入プロトコルは運動回復^6,7の正規NMESに優れています。チェヨン、ユ^35はすべてのランダム化研究は、この介入を用いた運動機能の改善を報告したと述べているほとんど改善適度に障害のある患者に軽度のプロトコル。それは、この介入は、患者（目標EMGのしきい値を設定することによって）とリカバリにおける測定可能な変化だけでなく、皮質^6,7で文書化された変更は、この結果の積極的な関与を活用している可能性が高いです。これは、コントロール群³⁶と比較して、NMES群における治療後の同側の大脳皮質体性感覚野における皮質強度の有意な増加を示した最近の機能的MRI研究によってサポートされています。さらに、電気刺激はまた、脳卒中^7,15後にけいれんを軽減するのに役立つかもしれませんが、効果はESTIM ³⁷後の約³⁰分間、短い持続する。これとは対照的に、呼吸制御された電気刺激の我々の最近の発明（BreEStim）があっても治療¹⁶の単一のセッションの後、痙性削減に長続きする効果を持っています。

人間の呼吸は非常にユニークな運動行為です。それ必要なときに自発的に、また睡眠中に、 例えば 、（自動呼吸）反射的に制御することができ、（自発呼吸） などが 、歌、スピーチなど自主的な呼吸の間に、人間は自主的自発的な皮質の活性化を介して呼吸の自律制御を抑止する必要があります（ "皮質呼吸中枢^{"）38、39。}脳イメージング研究では^{、40から51は、}一次運動野（M1）は、運動前野、補足運動野、一次および二次体性感覚野、島、前帯状皮質を含む両側皮質領域の広範な呼吸器関連の関与を明らかにしたと扁桃体と、背外側前頭前皮質。島は、センターを脳幹で強いコネクションを持っていることが知られており、痛みの処理⁵²に参加しています。有効期限がパッシブながら自律呼吸の間、インスピレーションは主に胸壁の反動力に頼って、アクティブになっています。同様に、意志インスピレーションは、意志の有効期限⁴⁶に比べて呼吸関連皮質と皮質下の領域をアクティブにします。自発呼吸時に活性化これらの皮質と皮質下の領域はまた別の機能に関与している筋肉の緊張、痛み、姿勢、気分、スピーチなどのような^、53ので、他の機能の変調と呼吸の相互作用を関連付けるために不合理なことではありません。

最近、我々は自発的呼吸中の呼吸と運動系の間の相互作用が存在することを発見した。具体的には、指拡張·インスピレーション·カップリング^{16、54から56が}あります。電気刺激が自発的呼吸の吸気相中に手指伸筋に配信されると、慢性期脳卒中患者における手指屈筋の痙縮（筋緊張）の削減の長期的な効果は^、16を観察する。上記-KNと患者に幻肢痛を撮影した別の研究¹⁷では、eeの切断はBreEStim処理後に姿を消したが、誤って持続的電気刺激を受けた後²⁸日後に再登場。このケーススタディでは、神経因性疼痛（撮影ファントムの痛み）の侵害刺激の情動的要素が偶発的刺激によって再トリガその後BreEStim処理によって変更されたが、されていることを理解するためのユニークな機会を提供しています。トーンや痛みの軽減これらの観​​察結果は、自主的な呼吸、特にインスピレーションは、神経因性疼痛の管理や脳卒中後の痙縮の管理でその有効性を改善するために電気刺激パラダイムに組み込むことができることを実証しました。

ケースプレゼンテーション

ケース1：脳卒中後痙性管理

患者は脳梗塞22ヶ月前に続発右片麻痺を持っていた69歳の男性でした。彼は医学的に安定しており、外来患者の物理的およびoccuから排出されていたpational療法プログラム。無脳機能イメージングの結果は、実験時に入手できなかった。彼は右側の弱点を持っていたが、補助器具なしで自力で歩くことができました。彼は残留自主指の屈曲と伸展していたが、十分に機能的な使用のために彼の手と指を開くことが90°からのMCP屈曲70°に彼の右中手指節（MCP）関節の動きの制限されたアクティブな範囲、 すなわち 、持つことができません。彼の右手の指の屈筋の筋緊張が適度に増加した。修正されたアシュワーススケール（MAS）は1 +であった。彼の右の手や指の感覚は、しかし、軽いタッチに無傷であった。彼は指伸筋へ約30分BreEStimを受け取った。彼の指の屈筋の痙性は最小に減少（MAS = 0）と自主的な指の拡張子は、処理直後はほぼ正常になりました。この患者は、同様に彼の手の機能を回復した。彼は障害手を使ってナイフやボタンシャツと肉を切ることができることを報告した。モールeが著しく、復旧がフォローアップ訪問（ 図1）の間に、少なくとも8週間を保持した。

