脑卒中偏瘫患者肩肘关节在等长性收缩运动中的力量控制①

赵晨钰，毕胜，卢茜

脑卒中偏瘫患者肩肘关节在等长性收缩运动中的力量控制①

赵晨钰1，毕胜2，卢茜3

目的评价慢性期脑卒中患者肩关节和肘关节在等长性收缩运动中的力量控制能力。方法2015年1月至12月，22例慢性脑卒中患者及12名健康对照者，采用手臂静力力量测量仪器测量在肩外展、内收和肘屈曲、伸展4组动作下的最大力量，计算变异系数。结果脑卒中患者上肢最大力量低于健康人(t＞2.349,P＜0.05)，除肘伸展外，变异系数也增加(t＞1.974,P＜0.05)。结论通过力量测试及变异系数的计算，能客观反映脑卒中患者肩肘运动的控制能力。

脑卒中；偏瘫；肩；肘；等长性收缩；力量控制

[本文著录格式] 赵晨钰，毕胜，卢茜.脑卒中偏瘫患者肩肘关节在等长性收缩运动中的力量控制[J].中国康复理论与实践, 2017,23(1):81-84.

CITED AS:Zhao CY,Bi S,Lu X.Force control of elbow and shoulder during isometric contraction in hemiparetic stroke patients[J]. Zhongguo Kangfu Lilun Yu Shijian,2017,23(1):81-84.

有效生成力量和精确调控力量对于上肢精细运动功能至关重要。脑卒中后，由于上肢感觉运动功能缺失，常造成患侧肢体力量减弱[1]、控制能力降低[2-3]和肢体协调性下降[4]；而且脑卒中偏瘫上肢功能的恢复较下肢慢、效果差，对日常生活影响很大[5]。

虽然肌力被当作脑卒中后运动功能恢复的一个重要的临床指标，但调控力量的能力在运动评价和康复研究中却较少受到关注。一些临床测试(如徒手肌力测试)只提供了快速的、近似的运动功能评价，对力量调控能力的评价仍不典型[3]。客观、量化地评定脑卒中偏瘫患者的力量控制能力十分重要。

本研究采用偏瘫手臂静力力量测量仪器[6]测量脑卒中患者在独立的肩关节及肘关节等长性自主收缩的肌力，对力量的变异性进行分析，以实现对脑卒中患者偏瘫上肢肩肘关节力量控制的量化评估。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取2015年1月至12月在解放军总医院康复医学中心和北京康复医院接受康复治疗的慢性脑卒中患者22例，男性18例，女性4例，年龄(55.13±10.84)岁；由CT或MRI诊断为一侧大脑半球损伤。

纳入标准：①均为初次发病，病程＞3个月；②肩外展肌、内收肌，肘屈曲肌和伸展肌徒手肌力Ⅱ～Ⅳ级，改良Ashworth量表＜Ⅱ级；③简易精神状态检查评分≥22分；④患者本人及家属签署知情同意书。

排除标准：①运动功能障碍较为严重，不能进行主动运动；或运动功能恢复良好，接近正常功能；②患侧上肢严重肩痛、骨折和手术；③脑干病变；④正在口服或注射抗痉挛药物。

另选12名健康对照者，均为本院护工，其中男性10名，女性2名；年龄(50.08±11.19)岁，身高及体质量与患者相匹配，没有神经系统损伤或神经系统基础疾病。

1.2 方法

1.2.1 数据采集

受试者坐于固定背靠椅上，躯干由经过胸、腹部的带子固定于椅背上，躯干和骨盆被限制移动，防止躯体代偿；手臂放于静力力量测量仪器的支架上。测量仪器可实现受试者上肢肩外展75°、屈曲40°，肘屈曲90°[7]。固定受试者上臂远端及腕部，手对自身的正中矢状位，手掌侧朝向身体。受试者进行肩关节外展、内收，肘关节屈曲、伸展动作，支架测定手臂近端与远端在等长收缩(isometric contraction)过程中最大自主收缩力(maximum volunteer contraction,MVC)。在受试者以50%MVC执行肩关节外展、内收与肘关节的屈曲、伸展动作时，支架能够测量前、后臂在动作平面X、Y两个方向的力和垂直于动作平面的力矩。受试者头部正前方60 cm有一显示器，可以显示测试的肌力。

