表面肌電圖在腦卒中后運動功能障礙康復中的應用

羅夢，周國平， 楊路，王清枝，李健文，徐敏

表面肌電圖(surface electromyography，sEMG)，又稱動態肌電圖(dynamic electromyography，DEMG)，是從皮膚表面通過電極引導、放大、顯示和記錄下來的神經肌肉系統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在生理、病理改變的一致性。采用sEMG技術研究腦卒中偏癱患者患側肌肉神經功能狀態、指導康復治療以及康復療效評估等，已經成為康復醫學研究的一個重要領域[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元的控制，大腦皮質下的運動抑制效應得以釋放，從而出現肢體肌張力增高、肌力下降等臨床表現[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量和放電大小，體現肌肉在單位時間內的收縮特性。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系。與時域指標相比，頻域指標因變異較小而更具有優勢[4]。聯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。小波變換是傅立葉變換的新發展，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，包括李雅普諾夫指數、熵、分形分析技術，近年來也有一部分被應用于肌肉功能狀態及病理診斷的研究[5]。但是該技術目前還不夠成熟，導致臨床應用仍然較少。

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肌肉系統活動生物電信號，因其本身固有隨機的、非穩態的、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：采樣應建立在解剖中立位的基礎上；⑤電極位置：兩記錄電極的連接應盡量與肌纖維平行，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，才能確保數據的準確性和客觀性，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評定中的應用

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]應用sEMG研究發現，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，比如，被動屈肘時，改良Ashworth量表評定肱二頭肌痙攣1級，其對應的RMS值為(6.00+0.707)uV，經相關性分析(P<0.01)，有統計學意義。Onishi等[7]研究了受試者膝關節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系，發現隨著肌力的增加和肌張力的增高，iEMG出現相應地升高。另有研究報道，腦卒中后痙攣患者在做等速運動時患側肌肉iEMG相對高于健側，而經康復治療后肌肉痙攣程度逐漸下降，其iEMG也相應地下降[8]。

3.2 肌肉疲勞度評定 肌肉疲勞的發生往往和中樞神經系統的控制及肌肉本身的神經肌肉信息傳遞、興奮-收縮耦聯和能量代謝等因素相關，以運動時肌肉產生最大隨意收縮力量或者最大輸出功率下降為主要表現，嚴重影響了患者腦卒中肢體功能的康復及治療的依從性。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，對于腦卒中患者康復訓練劑量的選擇及康復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，發現隨著康復訓練的進行，康復后期患者MPF下降速度較康復前期明顯減慢，而且其變化趨勢逐漸接近正常人，這說明持續的康復訓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、患側肌肉疲勞度的肌電圖進行分析[11]，發現偏癱側肌肉MF較健側下降更少，且表現出更低的自主收縮能力。有研究發現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進行分析，從而為其進行定性定量分析提供客觀依據。上肢方面：有學者觀察到[13]，早期腦卒中患者肘關節在最大等長收縮過程中，屈肘時，健側肱二頭肌iEMG明顯高于患側，健、患側肱三頭肌 iEMG比較無明顯差異；而伸肘時，患側肱二頭肌iEMG明顯高于健側，健側肱三頭肌iEMG大于患側，這一結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]研究也發現，患者在膝關節最大等長收縮狀態下，膝伸展時，健側股直肌iEMG大于患側，而拮抗肌股二頭肌的健、患側iEMG比較無明顯差異；膝屈曲時，其主動肌的健側iEMG大于患側，而拮抗肌的患側iEMG大于健側，這一結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，發現患者偏癱側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明顯上升，同時健側的股四頭肌和脛骨前肌肌電振幅出現明顯升高，說明腦卒中偏癱患者站立時患側脛骨前肌力弱，而健側肌肉出現代償性收縮以防止跌倒。步態分析：Den Otter等[16]分析偏癱患者步行中各個周期的肌電活動發現，在單腿支撐相時，健側及患側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，支撐相早期患側腓腸肌的激活時間延長，擺動相患側脛骨前肌的激活時間延長，但擺動相患側脛骨前肌的肌肉激活時間略短。另有研究結果發現，偏癱患者步行時腓骨長短肌、腓腸肌內外側頭支撐相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]研究發現，偏癱患者因遠端肌力下降和運動控制障礙，容易出現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果證實了該觀點。

4 sEMG在腦卒中后運動功能障礙康復治療中的應用

4.1 康復治療指導 sEMG不僅可以對肌肉活動狀態進行定性定量分析，而且對于臨床康復治療具有重要的指導意義。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種條件下患側豎脊肌、臀大肌、股外側肌、腓腸肌和脛骨前肌肌電活動的波形和振幅的變化時發現，扶單腳手杖步行時，患側豎脊肌和脛前肌肌電活動持續時間明顯縮短，提示扶單腳手杖步行方式在偏癱步態康復訓練中值得考慮。樊留博[20]應用sEMG對腦卒中患者膝關節肌電活動進行分析，發現膝關節控制強化訓練可以降低下肢肌張力，從而有利于下肢步態障礙的康復。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節屈曲運動訓練時，應強調增強主動肌收縮并抑制拮抗肌的協同收縮。另有研究者對偏癱癱患者步行時腓骨長短肌、腓腸肌內外側頭支撐相RMS值進行分析[17]，得出加強小腿肌肉力量訓練，是偏癱步行訓練重要內容的結論。

4.2 康復療效評估 長期以來對于腦卒中患者運動功能障礙康復療效評估，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、檢測結果不能精確定量等缺點而使其受到質疑。sEMG因其能對肌肉功能狀態、肌力變化水平進行客觀、定量的分析，目前已被應用于腦卒中運動功能障礙康復療效評估中。許林海等[21]研究功能強化訓練結合肌電生物反饋對急性腦卒中患者上肢功能的影響，研究發現，患者治療后主動肩外展和腕背伸時三角肌和橈側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，表明功能強化訓練結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訓練對腦卒中后輕度偏癱患者的神經肌肉功能的影響，結果發現，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訓練治療腦卒中運動功能障礙的重要方法。Buuke等[23]則發現，腦卒中偏癱患者應用手杖步行時患側脛骨前肌的異常激活時間明顯縮短，同時患側股外側肌和脛骨前肌異常增大的肌電波幅明顯下降，同時其偏癱步態得到明顯改善，從而認為步行時手杖的應用是改善偏癱步態的重要方法。在近來的研究中，Boudarham等[24]則發現一種角度可變的動態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，同時發現步態中的痙攣性馬蹄足的背伸角度也明顯得到了改善。國內劉嶸等[25]采用sEMG觀察運動訓練結合芍藥甘草湯治療腦卒中后肢體痙攣的臨床療效，研究發現，運動訓練結合芍藥甘草湯組側屈肌iEMG和RMS值較運動訓練組明顯降低，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，發現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、無創并能客觀反映神經肌肉系統生物電活動的檢測手段和方法，現已被應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，其在評價神經肌肉功能狀態方面具有良好的特異性、靈敏性和客觀性，同時在康復治療方案制定及康復療效評估方面作出了重要的貢獻。但是sEMG在研究和應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，不可避免的出現肌電信號的串擾，影響數據的準確性；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，參考數據缺乏統一的標準，限制了研究成果之間的比較。隨著sEMG技術的不斷發展，在基礎研究領域，研究和探索sEMG信號在神經肌肉活動過程中表現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。而在應用研究領域，建立面向臨床醫學、康復醫學等的標準化、規范化的sEMG檢測試驗和構建功能評價標準將是未來研究的重要方向。

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