Elektrostymulacja mięśni to zabieg elektroleczniczy, zwany także elektrogimnastyką, mający na celu wywołanie reakcji motorycznej mięśnia lub grupy mięśni. Efekt ten może być osiągnięty dzięki dostatecznie szybkiej zmianie natężenia prądu zarówno stałego jak i zmiennego o różnej częstotliwości, szerokości oraz kształcie impulsu. Spośród różnych sposobów wywołania efektu motorycznego w artykule omówione zostaną możliwości zastosowania przenośnych urządzeń do elektrostymulacji, generujących prąd stały (najczęściej) o częstotliwości 1-150 Hz o prostokątnym kształcie impulsu z możliwością regulacji szerokości impulsu i stosunku praca/odpoczynek.
Celem EMS z wykorzystaniem takich urządzeń, może być reedukacja utraconej funkcji mięśnia lub grupy mięśni, zwiększenie siły i wytrzymałości, podniesienie lub obniżenie tonusu, poprawa krążenia obwodowego, zabezpieczenie przed atrofią, przez poprawę lokalnego krążenia i podniesienie temperatury zmniejszenie obrzęków lub rozgrzewka, zmniejszenie spastyczności.

Podstawy fizjologii skurczu mięśni i działania elektrostymulacji na mięsień

W warunkach fizjologicznych każde włókno mięśniowe jest pobudzane poprzez ruchową płytkę końcową. Jest to specyficznie ukształtowane zakończenie neurytu komórki ruchowej przedniego rogu rdzenia kręgowego. Bodziec nerwowy prowadzi do uwalniania na ruchowej płytce końcowej acetylocholiny, która wywołuje depolaryzację receptorów membrany włókna mięśniowego. Upraszczając, można ująć procesy wywołujące skurcz mięśnia, jako kolejno: elektryczne, chemiczne i ponownie elektryczne podrażnienie.

Jeden neuron ruchowy zaopatruje poprzez swoje rozgałęzione neuryty zawsze wiele włókien mięśniowych. Liczba ich jest różna: od 3-5 np.: zewnętrzne mięśnie oka, do nawet ponad 1000 np.: musc. gastrocnemius. Liczba włókien mięśniowych, unerwionych przez ten sam neuron ruchowy, określa się jako jednostkę motoryczną, ponieważ w warunkach fizjologicznych kurczą się zawsze jednocześnie, gdy otrzymują progowy bodziec ze swojego neuronu.

Gdy bodziec wychodzi z ośrodkowego układu nerwowego, jednostki motoryczne są zawsze aktywowane asynchronicznie, a więc w różnym czasie. Skutkiem tego włókna różnych jednostek motorycznych w mięśniu kurczą się i rozkurczają nie równocześnie. Prowadzi to do równomiernego skurczu i jednolitego rozdziału siły w pracującym mięśniu. W związku ze zmianą napięcia i odpoczynku taka asynchroniczna aktywizacja ułatwia świadome kurczenie mięśnia, ponieważ nie muszą pracować stale te same jednostki, a zmieniając się, mają czas na odpoczynek.

Zwiększenie siły mięśnia uzyskuje się przez uruchamianie dodatkowych jednostek motorycznych. Rozwinięcie dużej siły może być więc utrzymane tylko przez krótki czas. Nie można świadomie aktywizować jednocześnie wszystkich jednostek, ocenia się, że jednocześnie może pracować tylko maksymalnie 60-70% wszystkich jednostek. Zwiększanie siły mięśnia przez odpowiedni trening oparte jest przede wszystkim na ćwiczeniu współpracy układu nerwowego w mięśniach. Tak ?uczymy się? optymalnej rekrutacji jednostek motorycznych w oparciu o poprawę wewnątrzmięśniowej koordynacji.

Poza w/w procesem rekrutacji jednostek motorycznych siła skurczu może być zwiększona przez zwiększenie częstotliwości impulsów z nerwu. Wynosi ona normalnie 10-50 Hz. Przy niskich częstotliwościach mięsień reaguje pojedynczymi drgnięciami, które sumują się przy ok. 50 Hz i stapiają w skurcz tężcowy. Siła tężcowego skurczu jest zawsze większa niż siła jego pojedynczych jednostek. Zależy to wyłącznie od częstotliwości pobudzenia, a nie od jego siły.

