表面肌電圖在腦卒中后運動功能障礙康復(fù)中的應(yīng)用

羅夢，周國平， 楊路，王清枝，李健文，徐敏

表面肌電圖(surface electromyography，sEMG)，又稱動態(tài)肌電圖(dynamic electromyography，DEMG)，是從皮膚表面通過電極引導(dǎo)、放大、顯示和記錄下來的神經(jīng)肌肉系統(tǒng)活動時的生物電信號。其最大的特點是非損傷性、多靶點檢測以及信號特征變化與內(nèi)在生理、病理改變的一致性。采用sEMG技術(shù)研究腦卒中偏癱患者患側(cè)肌肉神經(jīng)功能狀態(tài)、指導(dǎo)康復(fù)治療以及康復(fù)療效評估等，已經(jīng)成為康復(fù)醫(yī)學研究的一個重要領(lǐng)域[1-2]。

腦卒中后運動功能障礙主要是指腦卒中患者的肢體失去了上運動神經(jīng)元的控制，大腦皮質(zhì)下的運動抑制效應(yīng)得以釋放，從而出現(xiàn)肢體肌張力增高、肌力下降等臨床表現(xiàn)[3]，嚴重影響患者的平衡功能及日常生活能力。本文主要論述sEMG在腦卒中后運動功能障礙康復(fù)評定及治療兩方面的運用，并對其運用前景進行展望。

1 sEMG常用指標

表面肌電分析方法可分為線性分析方法和非線性分析方法。目前線性分析方法主要包括時域分析方法、頻域分析方法以及時頻分析方法。平均肌電值(Average electromyography,AEMG)、均方根值(Root mean square，RMS)以及積分肌電值(Integrate electromyography，iEMG) 是時域分析中最常用的分析指標。AEMG是指一段時間內(nèi)瞬間肌電圖振幅的平均值，是反映sEMG信號振幅變化的特征性指標。RMS是指一段時間內(nèi)瞬間肌電圖振幅平方的平均平方根，是放電有效值，二者變化主要反映肌肉活動時運動單位激活的數(shù)量、參與活動的運動單位的類型以及其同步化程度。iEMG反映的是一定時間內(nèi)肌肉參與活動的運動單位的放電總量，在一定程度上反映了參加工作的運動單位的數(shù)量和放電大小，體現(xiàn)肌肉在單位時間內(nèi)的收縮特性。時域指標主要指平均功率頻率(Mean power frequency，MPF)和中位頻率(Median frequency，MF)，二者與運動電位沿著肌纖維的傳輸速度有直接關(guān)系。與時域指標相比，頻域指標因變異較小而更具有優(yōu)勢[4]。聯(lián)合時頻分析法和小波變換是目前比較常用的時頻分析方法。聯(lián)合時頻分析法是建立在時域指標隨著肌力和疲勞程度增加而增加，而頻域指標MF隨著疲勞增加而降低、隨著肌力增加而增加的假說上，通過此方法可以快速地判斷肌肉的活動狀態(tài)。小波變換是傅立葉變換的新發(fā)展，它既能在整體上提供信號的全部信息，又能提供在任意局部時段內(nèi)信號變化劇烈程度的信息，是目前研究肌肉疲勞特征的重要分析方法。而非線性信號分析技術(shù)，包括李雅普諾夫指數(shù)、熵、分形分析技術(shù)，近年來也有一部分被應(yīng)用于肌肉功能狀態(tài)及病理診斷的研究[5]。但是該技術(shù)目前還不夠成熟，導(dǎo)致臨床應(yīng)用仍然較少。

2 sEMG影響因素與對策

sEMG作為一種從皮膚表面通過電極記錄的神經(jīng)肌肉系統(tǒng)活動生物電信號，因其本身固有隨機的、非穩(wěn)態(tài)的、非線性的信號特征，易受到諸多因素的影響，但可以通過采取相應(yīng)的措施盡量降低其影響，比如：①電源干擾：可以通過增大受試者與儀器之間的距離而減少；②心電信號干擾：可以通過縮小兩個記錄電極之間的距離而減少；③皮膚阻抗：電極安放前，用75%酒精對皮膚進行脫脂，降低其阻抗；④采樣時姿勢：采樣應(yīng)建立在解剖中立位的基礎(chǔ)上；⑤電極位置：兩記錄電極的連接應(yīng)盡量與肌纖維平行，減少肌電信號串擾；⑥電極移動：用漂浮電極減少電極移動干擾。因此在進行信號采集時，只有盡可能降低干擾因素的影響，才能確保數(shù)據(jù)的準確性和客觀性，這也正是sEMG得以在臨床推廣的先決條件。