运动任务包括等长性肩外展、内收和肘屈曲、伸展四组动作，先测定MVC，再测定在50%MVC时肩、肘关节在完成上述动作时的肌力，在(预计值± 10%)范围内即为完成动作。实验开始时，给予受试者听觉信号提示实验开始，引起受试者的注意力；然后语音提示所要完成的任务，如“肩外展最大”“肩内收最大”或“肩外展50%”，受试者根据提示做相应动作，达到目标力值时保持1 s，然后提示受试者放松，休息5～7 s。每个动作3次，取平均值。完成一个动作后，休息3～5 min。

测试前，实验人员认真向患者解释实验过程、每个动作用力的方向及注意事项，告知受试者实验时要避免运用身体的力量，可让受试者练习5～10 min。

1.2.2 数据处理

对所采集的数据进行基线矫正，即选取动作开始前相对平稳的2 s力线作为基准线，取其余时间的力值点减去该段基线数据的均值。

计算50%MVC下三次测试过程中，受试者在力量保持1 s中力量的平均值及标准差，计算力量的变异系数(coefficient of variation,CV)：

CV=标准差/平均值[3]

1.3 统计学分析

采用SPSS 17.0统计软件进行数据处理。符合正态分布的数据采用独立样本t检验，不符合正态分布数据采用Wilcoxon秩和检验。显著性水平α=0.05。

2 结果

2.1 肌力

与健康人相比，患者肩外展肌力下降32.87%，肩内收肌力下降36.46%，肘伸展肌力下降46.01%，肘屈曲肌力下降52.06%，均有显著性差异(P＜0.05)。见表1。

表1 脑卒中患者与健康人肩肘关节MVC比较(N)

50%MVC时，患者肩外展肌力(23.60±10.79)N，肩内收(21.68±12.45)N，肘屈曲(32.40±25.50)N，肘伸展(32.11±23.53)N；健康人肩外展(34.24±18.06) N，肩内收(30.95±11.85)N，肘屈曲(53.86±23.42)N，肘伸展(50.97±16.87)N。与预计50%MVC相差不超过10%，均达到目标力值。

2.2 CV

患者的肩外展、内收CV明显大于健康人(P＜0.01)；肘关节屈曲CV大于健康人(P＜0.05)，肘关节伸展CV值有大于健康人的趋势，但无显著性差异(P＞0.05)。

表250 %MVC条件下力量CV比较

3 讨论

本研究主要涉及脑卒中偏瘫患者偏瘫侧上肢肩肘关节的力量、变异性。首先，脑卒中偏瘫患者偏瘫侧上肢肌力减弱，尤其是肘关节。在50%MVC条件下执行四组动作任务时，不论是患者还是健康人都达到目标力值，但患者表现出明显变异性，尤其是在肩关节内收时变异性更大，脑卒中后肩关节控制能力更差。

尽管神经肌肉机制在力量产生方面的确切角色还不是很清楚，但脑卒中后中枢神经系统损伤被认为影响了力量的产生[3]。中枢神经系统损伤可能中断了皮质脊髓和皮质延髓的投射，导致α运动神经元数量减少，造成运动单位活化数量降低[8]、目标肌肉募集减少。

本研究中患者偏瘫肢体力量小于健康人，尤其是肘关节力量下降更明显。这可能与损伤部位有关。已有动物研究表明，上肢远端肌肉主要受脊髓背外侧下行通路控制[9-10]。对人类的研究表明，上肢近端肌肉受皮质脊髓束控制[11-12]，运动前区损伤患者上肢近端肌肉力量更差[13]。另外，由于长期静止不动导致的肌肉萎缩，也被认为影响了患者力量的产生[3]。

还有研究表明，肢体力量的产生除主动肌肉的活化外，还有被动因素的参与，如关节囊、韧带及关节接触点等，这些被动要素起到传递力量的作用[14]。

力量控制(force control)是指肌肉稳定、准确、实时地产生与目标要求相匹配的力量的能力[15]。力量控制的能力可由力量产生的变异性决定[1]，CV即为力量控制变异性的评价指标，CV越小表明控制性能越好[16]。已有研究证明脑卒中患者健患侧手力量的不对称性[17]，且力量的不对称性越大，运动损伤越严重[18]；且与对照组相比，脑卒中患者在单手和双手等长性力量控制任务中都表现出更大的力量变异性[19]，变异性与Fugl-Meyer评定量表评分呈负相关[3]。Kang等[20]的研究也发现，在5%和25%MVC条件下执行双手力量控制任务时，尽管两手间的力量相近，但健患侧手之间却表现出力量变异性的不对称。这些研究表明，力量变异性的不对称是脑卒中慢性期一种额外的运动缺陷。总的来说，CV可用于评价力量控制能力。现阶段的研究多集中于手掌及手指运动。