Rozróżniamy szybko- i wolno-kurczliwe jednostki motoryczne. Powolne składają się z włókien mięśniowych typu I, które kurczą się wolniej i słabiej, ale nie męczą tak szybko (tzw. włókna toniczne). Pracują przeważnie aerobowo - posiadają tlenową przemianę materii. Neurony motoryczne, które je zaopatrują są mniejsze, a ich aksony cieńsze. Szybkie jednostki motoryczne składają się z włókien typu II (tzw. włókna fazowe), które kurczą się szybko i silnie, ale bardzo szybko ulegają zmęczeniu ze względu na metabolizm beztlenowy. Neurony motoryczne tych włókien są większe, ich aksony grubsze. Neuron, z charakterystyczną dla niego częstotliwością impulsów, wywiera troficzny wpływ na włókna mięśniowe i decyduje o wykształcaniu się ich różnych typów. Przy normalnej, fizjologicznej pracy mięśnia, najpierw pracują włókna typu I (natężenie wysiłku małe lub średnie), a włókna typu II pracują dopiero przy dużej intensywności wysiłku. Oznacza to, że w czasie przeciętnej, codziennej aktywności ruchowej, aktywne są głównie włókna typu I, podczas gdy włókna typu II, działają tylko przy szczególnych lub długotrwałych wysiłkach.

Zewnętrzna elektrostymulacja odwraca te stosunki: prąd impulsowy drażni mięsień zawsze poprzez nerwy które go zaopatrują, ponieważ próg pobudzenia aksonu jest znacznie niższy niż próg włókna mięśniowego (metoda jednobiegunowa elektrostymulacji). Fakt ten uniemożliwia wywołanie skurczu całkowicie odnerwionego mięśnia ? bez końcowego unerwienia i po zaniku ruchowych płytek końcowych ? z wykorzystaniem metody jednobiegunowej. Poza tym, próg pobudzania grubych aksonów zaopatrujących typ II jest niższy od progu aksonów cieńszych z typu I. Stąd wniosek, że elektrostymulacja uaktywnia najpierw włókna typu II, a dopiero przy większych natężeniach, wszystkie włókna typu I. Przy dostatecznie wysokim natężeniu stymulacji i częstotliwości powyżej ok.50 Hz, można liczyć na uaktywnienie wszystkich włókien stymulowanego obszaru mięśnia skurczem tężcowym.

Efekt motoryczny elektrostymulacji zależy więc przede wszystkim od działania na włókna typu II, które są na co dzień mniej aktywne, a które decydują o sile danego mięśnia.

Niektóre parametry stymulacji

Częstotliwość impulsów.
Skurcze fizjologiczne potrzebują częstotliwości mniejszej niż 50 Hz. Taką częstotliwość można stosować w elektrostymulacji w ramach tzw. pielęgnowania napięcia. Wysokość częstotliwości wpływa zasadniczo na siłę skurczu mięśnia. Dla skutecznej poprawy siły w ramach elektrogimnastyki włókno mięśniowe, wzgl. jego nerw, musi być maksymalnie pobudzony. Daje to pewność, że procesy zmęczenia a następnie superkompensacji spowodują dostosowanie się do wysokiej wydolności. Mięsień męczy się tym szybciej, im wyższa jest częstotliwość. Przyczyną tego jest prawdopodobnie ubytek substancji nośnej na płytce końcowej i/lub wyczerpanie się zapasu energii we włóknie mięśniowym. Częstotliwość 50 Hz przyjęto za wystarczającą do poprawy siły mięśnia. Częstotliwości z zakresu 20-30Hz wpływają na przyrost wolnych włókien mięśniowych.

Natężenie (amplituda) impulsu i szerokość impulsu.
Oba te parametry muszą przekroczyć wartość minimalną, aby spowodować depolaryzację. U osób z obfitą podściółką tłuszczową konieczne jest często większe natężenie impulsu. Amplitudę impulsu (natężenie prądu) podaje się w miliamperach (mA), szerokość impulsu w mikrosekundach (?s). Im większe natężenie, tym więcej włókien mięśniowych zostaje aktywizowanych poprzez swoje włókna nerwowe (najpierw grubsze, potem cieńsze). Natężenie impulsu wzrastające do ok. 100 mA pobudza całkowicie mięsień, dalszy wzrost natężenia nie daje już wzrostu siły skurczu. Oba parametry są tak ze sobą powiązane, że i zwiększenie jednego z nich i obu naraz, wzmaga skurcz mięśnia. Np.: przy stałej szerokości impulsu wynoszącej 300?s można zmieniać natężenie impulsu od 15 ? 40 mA lub przy stałym natężeniu 40 mA można zwiększać siłę skurczu, zmieniając szerokość impulsu od 40 ? 300?s.