3 sEMG在腦卒中后運動功能障礙康復(fù)評定中的應(yīng)用

3.1 肌肉痙攣評定 目前肌肉痙攣的評定多采用改良Ashworth分級法進行評定，但是存在主觀性強、精確度較差等缺點。sEMG相對于改良Ashworth量表只能粗略反映患者肢體臨床痙攣水平，其能為臨床肌張力評定和痙攣的治療提供客觀的、量化的參考。郭明遠等[6]應(yīng)用sEMG研究發(fā)現(xiàn)，對腦卒中后上肢肌張力增高患者，進行被動伸肘及屈肘運動時，其拮抗肌、主動肌的均方根值(Root mean square，RMS)與改良Ashworth量表顯著相關(guān)，比如，被動屈肘時，改良Ashworth量表評定肱二頭肌痙攣1級，其對應(yīng)的RMS值為(6.00+0.707)uV，經(jīng)相關(guān)性分析(P<0.01)，有統(tǒng)計學意義。Onishi等[7]研究了受試者膝關(guān)節(jié)伸展時肌肉進行隨意靜力收縮時的iEMG與肌力和肌張力的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)隨著肌力的增加和肌張力的增高，iEMG出現(xiàn)相應(yīng)地升高。另有研究報道，腦卒中后痙攣患者在做等速運動時患側(cè)肌肉iEMG相對高于健側(cè)，而經(jīng)康復(fù)治療后肌肉痙攣程度逐漸下降，其iEMG也相應(yīng)地下降[8]。

3.2 肌肉疲勞度評定 肌肉疲勞的發(fā)生往往和中樞神經(jīng)系統(tǒng)的控制及肌肉本身的神經(jīng)肌肉信息傳遞、興奮-收縮耦聯(lián)和能量代謝等因素相關(guān)，以運動時肌肉產(chǎn)生最大隨意收縮力量或者最大輸出功率下降為主要表現(xiàn)，嚴重影響了患者腦卒中肢體功能的康復(fù)及治療的依從性。目前臨床上主要通過肌力的變化對肌肉疲勞進行評估，但是由于肌肉疲勞受到諸多因素的影響而受到限制。sEMG頻域指標MPF和MF在臨床上常常用于判別肌肉活動時的疲勞度[9]。通過對MPF和MF頻譜變化的分析可以較好的評價肌肉疲勞的狀態(tài)，對于腦卒中患者康復(fù)訓(xùn)練劑量的選擇及康復(fù)療效評估具有重要意義。萬澤明[10]通過對不同 Brunnstrom 分期的腦卒中患者上肢肌群時域和頻域等特征進行提取，發(fā)現(xiàn)隨著康復(fù)訓(xùn)練的進行，康復(fù)后期患者MPF下降速度較康復(fù)前期明顯減慢，而且其變化趨勢逐漸接近正常人，這說明持續(xù)的康復(fù)訓(xùn)練有利于提高腦卒中患者肌肉的耐疲勞能力。有學者對腦卒中患者上肢最大等長收縮時健、患側(cè)肌肉疲勞度的肌電圖進行分析[11]，發(fā)現(xiàn)偏癱側(cè)肌肉MF較健側(cè)下降更少，且表現(xiàn)出更低的自主收縮能力。有研究發(fā)現(xiàn)陣列式表面肌電圖更容易獲取反映運動性肌肉疲勞的中樞機制和外周機制的信息[12]，在一定程度上克服了傳統(tǒng)表面肌電的局限性。