ケース2：神経因性疼痛管理

患者はT8アジア脊髄損傷で、その結果、自動車事故で4.5年前に脊髄損傷を負った40歳の男性でした。彼は他にアクティブな医療問題を有していなかった患者が、傷害レベルで神経因性疼痛を訴えた。彼は治療の前に2週間の痛み政権に安定していた。彼は最初の（5日間連続ごとに1つのセッション）ESTIMを受け、ウォッシュアウトとして1週間待ってから、同じ用量（5日間連続ごとに1つのセッション）でBreEStimを受け取った。各治療セッションは120刺激（ESTIMまたはBreEStim）から成っていた。表面電極は右前腕のツボ（NeiguanとWeiguan）に置いた。修正された視覚的アナログ尺度（mVAS）を各介入（ESTIMとBreEStim）の効果を比較するために使用された。笙など図2のwnは、BreEStimは、患者が正常に抗生物質で治療した尿路感染症（UTI）を有していたBreEStim中の2日目を除いて、ESTIMより大きい苦痛の削減効果がありました。電気刺激の強度はESTIMとBreEStim（ 図2）の間で類似していた。彼はUTIの間に、（刺激から最大出力強度が使用された）だけでなく、両方の介入を容認。全体の実験期間（4週間）の間に、被験者は、同じ用量および鎮痛薬のスケジュールを維持した。 BreEStimとESTIM治療セッションの両方が一日の同じ時間（11間の正午まで）で実施した、痛みの評価になるような変化はおそらく刺激効果と昼行ではない変化に起因する可能性がある。

Protocol

以下BreEStimプロトコルは指屈筋痙縮、神経因性疼痛管理の両方に適用することができる。主な違いは、表面電極の配置と刺激強度の調整にある。これらの違いは、アプリケーションごとに詳細に説明されている。

1。件名準備と設定

1. 快適座席件名を。治療台に楽に腕や手を置きます。
2. 表面電極の配置のための関心領域を特定し、ローカライズします。
   1. 痙性管理のために、手指伸筋の筋腹を触診し、電気刺激で確定します。
   2. 疼痛管理のために、 例えば 、複数の症状でSCIを鍼興味のある側と同側の前腕²⁴でNeiguanとWeiguanの点、 例えば 、切断^17、または側面を見つけます。 Neiguanは掌側の手首のしわ上記の3本指幅約位置しています前腕の内側と外側のボード間の真ん中で、d（ すなわち 、前腕の1月6日遠位^）24（ 図3）。 Weiguanは前腕²⁴の背側面に位置Neiguanのカウンターパートである。
3. 焦点と分離電気的な刺激を提供するために、約2cm X 2cm角にそれぞれの自己接着電極をトリムします。
   1. 痙性管理のために、指伸筋腹（ 図4）を介して陰極を配置します。カソードへ〜2センチメートル遠サイト1に陽極を取り付けます。最小限の手首応答で最大かつ孤立指拡張応答を誘発するとき、アノードとカソードのためのサイトを最適化します。
   2. 疼痛管理のために、Neiguan上のカソード電極と、Weiguan上のアノード電極を配置します。
4. 電気刺激装置（Digitimer DS7A、イギリス、に表面電極を接続www.digitimer.com ）。
5. フェイスマスクを置き、固定します。空気漏れを防ぐため、マスク（ 図5）を身に着けていることの快適さを提供するために個人の顔に合わせて慎重にフェイスマスクのサイズを選択します。
6. 呼気システム（;カンザスシティ、ミズーリ、1110Aシリーズは、ハンスロドルフ社にフェイスマスクを接続http://www.rudolphkc.com ）。

2。自発呼吸に命令

自発呼吸、特に自主的な吸入は、この介入に重要な役割を果たしている。自主的な吸入が努力したディープかつ迅速吸入として定義されています。単一の孤立した深呼吸、深呼吸ルーチンに似ていますが、より速く、より強力なを取る被験者に指示します。呼吸周期の強制吸入の前に自主的な呼気を実行する必要はありません。被験者が指示を理解するために8〜10練習試行を持つことができます。

3。電気刺激セッティNGS

1. 0.1ms持続時間を持つ単一の矩形波パルスのような単一の電気刺激を設定します。電気刺激の強度は、アプリケーションごとに異なる​​です。単一の電気刺激が毎回配信されているので、周波数パラメータを設定する必要はありません。
2. 2）被験者が許容できることを最高レベル、痙性管理のために、1）隔離された指の拡張応答は手首関節の応答の最小限の関与で誘発される電気刺激の強度を決定する。刺激強度の絶対的な大きさは、別の科目ごとに異なる​​可能性があります。被写体が最高の結果を達成するために容認することを最高の強度を奨励しています。
3. 疼痛管理のために、被験者は刺激強度の増分変更を決定することができます。開始強度はゼロである。最高レベルは、刺激または被験者が許容できるレベルの最大出力です。ただし、明示的に首題を指示ECTその不快感や苦しさ、電気的な刺激であっても "嫌悪"は、治療の一環であるため、被験者が許容できることを最高のレベルを選択するために被写体を奨励しています。