Czas stymulacji (praca) / czas przerwy (odpoczynek).
Stosunek pomiędzy czasem stymulacji (czasem skurczu) a czasem przerwy jest jeszcze stale przedmiotem rozważań, i niekiedy dochodzi do nieprawidłowego zastosowania. W czasie stymulacji aparat wytwarza serię impulsów o ustalonym natężeniu, szerokości i częstotliwości. Te parametry muszą być tak dobrane, aby mięsień był w czasie skurczu możliwie najbardziej wyeksploatowany, gdyż to uruchamia procesy adaptacji a w następstwie zwiększenie siły. Uzyskuje się to przy maksymalnym tężcowym skurczu przy czasie stymulacji wynoszącym 5 ? 10 sek. W następującej potem przerwie mięsień może odpocząć przed następną serią impulsów. Proces odpoczynku polega na wypełnieniu wewnątrzmięśniowych magazynów energii oraz na czynnościowym odnowieniu motorycznej płytki końcowej. Optymalny jest stosunek stymulacji do przerwy wynoszący 1 : 5. Przy czasie stymulacji równym 10 sek., z przerwą wynoszącą 50 sek., można prowadzić trening elektrostymulacyjny przez dłuższy czas, bez wyraźnego zmęczenia mięśnia. Jeśli jednak skrócimy przerwę, już po kilku minutach występuje wyraźne zmęczenie mięśnia.

Działanie elektrostymulacji na zdrowy (prawidłowo unerwiony) mięsień.

Liczne są doniesienia na temat pozytywnego działania elektrostymulacji na siłę mięśnia. Bardzo ważne jest pytanie, czy przyczyną pozytywnych wyników jest poprawa funkcji zespołu nerwowo ? mięśniowego, czy też zachodzą w mięśniu zmiany strukturalne, powodujące zwiększenie masy mięśniowej i poprawę przemiany materii. Pod wpływem elektrostymulacji powiększa się zarówno siła jak i obwód stymulowanego mięśnia. Zmniejszeniu ulega ilość podskórnej tkanki tłuszczowej w jego najbliższej okolicy. Średnica włókien mięśniowych zwiększa się. Każde włókno mięśniowe posiada wiele tysięcy jąder odpowiedzialnych za regulowanie wewnątrzkomórkowych procesów budowy i rozpadu oraz całej przemiany materii. Po elektrostymulacji zwiększa się liczba jąder i ich wielkość. Stwarza to warunki do pogrubienia poszczególnych włókien mięśni. Zwiększeniu liczby jąder towarzyszy podwyższenie zawartości DNA w poszczególnych jądrach, co przemawia za zwiększoną aktywnością komórek w kierunku odbudowy tkanki mięśniowej. Elektrostymulacja ma większy wpływ na włókna typu II - 35-55% zmian, podczas gdy na zmiany w typie I przypada około 10-20 %. Poprawia się także kapilaryzacja (poprawa ukrwienia) stymulowanego mięśnia bez względu na wartość częstotliwości impulsów. 
Wyżej opisane, pozytywne efekty (zwiększenie masy i aktywacja mięśnia), osiągnąć można wykonując elektrostymulację przez kilka tygodni, codziennie lub trzy razy w tygodniu, przez 20-30minut, wykorzystując prąd impulsowy o częstotliwości 50-100Hz, szerokości impulsu 150-300?s. Czas trwania stymulacji 10sek. i czas odpoczynku 50 sek. (stosunek praca : odpoczynek - 1:5).

Wskazania do stosowania elektrostymulacji mięśni

U ludzi zdrowych metoda elektrogimnastyki może wspomagać trening sportowy, przede wszystkim w tych dyscyplinach, które wymagają maksymalnej siły i szybkości (szczególny udział włókien typu II) a także jako element rozgrzewki. W sporcie wyczynowym zaniedbywany jest często trening mięśni antagonistów. Prowadzi to do zaburzeń równowagi mięśniowej i odbija się niekorzystnie na stawach. Elektrostymulacja może pomóc w utrzymaniu odpowiednich proporcji. Interesujący może być także redukujący wpływ elektrostymulacji, na tkankę tłuszczową w bezpośredniej bliskości stymulowanego mięśnia.

Typowym wskazaniem do elektrostymulacji są zaniki mięśniowe po unieruchomieniu stawów. Przeciwdziałać zanikom można wykonując elektrostymulację w opatrunku gipsowym. Przepływ prądu oraz poprawa ukrwienia sprzyjają gojeniu się złamania.