人类上肢关节的活动以灵活为主，远端手用于抓握和操作，近端肩、肘关节用于控制运动的方向，尤其是肩关节，可在多个自由度运动，多自由度提供了活动过程中的复杂性和适应性[3]。有人认为运动系统结构成分的数量和功能耦合的改变，会造成运动系统复杂性的降低[21]，而运动系统复杂性的改变可以用力量的变异程度表现，这在以前的研究中已得到证明。

力量控制损伤的机制可能涉及皮质脊髓束的损害[22]和皮层的激活程度[23]。很明显，脑卒中造成了运动系统的功能重组：在宏观水平上，由于协同异常，肩肘肌肉群被迫作为一个运动单位进行活化[4]，而单个关节肌肉无法被活化，造成关节自由度的缺失；在微观水平上，神经元和运动单位的缺失以及神经系统放电模式的改变，也会限制运动系统可获得的自由度数量[3]。更重要的是，由于脑卒中导致的力量降低，造成了更高的力量变异性。Neha等[2]对腕关节和手指等长伸展运动的力量控制研究证明，随着力量的增大，CV逐渐减小，即控制能力增强。Hu等[16,24]的研究发现，年龄越大，CV越大；Westerveld等[25]研究发现，与健康人相比，脑卒中患者在力量控制中对视觉反馈有更大的依赖性。本研究中，肩关节的力量损伤比肘关节轻，控制能力反而更差。对此的机制不十分明确，可能是因为肩关节是多轴关节，灵活但稳定性差，而脑卒中会加重这种关节的不稳定。

通过对脑卒中患者患侧肩肘关节不同任务下力量水平的测试，可以对患者的运动功能恢复进行定量评价；通过CV的计算能客观反映脑卒中患者肩肘运动控制能力明显比健康人更差，尤其是对肩关节的控制能力。因此在康复过程中，应加强肌肉控制能力的训练，尤其是对肩关节的训练。变异性的产生机制仍不十分明确。因此在以后的研究中可以结合临床评价、生物力学和电生理学等方面，对控制肩肘关节的单个肌肉的活动进行测量，对脑卒中患者肩肘等大关节的运动损伤进行更系统的研究。

[1]Kang N,Cauraugh JH.Force control in chronic stroke[J].Neurosci Biobehav Rev,2015,52:38-48.

[2]Patten C,Kothari D,Whitney J,et al.Reliability and responsiveness of elbow trajectory tracking in chronic poststroke hemiparesis[J].J Rehabil Res Dev,2003,40(6):487-500.

[3]Lodha N,Naik SK,Coombes SA,et al.Force control and degree of motor impairments in chronic stroke[J].Clin Neurophysiol,2010,121(11):1952-1961.

[4]Dewald JP,Pope PS,Given JD,et al.Abnormal muscle coactivation patterns during isometric torque generation at the elbow and shoulder in hemiparetic subjects[J].Brain,1995,118(2): 495-510.

[5]何静杰,刘璇.脑卒中偏瘫侧上肢的评定与康复[J].中国康复理论与实践,2004,10(9):571-572.

[6]洪跃镇,隋建锋,季林红,等.偏瘫手臂静力力量测量仪器的设计研究[J].中国康复医学杂志,2015,30(12):1253-1256.

[7]Yao J,ChenA,Carmona C,et al.Cortical overlap of joint representations contributes to the loss of independent joint control following stroke[J].Neuroimage,2009,45(2):490-499.

[8]Lukács M.Electrophysiological signs of changes in motor units after ischaemic stroke[J].Clin Neurophysiol,2005,116 (7):1566-1570.

[9]Landgren S,Phillips CG,Porter R.Cortical fields of origin of the monosynaptic pyramidal pathways to some alpha motoneurones of the baboon's hand and forearm[J].J Physiol,1962, 161:112-125.

[10]Phillips CG,Porter R.The pyramidal projection to motoneurones of some muscle groups of the baboon's forelimb[J].Prog Brain Res,1964,12:222-245.