3.3 運動功能障礙評定 我們通過sEMG對腦卒中運動功能障礙患者肌肉活動狀態(tài)進行分析，從而為其進行定性定量分析提供客觀依據(jù)。上肢方面：有學者觀察到[13]，早期腦卒中患者肘關(guān)節(jié)在最大等長收縮過程中，屈肘時，健側(cè)肱二頭肌iEMG明顯高于患側(cè)，健、患側(cè)肱三頭肌 iEMG比較無明顯差異；而伸肘時，患側(cè)肱二頭肌iEMG明顯高于健側(cè)，健側(cè)肱三頭肌iEMG大于患側(cè)，這一結(jié)果與臨床上腦卒中偏癱患者上肢肌肉痙攣主要以屈肌痙攣為主相符合。下肢方面：孫棟等[14]研究也發(fā)現(xiàn)，患者在膝關(guān)節(jié)最大等長收縮狀態(tài)下，膝伸展時，健側(cè)股直肌iEMG大于患側(cè)，而拮抗肌股二頭肌的健、患側(cè)iEMG比較無明顯差異；膝屈曲時，其主動肌的健側(cè)iEMG大于患側(cè)，而拮抗肌的患側(cè)iEMG大于健側(cè)，這一結(jié)果與臨床上腦卒中偏癱患者下肢肌肉痙攣主要以伸肌痙攣為主相符合。Cheng等[15]應(yīng)用sEMG記錄了腦卒中患者從坐位到站位過程中下肢肌肉活動狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)患者偏癱側(cè)的脛骨前肌沒有或僅有較小的肌電活動，而比目魚肌肌電振幅出現(xiàn)明顯上升，同時健側(cè)的股四頭肌和脛骨前肌肌電振幅出現(xiàn)明顯升高，說明腦卒中偏癱患者站立時患側(cè)脛骨前肌力弱，而健側(cè)肌肉出現(xiàn)代償性收縮以防止跌倒。步態(tài)分析：Den Otter等[16]分析偏癱患者步行中各個周期的肌電活動發(fā)現(xiàn)，在單腿支撐相時，健側(cè)及患側(cè)股二頭肌和股直肌的激活時間均較正常人延長；在小腿肌肉中，支撐相早期患側(cè)腓腸肌的激活時間延長，擺動相患側(cè)脛骨前肌的激活時間延長，但擺動相患側(cè)脛骨前肌的肌肉激活時間略短。另有研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，偏癱患者步行時腓骨長短肌、腓腸肌內(nèi)外側(cè)頭支撐相RMS比正常值明顯減少，表明偏癱患者小腿肌肉力弱是步行障礙的重要原因[17]。近年來，國外學者Rybar[18]研究發(fā)現(xiàn)，偏癱患者因遠端肌力下降和運動控制障礙，容易出現(xiàn)屈髖肌群的過度活動。而sEMG同時記錄到股直肌的肌電活動在步行中明顯增加的結(jié)果證實了該觀點。

4 sEMG在腦卒中后運動功能障礙康復(fù)治療中的應(yīng)用

4.1 康復(fù)治療指導(dǎo) sEMG不僅可以對肌肉活動狀態(tài)進行定性定量分析，而且對于臨床康復(fù)治療具有重要的指導(dǎo)意義。Burke等[19]研究腦卒中偏癱患者在無輔助步行、扶單腳手杖步行和扶四腳手杖步行3種條件下患側(cè)豎脊肌、臀大肌、股外側(cè)肌、腓腸肌和脛骨前肌肌電活動的波形和振幅的變化時發(fā)現(xiàn)，扶單腳手杖步行時，患側(cè)豎脊肌和脛前肌肌電活動持續(xù)時間明顯縮短，提示扶單腳手杖步行方式在偏癱步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練中值得考慮。樊留博[20]應(yīng)用sEMG對腦卒中患者膝關(guān)節(jié)肌電活動進行分析，發(fā)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)控制強化訓(xùn)練可以降低下肢肌張力，從而有利于下肢步態(tài)障礙的康復(fù)。孫棟等[14]通過觀察和分析偏癱患者股直肌、股二頭肌在最大等長收縮過程中iEMG大小驗證腦卒中偏癱患者下肢肌肉痙攣主要以伸肌痙攣為主，提示在對腦卒中患者膝關(guān)節(jié)屈曲運動訓(xùn)練時，應(yīng)強調(diào)增強主動肌收縮并抑制拮抗肌的協(xié)同收縮。另有研究者對偏癱癱患者步行時腓骨長短肌、腓腸肌內(nèi)外側(cè)頭支撐相RMS值進行分析[17]，得出加強小腿肌肉力量訓(xùn)練，是偏癱步行訓(xùn)練重要內(nèi)容的結(jié)論。