Wykorzystując możliwość wybiórczej stymulacji, można usunąć nierównowagę siły mięśniowej w obrębie różnych części tego samego mięśnia. Np.: dolegliwości stawu rzepkowo-udowego często spowodowane są dysfunkcją głowy przyśrodkowej mięśnia czworogłowego uda. Dzięki elektrostymulacji, w sposób wybiórczy możemy wzmocnić ten mięsień.

Pacjenci po operacjach na stawach lub z powodu bolesności stawu podczas ruchu, często nie potrafią uruchomić mięśni sterujących danym stawem, zarówno z powodu odruchowego "zahamowania mięśni przez chory staw", jak i ze strachu przed bólem. Elektrostymulacja wywołuje skurcz mięśnia, pokazując Pacjentowi, jakie ćwiczenie powinien wykonać oraz przekonuje go, że napięcie mięśnia nie musi wiązać się z bólem. Jest to jakby ?torowanie nerwowo ? mięśniowe? w sensie sygnału dośrodkowego, który ułatwia Pacjentowi późniejszą, własną aktywność.

Z podobnym zastosowaniem mamy do czynienia w przypadku konieczności wyegzekwowania napięcia mięśni dna miednicy. Ich dysfunkcja często leży u podstaw problemów z trzymaniem moczu i kału. W początkowym okresie reedukacji funkcji pojawia się problem nauczenia Pacjenta napinania określonych grup mięśni. Z pomocą przychodzi elektrostymulacja. Poprzez odpowiednio zaaplikowane, specjalne elektrody waginalną lub rektalną, impulsy elektryczne wywołują skurcz odpowiednich grup mięśni, zwiększają ich siłę i są jednocześnie źródłem bodźców dośrodkowych.

Naprzemienna stymulacja agonistów i antagonistów, za pośrednictwem odruchu rdzeniowego, wpływa na normalizację patologicznego napięcia mięśniowego. W ten sposób można uzyskać okresowe zmniejszenie spastyczności.

Naprzemienne skurcze i rozkurcze mięśnia podczas elektrostymulacji aktywują działanie pompy mięśniowej, co może być pomocne w przypadkach zaburzeń krążenia obwodowego.

Efekt miorelaksacji i zwiększonego ukrwienia w obrębie stymulowanej grupy mięśni można wykorzystać jako przygotowanie przed dalszą kinezyterapią lub terapią manualną.

Elektrolecznictwo

jest działem fizykoterapii. W elektrolecznictwie lub elektroterapii wykorzystuje się do leczenia prąd stały oraz prądy impulsowe małej i średniej częstotliwości.

Trochę historii

Pierwsze wzmianki o próbach wykorzystania elektryczności w celach leczniczych pochodzą już ze starożytności, kiedy to do tego celu próbowano wykorzystać pewne gatunki ryb, potrafiące gromadzić ładunki elektryczne, przykładając je do ciała leczonej osoby.Początki elektrolecznictwa sięgają XVIII wieku, kiedy to Luigi Galvani, profesor anatomii, opisał w 1791 r. skurcz mięśnia żaby wywołany działaniem elektryczności. Nieco później Alesasandro Volta, kontynuując doświadczenia Galvaniego buduje pierwsze ogniwo elektryczne. Odkrycie w 1831 r. przez Faradaya zjawiska indukcji elektromagnetycznej, zapoczątkowuje stosowanie prądu indukcyjnego na cześć odkrywcy nazwanego faradycznym (obecnie praktycznie nie stosowany). Do stosowania prądu dla elektrostymulacji mięśni przyczynili się także prace E. H. Du Bois-Reymonda i W. H. Erba prowdzone w końcu XIX wieku.

Jakie zabiegi wchodzą obecnie w skład elektroterapii

Do wszystkich zabiegów z zakresu elektroterapii używa się specjalnie do tego celu skonstruowanych aparatów. Wszelkie próby wykorzystania innych źródeł prądu są niedozwolone i zagrażają życiu !!! Zabiegi z zakresu elektroterapii muszą być wykonywane przez lub pod kontrolą fizjoterapeuty.

• Galwanizacja - wykorzystywany jest wpływ na organizm prądu stałego; elektrody podłączone do źródła prądu stałego umieszcza się w odpowiednich miejscach na skórze; nazwa wywodzi się od nazwiska lekarza Galvaniego.

• Kąpiele elektryczno-wodne - odmiana galwanizacji polegająca na zanurzeniu w wannach podłączonych do źródła prądu stałego dwóch lub czterech kończyn - kąpiel dwu- lub czterokomorowa.

