電刺激器
Electrical Stimulator
電刺激器是產生一序列電壓或電流脈波之醫療儀器，這些脈波被用來興奮神經或肌肉組織，以達到診
斷或治療(復健)之目的。如下圖所示為一神經或肌肉細胞受到電刺激器興奮之基本原理。一般細胞的內部
電位均比細胞外部組織液的電位要低，換句話說，細胞內為負電位而細胞外為正電位，此負電位稱為靜止
膜電位(resting membrane
potential)。當神經或肌肉等可以因為電刺激而被興奮的組織(excitable tissue)受到電
刺激時，如下圖所示流經刺激電極的電流在電極正端會造成過度極化(hyperpolarization)之電位，而在電極
負端會有去極化(depolarization)的現象，也就是說在電極負端附近的部份細胞膜內部之負電位會變小甚至變
成正電位之現象，當刺激的電壓或電流大到使電極負端附近的細胞膜電位超過一臨界值或稱閾值(threshold)
時，細胞膜上的離子通道便會打開而產生動作電位(action
potential)，這一連串的活動便是電刺激器刺激神經
或肌肉的基本原理。
脈波電流或電壓刺激神經或肌肉細胞之原理
電刺激器依其工作原理分類有兩種不同型式，
其中一類是非脈波型式之刺激器，其工作原理與任
意波
形產生器相似，這一類的刺激器所產生的波形
可作為不同之使用目的，如生理信號之模擬，或是其他特殊
之應用，如選擇性刺激無髓稍神經纖維
等。由於這一類的刺激器要產生各種不同的波形，
所以一般電路上
均利用到數位圭類比轉換器(D/Aconvener)，將規劃好的特殊波形由波形記憶體內的
數位資料轉變成類比的
連續信號輸出。這類儀器通常可以透過標準的傳輸介面(如平行的GPIB或串列的RS-232標準等)由微算機來
控制及下載刺激
之波形，也因此比較複雜昂貴。
另外一類的刺激器是脈波式刺激器，其輸出波
形純粹是脈波型式，僅能改變其振幅與頻率，因此
是比
較單純的儀器，然而這類傳統的電刺激器依然
是最常見也應用最廣泛的刺激器，底下就依其內部
結構加以
說明。
上圖是一傳統脈波式電刺激器之功能性方塊
圖，基本上這一類刺激器之核心部分是脈波產生器
(pulse generator)，一般而言脈波產生器主要由時脈產生器(clock generator)及單穩態
震盪器(monostable
multiviibrator)所組成，時脈產生器主要
是產生週期性的信號來觸發單穩態震盪器，而單穩態震盪器
則負責決定脈波之時問寬度。在產生了設定的刺激頻率與脈波寬度後只要再加上適當的
閘電路(gating
circuit)後，就可以產生更複雜的序列脈波(train pulses)了。
然而一般的脈波產生器並不等於電刺激器，也就是不能作為臨床之用途，必須如上
圖所示加上電氣隔離(electrical
isolation)電路才能合於基本臨床使用之要求，之所以要求
輸出級有電氣隔離有兩個目的。一般人體的皮膚約有l00kΩ以上的阻抗(視部位與流汗程
度而定)，因此電刺激器輸出級之供應電壓往往超過DC100V，以克服皮膚之阻抗。高電
壓且短波寬的刺激脈波往往會造成生理監視儀器或記錄儀器(如心電圖機)巨大的干擾
(artifact)，若此刺激器之輸出端與記錄系統之間沒有任何電氣之通路，則依據克希荷夫
迴路定理(Kirchhoff'smesh
law)刺激脈波之電流必須完全自刺激電極之正端流回刺激電極
之負端，而不會有漏電流影響到記錄系統，因此可以有效地降低因刺激所引起之干擾。
另外一個更重要的目的是安全的考量，由於患者之身體通常並未真正接地以避免接地電
流流經人體，而醫療儀器通常需要接觸到患者，所以通常須有電氣隔離之措施，才能避
免地電流導致之電擊危險(如microshock或macroshock)，只有各個儀器之間均保持電氣之隔
離才能保證一起使用而不會造成安全之顧慮。
最常見的電氣隔離方式有使用變壓器型式與使用光耦合型式(photocouple)兩種，目前由
於光耦合型式之隔離效果較佳所以普遍被採用。在隔離電路之後的所有電路及元件之供電
均須使用電氣隔離之電源(如乾電池)，而其接地系統也不能與電氣隔離前的脈波產生器之接
地系統有任何通路，只有如此才能確保電氣隔離的效果。
刺激器輸出部分一般是使用定電流輸出，但也有使用定電壓輸出者，使用定電流輪出的
好處是比較容易控制刺激的電荷量。一般的生物組織在經過一段時間的電刺激後，在刺激電
極上會沾附上一些蛋白質的物質，因此正負電極間之阻抗也會隨著刺激時間的改變而改變，
若此時使用定電壓輸出的刺激，則流經兩個刺激電極間之電流就會隨著其阻抗之改變而不同
，因此對組織之刺激量便會不同 。
適當的脈波電流或電壓在通過刺激電極後到達人體，此時電極一般是使用不容易起化學
反應(chemical
inertia)之金屬材料，如白金(Pt)或是白金與銥(Pt-Iridin)之合金(加強其機械強度)
，若為了降低成本則可以使用不鏽鋼(stainless
steel)材料，如此可以減少刺激電極與皮膚或組
織反應的程度。
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