4.2 康復(fù)療效評估 長期以來對于腦卒中患者運動功能障礙康復(fù)療效評估，主要采用肌力分級評估、肌肉力量檢測和肌肉痙攣度檢測等方法，由于檢測方法及量表評估的主觀性、檢測結(jié)果不能精確定量等缺點而使其受到質(zhì)疑。sEMG因其能對肌肉功能狀態(tài)、肌力變化水平進行客觀、定量的分析，目前已被應(yīng)用于腦卒中運動功能障礙康復(fù)療效評估中。許林海等[21]研究功能強化訓(xùn)練結(jié)合肌電生物反饋對急性腦卒中患者上肢功能的影響，研究發(fā)現(xiàn)，患者治療后主動肩外展和腕背伸時三角肌和橈側(cè)腕長肌做等長收縮時的iEMG較治療前明顯升高，而Brunnstrom分級上肢評定、功能性獨立評定、肩外展及腕背伸主動活動范圍也較治療前明顯改善，表明功能強化訓(xùn)練結(jié)合肌電生物反饋能有效改善急性腦卒中偏癱患者的上肢運動功能，而iEMG可以作為其量化的評估指標。Andersen等[22]運用sEMG測試高強度的物理康復(fù)訓(xùn)練對腦卒中后輕度偏癱患者的神經(jīng)肌肉功能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，主動肌收縮時肌電振幅明顯升高，患者步行能力同時提高52%～68%，表明sEMG可以作為一種評估高強度物理康復(fù)訓(xùn)練治療腦卒中運動功能障礙的重要方法。Buuke等[23]則發(fā)現(xiàn)，腦卒中偏癱患者應(yīng)用手杖步行時患側(cè)脛骨前肌的異常激活時間明顯縮短，同時患側(cè)股外側(cè)肌和脛骨前肌異常增大的肌電波幅明顯下降，同時其偏癱步態(tài)得到明顯改善，從而認為步行時手杖的應(yīng)用是改善偏癱步態(tài)的重要方法。在近來的研究中，Boudarham等[24]則發(fā)現(xiàn)一種角度可變的動態(tài)踝足矯形器可使支撐相和擺動相的踝背伸肌肉肌電活動增加，支撐相末期的踝跖屈肌肉肌電活動增加，同時發(fā)現(xiàn)步態(tài)中的痙攣性馬蹄足的背伸角度也明顯得到了改善。國內(nèi)劉嶸等[25]采用sEMG觀察運動訓(xùn)練結(jié)合芍藥甘草湯治療腦卒中后肢體痙攣的臨床療效，研究發(fā)現(xiàn)，運動訓(xùn)練結(jié)合芍藥甘草湯組側(cè)屈肌iEMG和RMS值較運動訓(xùn)練組明顯降低，表明芍藥甘草湯能夠改善腦卒中后肌痙攣情況，降低肌張力。中醫(yī)方面，王薌斌等[26]觀察了不同針刺頻率治療腦卒中下肢痙攣患者肌電信號變化，發(fā)現(xiàn)高頻刺激治療后股直肌及腓腸肌iEMG較治療前明顯降低，同時Fugl-Meyer功能評分、痙攣指數(shù)和步行功能均顯著改善，說明高頻刺激有助于降低腦卒中患者下肢的痙攣程度和提高步行功能，而iEMG可量化的評估其治療效果。

5 展望

綜上所述，sEMG作為一種安全、無創(chuàng)并能客觀反映神經(jīng)肌肉系統(tǒng)生物電活動的檢測手段和方法，現(xiàn)已被應(yīng)用于腦卒中運動功能障礙中的研究中，相對于其它檢測和評估方法，其在評價神經(jīng)肌肉功能狀態(tài)方面具有良好的特異性、靈敏性和客觀性，同時在康復(fù)治療方案制定及康復(fù)療效評估方面作出了重要的貢獻。但是sEMG在研究和應(yīng)用過程中還存在一些不足和缺陷：①sEMG主要采集肌肉活動的表面肌電信號，不可避免的出現(xiàn)肌電信號的串擾，影響數(shù)據(jù)的準確性；②sEMG分析方法，特別是非線性分析方法在肌電研究方面還不夠成熟，還不能解決表面肌電信號不準確的問題；③sEMG臨床研究目前還是以單中心、小樣本為主，缺乏多中心、大樣本的規(guī)范化研究。④由于各研究人員使用的表面肌電圖儀器不盡相同，參考數(shù)據(jù)缺乏統(tǒng)一的標準，限制了研究成果之間的比較。隨著sEMG技術(shù)的不斷發(fā)展，在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，研究和探索sEMG信號在神經(jīng)肌肉活動過程中表現(xiàn)出來的各種特征性變化的生理學、病理學機制，將成為熱點問題。而在應(yīng)用研究領(lǐng)域，建立面向臨床醫(yī)學、康復(fù)醫(yī)學等的標準化、規(guī)范化的sEMG檢測試驗和構(gòu)建功能評價標準將是未來研究的重要方向。

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