• Jonoforeza - prąd stały wykorzystuje się do wprowadzenia przez skórę leków, które ulegają dysocjacji. Leki używane do jonoforezy to m.in.: lidokaina, hydrokortyzon, wapń, jod. Efekt serii zabiegów zależy od użytego leku - działanie p.bólowe, p.zapalne, zmniejszające napięcie mięśni...

• Elektrostymulacja mięśni - wykorzystywany jest prąd stały impulsowy (płynący z przerwami). Elektrody umieszcza się na skórze, w odpowiednich miejscach, zwanych punktami elektromotorycznymi. Celem zabiegu jest pobudzenie mięśni do skurczu (mięśnie kurczą się i odpoczywają w rytm płynącego z przerwami prądu). Wykonuje się elektrostymulację mięśni porażonych (z uszkodzonymi nerwami doprowadzającymi impulsy) jako substytut naturalnych pobudzeń oraz zdrowych w celu wzmocnienia ich lub poprawy krążenia obwodowego.

• FES - elektrostymulacja czynnościowa. Wykorzystywany jest prąd impulsowy małej częstotliwości. Mięśnie pobudzane są do skurczu serią impulsów wyzwalanych w określonej fazie ruchu. Najczęstszym zastosowaniem jest FES nerwu strzałkowego wykorzystywana do reedukacji chodu u osób z niedowładem lub porażeniem połowiczym. Od wielu lat trwają prace nad wykorzystaniem FES u osób z uszkodzeniem rdzenia kręgowego w wyniku którego doszło do porażenia kończyn dolnych (FES wielokanałowa - odpowiednio zsynchronizowana w czasie stymulacja grup mięśni imitująca ich pracę jak w czasie prawidłowego chodu).

• TENS - Przezskórna stymulacja nerwów- metoda elektrostymulacji stosowana w zwalczaniu bólu. Wykorzystywany jest prąd impulsowy małej częstotliwości, o przebiegu prostokątnym, trójkątnym lub sinusoidalnym i częstotliwościach od 0,5 do 150 Hz.

• Stymulacja mikroamperowa MES - Stosowany w tej metodzie prąd impulsowy osiąga natężenie zaledwie kilku mikroamperów. Uważa się iż przepływ prądu mikroamperowego wspomaga działanie naturalnych sił elektromotorycznych powodujących ruch jonów wewnątrz organizmu. Ma to szczególne znaczenie w przypadku stanów chorobowych kiedy naturalny ruch jonów jest zaburzony. MES wywołuje także typowe zjawiska elektrochemiczne. Najczęściej wykorzystywane jest działanie p.bólowe oraz wspomagające gojenie.

• Prądy diadynamiczne DD - wykorzystywany jest prąd stały, na który nałożony jest jednopołówkowo wyprostowany prąd sinusoidalnie zmienny; uzyskuje się sześć postaci tych prądów (DF, MF, CP, LP, RS, MM), mających zróżnicowane działanie na tkanki. Do zabiegu wykorzystuje się elektrody cyrklowe, punktowe, lub płytkowe.Najczęściej wykorzystywane jest działanie p.bólowe prądów DD

• Prądy wysokonapięciowe HV - wykorzystywany jest prąd stały impulsowy o napięciu dochodzącym do 500 V i częstotliwości z zakresu 1-125 Hz (podwójny impuls szpilkowy). Zastosowanie tak dużej amplitudy możliwe jest dzięki krótkiemu czasowi trwania impulsu 20-100 ?s. Najczęściej stosowany w leczeniu ran i obrzęków.

• Prądy interferencyjne - wykorzystywany jest prąd zmienny, średniej częstotliwości, dostarczany z aparatu w dwóch obwodach różniących się częstotliwością prądu. Po odpowiednim ułożeniu dwóch par elektrod na skórze, dochodzi do interferencji prądu wewnątrz tkanek. Różnica w częstotliwości między obwodami wynosi od 0 do 100 herców. Efekt zależny jest od częstotliwości prądu - działanie p.bólowe, elektrogimnastyka mięśni, usprawnienie krążenia obwodowego, zmniejszenie napięcia współczulnego układu nerwowego.

Zastosowania elektroterapii

Terapia bólu, zaburzenia krążenia obwodowego, stymulacja zrostu kostnego, aplikacja leków ulegających dysocjacji (rozmiękczanie blizn, działanie p.zapalne, odczulające, p.bólowe, rozszerzenie naczyń krwionośnych), elektrogimnastyka mięśni szkieletowych (zdrowych i porażonych), elektrogimnastyka mięśni gładkich, redukcja zwiększonego napięcia mięśniowego, terapia bocznych skrzywień kręgosłupa, terapia nietrzymania moczu, terapia ran i owrzodzeń.