4。電気刺激の制御

1. BreEStimとESTIM：2つの方法で電気刺激の送出を制御するためのカスタマイズのLabView（国立楽器、オースティン、テキサス州）プログラムを書く。
2. 呼吸制御型電気刺激（BreEStim）（ 図6）：
   1. 深いと高速吸入中自主吸入、 すなわち 、時のピーク気流速度を決定します。
   2. 40パーセントピーク気流速度であるしきい値を決定します。注目すべきは、より深く、より速く自発的な呼吸を促進するために、通常の呼吸時の空気流量よりも高いしきい値を設定します。
   3. その後、トリガ機能を設定します。隔離された自主的な吸入の瞬間気流速度がしきい値を超えて到達するか、目電子LabVIEWプログラムは、プリセット持続時間と強度¹⁶を持つ単一の電気刺激をトリガーし、提供します。被写体が要求に応じて休ませることができます。
3. ランダムトリガ型電気刺激（ESTIM）：
   1. 被験者は呼吸上の特定の指示なしに、普通に呼吸できるようにします。
   2. LabVIEWプログラムは、ランダムプリセット期間および強度毎に4から7秒を持つ単一の電気刺激を提供します。同様に、被写体が要求に応じて休ませることができます。

5。 BreEStimの用量

それは、治療の各セッションが100から120 BreEStim刺激を持っていることをお勧めします。これは、約30〜40分間続きます。

6。記録および監視

1. 自主的な吸入がこのプロトコルで重要な役割を果たしているので、フェイスマスクから空気漏れが発生していないことを確認してください。
2. 被験者はフェイスマスクを身に着けているときに低酸素血症と過呼吸の兆候を監視します。アルこの目的のために対象者の要求に応じて低い休息。
3. 任意の副作用は、顔マスクを介して自発呼吸の耐性、および心理社会的影響を記録します。
4. 疼痛管理のために、どんな痛みの軽減、 すなわち視覚的アナログスコア（VAS）を⁵⁷と効果の持続時間を記録します。さらに痛みの軽減、 すなわち 、痛みがどの程度軽減され、どのくらいの時間が（還元×時間）持続の効果を定量化するために変更され、VAS（mVAS）を使用します。電気刺激の強さは、治療の各セッション中に変化するためにも、各セッションの平均強度を記録します。
5. 痙縮の管理については、目標筋肉や筋力、感覚、運動の範囲を含む他の臨床測定値の修正アシュワース尺度（MAS）の値を記録します。

Representative Results

呼吸制御型電気刺激（BreEStim）は脊髄損傷や脳卒中後の指の屈筋の痙縮における神経因性疼痛の管理に優れた臨床効果を実証してきました。 BreEStim処理後の痙性の減少は、前処理条件の厳しさに依存します。 図1に示すように、指屈筋痙性が大幅BreEStim処理後に減少した。指屈筋の痙性はMAS 1最小（MAS = 0）に+から削減された。患者は機能的な使用のための彼の手と指を開くことができます。他の患者は痙性の削減と機能向上の同じ学位を持っていないかもしれないことに注意することが重要です。厳しい指屈筋痙縮（MAS = 3）を持つ患者においておよび残留自主指拡張（ 図4に示すように）を使用せずに、指屈筋痙性はMAS = 1に減少した。これは彼女の指を範囲に患者のために、それが容易になりますが、彼女のHAの機能的な使用を復元しませんND。

BreEStimはまた、より良く、より長く痛み削減効果を示しています図は、電気刺激の類似した強度で、BreEStimが正規電気刺激よりも良い結果を持っていることを示している。患者は尿路感染症を持っていたときしかし、BreEStimは2日目に痛みのスコアに影響を与えなかった。これは、痛みは感染によって混同されている場合BreEStimが痛みの軽減には効果がありませんことを示唆している。

自発呼吸がBreEStimに重要な役割を果たしている。空気漏れを防ぐために、患者（ 図5）フィットフェイスマスクを選択することが重要です。気流速度は、通常の呼吸（1.6リットル/秒、 図6）の間には比較的低い。力強い自主的な吸入が大幅に空気流量を（約8リットル/秒）増加する可能性があります。表面電極の配置も重要です。のように詳細に記載し、 図3と図4に示すように、痛みのための配置と痙性管理が異なっている。それは、手指伸筋の筋腹のその場所萎縮の結果として変更される可能性があり、脳卒中後の変形に注意することが必要である。

