腦深部電刺激（DBS）：恆壓刺激與恆流刺激的比較

來自專欄 周倩

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腦深部電刺激(Deep Brain Stimulation, DBS)是通過神經外科手術，將被稱為神經刺激器(neurostimulator)的醫療裝置植入到大腦中，植入的電極會向特定大腦核團發送電脈衝，從而起到治療作用。

一般的外科操作是通過手術清除病灶來達到治療作用，而DBS與此不同，它的治療是由植入的脈衝生成器(implanted pulse generator, IPG)發放電脈衝來調節中樞神經系統。在這裡，手術操作就像是將輸液的針頭插入血管，是開通藥物（電脈衝）進入體內通道的方法。（當然，它要複雜、精細得多）。

而手術後，要確保後續治療安全有效，則需要依據DBS基礎原理來對電脈衝參數進行調整。儘管目前對DBS的具體治療機制還了解甚少，但一些已經積累的最底層原理卻是非常堅實、不易動搖的，它們就像葯代動力學(pharmacokinetics）、藥效動力學(pharmacodynamics)之於臨床用藥，是永遠不會過時的。即技術更迭飛快，醫生也能依據它們迅速適應新一代的產品。

DBS治療的基礎是電，因此，電學(electricity)、電子學(electronics)、電生理學(electrophysiology)都是它非常重要的基石，這些知識有助於理解DBS的許多方面，例如，恆流刺激(constant current stimulation)——近年來DBS的一大發展，相較於恆壓刺激(constant voltage stimulation)的優勢就可以藉由電學知識解析。

電流阻抗

DBS最直接的一個作用是引起大腦內的局部電流，更準確的說是引起電荷的流動，具體到人腦則主要是引起帶電離子的定向移動，這，也正是它治療作用的基礎。因此，要對DBS的治療進行定量評估，最基礎的就是要能做到對電流定量，而電流的大小又與電壓與阻抗有關。

阻抗(impedance)是指阻止電荷流動的力量，它主要有三種來源：電阻(resistance)、容抗(capacitive reactance)、感抗(inductive reactance)。其中容抗與感抗很大程度上由電流變動的速度決定。在直流電路中，電流是恆定的，此兩者基本可以忽略，電阻構成阻抗的主要部分。但是，在DBS這樣快速產生電脈衝的情況下，後兩種力量就在阻抗中佔據了重要的一部分。

恆壓刺激不能穩定調控電流

恆壓刺激就像一個固定了油門位置的汽車，行走平路時自然可以勻速前進，但在崎嶇路面上行走時則會出現問題：上坡時會因為重力阻礙而減速；下坡時因為重力輔助而加速。

而DBS正是一條不平的山路，而且還是坡度在不斷變化的「怪路」。阻抗會隨電流波動而改變，而改變的電流又會反過來引起阻抗變動，恆壓刺激只能在這條路上快快慢慢的掙扎，恆流刺激則像有隨機應變的好司機駕駛，能夠隨時保持車速穩定。

恆壓刺激的缺點

因此，恆壓刺激主要有三個缺點。

第一，單個脈衝中電流不恆定。儘管電脈衝最終會達到恆壓，但當它從0增至最大的過程中卻會引起容抗、感抗的變動，這種阻抗的變化又會引起電流的波動。因此恆壓刺激條件下畫出的電流曲線是不規則波形的，意味著在發放一個電脈衝的過程中，注入大腦的電荷也是有快有慢、效果不一的。

第二，治療效果發生變動幾率增加。治療反應由電流而不是電壓決定，當阻抗出現不可預測、不可控制的變化時，電壓不變就意味著電流改變，例如，阻抗降低了，原本合適的電壓就會產生過量的電流輸出，引出明顯的副作用；而當阻抗增高時，則無法產生足量的電流，不能起到治療效果。

第三，不利於總結治療參數。不同患者的阻抗存在很大的不同，選用電壓作為程式控制參數時，即使採用的是相同的治療參數，患者們其實也並沒有得到相同的治療。從一個患者上驗證出來的有效參數，可能放到另一病例上就毫無作用。

上文的推導過程，讓人清楚地認識到基礎知識給臨床實踐提供的指導。在使用DBS進行治療時，若能對其原理有所鑽研，必然能夠提高成功幾率、取得更好療效。

Reference:

Deep Brain Stimulation Programming: Mechanisms, Principles and Practice(2nd edition). 2016-12. Erwin B Montgomery Jr