[11]Brouwer B,Ashby P.Corticospinal projections to upper and lower limb spinal motoneurons in man[J].Electroencephalogr Clin Neurophysiol,1990,76(6):509-519.

[12]Colebatch JG,Rothwell JC,Day BL,et al.Cortical outflow to proximal arm muscles in man[J].Brain,1990,113(6): 1843-1856.

[13]Freund HJ,Hummelsheim H.Premotor cortex in man:evidence for innervation of proximal limb muscles[J].Exp Brain Res,1984,53(2):479-482.

[14]Bourbonnais D,Vanden Noven S,Carey KM,et al.Abnormal spatial patterns of elbow muscle activation in hemiparetic human subjects[J].Brain,1989,112(1):85-102.

[15]Naik SK,Patten C,Lodha N,et al.Force control deficits in chronic stroke:grip formation and release phases[J].Exp Brain Res,2011,211(1):1-15.

[16]Hu X,Newell KM.Adaptation to bimanual asymmetric weights in isometric force coordination[J].Neurosci Lett, 2011,490(2):121-125.

[17]Lindberg PG,Roche N,Robertson J,et al.Affected and unaffected quantitative aspects of grip force control in hemiparetic patients after stroke[J].Brain Res,2012,1452:96-107.

[18]Bertrand AM,Mercier C,Shun PL,et al.Effects of weakness on symmetrical bilateral grip force exertion in subjects with hemiparesis[J].J Neurophysiol,2004,91(4):1579-1585.

[19]Ye Y,Ma L,Yan T,et al.Kinetic measurements of hand motor impairments after mild to moderate stroke using grip control tasks[J].J Neuroeng Rehabil,2014,11:84.

[20]Kang N,Cauraugh JH.Bimanual force variability and chronic stroke:asymmetrical hand control[J].PLoS One,2014,9(7): e101817.

[21]Vaillancourt DE,Newell KM.Changing complexity in human behavior and physiology through aging and disease[J].NeurobiolAging,2002,23(1):1-11.

[22]Latash ML,Anson JG.Synergies in health and disease:relations to adaptive changes in motor coordination[J].Phys Ther, 2006,86(8):1151-1160.

[23]Ward NS.Functional reorganization of the cerebral motor system after stroke[J].Curr Opin Neurol,2004,17(6):725-730.

[24]Hu X,Loncharich M,Newell KM.Visual information interacts with neuromuscular factors in the coordination of bimanual isometric force[J].Exp Brain Res,2011,209(1):129-138.

[25]Westerveld AJ,Schouten AC,Veltink PH,et al.Control of thumb force using surface functional electrical stimulation and muscle load sharing[J].J Neuroeng Rehabil,2013,10:104.

Force Control of Elbow and Shoulder during Isometric Contraction in Hemiparetic Stroke Patients

ZHAO Chen-yu1,BI Sheng2,LU Xi3
1.Chinese PLA Medical School,Beijing 100853,China;2.Department of Rehabilitation Medicine,Chinese PLA General Hospital,Beijing 100853,China;3.China-Japan Friendship Hospital,Beijing 100029,China

BI Sheng.E-mail:bisheng301@gmail.com

ObjectiveTo evaluate the ability of force control of elbow and shoulder during isometric contraction in patients with chronic stroke.MethodsFrom January to December,2015,22 chronic stroke patients and 12 healthy people were measured the maximum force during shoulder abduction/adduction and elbow flexion/extension with instrument for measuring force of upper extremity.The coefficient of variation was calculated.ResultsThe maximum force was less in the patients than in the healthy controls(t＞2.349,P＜0.05),and the coefficient of variation increased(t＞1.974,P＜0.05),except those of elbow extension.ConclusionThe force measure and the coefficient of variation can reflect the force control in shoulder and elbow motion in stroke patients.

stroke;hemiplegia;shoulder;elbow;isometric contraction;force control

10.3969/j.issn.1006-9771.2017.01.019

R743.3

A

1006-9771(2017)01-0081-04

2016-10-27

2016-12-08)

国家自然科学基金项目(No.81272162)。

1.解放军医学院，北京市100853；2.解放军总医院康复科，北京市100853；3.中日友好医院，北京市100029。作者简介：赵晨钰(1989-)，女，汉族，河北保定市人，硕士研究生，主要研究方向：神经康复。通讯作者：毕胜，主任医师，教授。E-mail:bisheng301@gmail.com。