図1手姿勢プリ·ポストBreEStimの比較。脳卒中患者はBreEStim後、彼の手を開くことができます。

図2：痛みの軽減にBreEStimとESTIM効果の比較。

図3。Neiguanの場所。注意、Waiguanは上Neiguanのカウンターパートである前腕の背側面。

図4手指伸筋の表面電極の配置。

図5 BreEStim中の患者。表面電極NeiguanとWaiguanに配置されています。

図6自主的なインスピレーションと安静吸気時に気流速度のリアルタイム測定。空気流量は安静吸気よりも自主的な吸気時にはるかに高いことに注意してください。それは、患者の呼吸が中断されたことを顕著です電気刺激による。

Discussion

上記の2例に示すように、呼吸制御型電気刺激（BreEStim）は、痙縮の管理と慢性脳卒中患者¹⁶と同様に、上記の患者における中枢性神経因性疼痛の管理に後続の手の機能回復に臨床的有効性を実証してきました膝上切断¹⁷患者における脊髄損傷や末梢起源の。この強化された臨床転帰とBreEStimの広範な臨床応用は、そのユニークなアプローチに起因している。自発呼吸関連した皮質と皮質下アクティベ^{40から51まで}の短い窓を対象とした電気刺激による介入は、内因性生理カップ、痙縮の管理¹⁶ 例 、呼吸モーターカップリングを介して、その臨床効果を増大させる可能性があります。この介入では、自発的な呼吸が、特に自主的なインスピレーションは、重要になります。患者のための教育適切な呼吸法と呼吸パラメータの正確な測定（ 例えば 、空気漏れ）にBreEStim介入の失敗を防止するための措置です。

新しい介入プロトコル - BreEStimは、より良い有効性と広いアプリケーションに加えて、いくつかの利点を持っています。

BreEStimは患者中心である。BreEStimは自発的呼吸が^17を要求されるため、患者の積極的な参加を奨励しています。患者は、彼らが積極的に彼らの痛みを管理するに参加し、むしろ "自分のケアの受動的な参加者"よりも感じています。例えば、患者はゼロからの患者が^17を容認^することを最高のレベルに始まり、電気刺激の強さをコントロールします。これは彼らの治療コンプライアンスを向上させることができる。 EMG-トリガーESTIMも積極的な参加^{36を必要としますが} 、患者が電気刺激の強さを制御することはできません。

ntentは"> BreEStimは統合、システムベースのアプローチを採用しています。前述の研究¹⁷に示すように、別の痛み対処メカニズムを電気刺激、鍼、嫌悪刺激し、自主的な呼吸の全身への影響を含め1プロトコルに統合されていますそのようなものとして、患者は、強化された鎮痛効果につながる、電気刺激の高いレベルを許容することができます。このような正のフィードバックループは（報酬系の活性化）大きい臨床効果が得られる。この統合は、システムベースのアプローチは、自発的な呼吸の特定の信号を使用しまた、システム間の相互作用の時間ウィンドウを識別するために使用することができる。このように、BreEStimは重度の痙縮の患者に適用することができる。これらの患者は、このように標的筋肉から "クリーン" EMG信号がありませんが、通常は随意収縮を実行することはできません利用可能。EMG-トリガー電気刺激では、ターゲットを絞った筋肉からの筋電信号（<em>は例えば、手指伸筋）は、電気刺激をトリガーする必要があります。したがって、筋電図·トリガESTIMのアプリケーションが適度痙性に軽度の患者に限られています。

BreEStimは、非侵襲性、非薬理学的治療法である。患者はしばしば薬の長期使用を必要とし、慢性的な痛みや痙縮のための最も薬は、時には非常に深刻なことができ、副作用があるので、これは重要です。副作用の可能性は、これらの潜在的な副作用がBreEStim治療で避けることができたであろ中毒、過剰摂取、離脱症状、便秘などがあります。

BreEStimは代替選択肢です。神経因性疼痛の管理が難しい場合は特に優れた鎮痛効果を持つ代替の非薬理学的治療が重要である。たとえば、回答者のわずか7％は薬物治療がSに続く神経因性疼痛に対して有効である報告郵便調査⁵⁸のCI。

要約すると、この呼吸ドリブン刺激、BreEStimは、自発的な呼吸の間に活性化真性生理カップリングの新しく発見された現象に基づいている。 BreEStimプロトコルは、神経因性疼痛、脳卒中後の痙縮の管理のために臨床的有効性を実証してきました。さらなる研究が介入効果を仲介する基本的なメカニズムを調べるために保証されています。重要なのは、まだ見分けていない他のアプリケーションがあるかもしれません。

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Electrical stimulator	Digitimer	DS7A	http://www.digitimer.com
Pneumotach system	Hans Rodolph Inc	Series 1110A	http://www.rudolphkc.com