脑卒中患者步态周期各时相中下肢肌肉的表面肌电特点

陈一，施海涛，毛岭

复旦大学附属华东医院康复科，上海市200040

脑卒中患者步行功能障碍的典型行为学表现为偏瘫步态[1]。偏瘫步态增加脑卒中患者跌倒的风险、失衡的发生以及社会参与程度的下降[2]。恢复脑卒中患者的正常步态已成为目前康复治疗的核心功能目标[3]。因此，对脑卒中患者偏瘫步态的科学分析就显得尤为重要。脑卒中后偏瘫步态的形成主要与患侧下肢肌肉不同程度的肌力下降和肌张力增高有关，故脑卒中后下肢肌肉功能状态是偏瘫步态分析中的主要研究对象[4]。

表面肌电(surface electromyography,sEMG)检测具有无创性、实时性和多靶点测量等优点，可用于定量和定性分析各种运动状态下的神经肌肉功能，推测神经肌肉的病变性质[5-6]。国内外多位学者已对sEMG测试神经肌肉功能的信度和效度予以肯定[7-8]。本研究采用sEMG分析脑卒中后偏瘫步态相关下肢肌肉的活动状况。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选择2018年1月至6月在复旦大学附属华东医院康复医学科住院的脑卒中患者20例(试验组)，诊断均符合1995年第四届全国脑血管疾病学术会议制定的诊断标准。

纳入标准：①首次脑卒中导致一侧肢体功能障碍；②经头颅CT或MRI检査证实；③患者病情稳定，意识清楚，能理解并完成动作性指令；④患侧下肢Brunnstrom分期在Ⅳ期或以上、改良Ashworth分级在1+级或以下；⑤患侧下肢屈伸膝肌力的徒手肌力评定≥3级；⑥Holden步行功能评级在4级或以上，并能够独立步行50 m以上；⑦Berg平衡量表评分≥40分。

排除标准：①病情不稳定；②意识不清及言语障碍；③小脑、脑干梗死；④其他引起步行功能障碍的疾病，如帕金森病、脊髓损伤、周围神经病变、下肢骨折及严重的下肢骨关节病等；⑤并发严重内科疾病，如呼吸衰竭、心力衰竭和重症肺炎等。

选择复旦大学附属华东医院的工作人员和住院患者的家属20例(对照组)。

纳入标准：①年龄、性别均与试验组相匹配；②可独自行走；③认知和言语表达能力正常。

排除标准：①有脑卒中病史；②有下肢骨关节病病史；③痴呆、言语功能障碍。

两组在性别、年龄、身高和体质量等方面无显著性差异(P＞0.05)。见表1。

本研究已经本院伦理委员会批准(No.20170002)，所有受试者均签署书面知情同意。

1.2 方法

应用TELEMYO 2400T G2型的sEMG遥测仪(美国NORAXON公司)测量40例受试者下肢胫骨前肌(tibialis anterior,TA)、股直肌(rectus femoris,RF)、腓肠肌内侧头(gastrocnemius medial,GM)和股二头肌(biceps femoris,BF)的sEMG信号。

测试时，嘱受试者尽量放松、自然站好，使sEMG信号保持在基线附近(上下波动不超过10μV)；听从测试人员口令，原地踏步20 s，预试肌电信号，检查信噪比符合要求；然后受试者在无干扰情况下直线行走6 m左右，重复6次，每次结束后休息20 s再进行下一次；同步采集sEMG信号。整个测试过程均用罗技高清摄像头进行实时拍摄。

1.3 评估方法

首先借助高清录像划分步态周期及其各分相：第一双支撑相(first double support phase,DS1)、单支撑相(single support phase,SS)、第二双支撑相(second double support phase,DS2)和摆动相(swing phase,SW)[9]。然后应用专用信号处理软件MyoResearch对sEMG信号进行处理，提取出步态周期及其各分相中测试肌肉的平均肌电值(average EMG,AEMG)、积分肌电值(integrated EMG,IEMG)、平均功率频率(mean power frequency,MPF)和中位频率(median frequency,MF)等，取脑卒中患者患侧、健侧及健康受试者右侧进行比较。

表1 两组一般资料比较

1.4 统计学分析

采用SPSS 19.0统计软件包进行统计学分析。计量资料以(xˉ±s)表示。所得数据经正态性检验，均服从正态分布；经方差齐性检验，方差齐者采用单因素方差分析检验，方差不齐者采用秩和检验；计数资料采用χ2检验。显著性水平α=0.05。

2 结果

对照组TA、RF、GM和BF的肌电活动随步态周期呈活动与静止周期性变化，左右侧同名肌肉交替活动(图1a)。试验组TA、RF、GM和BF的肌电活动随步态周期亦呈活动与静止周期性变化，但左右侧同名肌肉交替活动规律不明显(图1b)。

在步态周期及其各分相中(除DS2阶段外)，试验组双下肢和对照组右下肢TA的sEMG值均无显著性差异(P＞0.05)。见表2。

在DS2阶段，试验组患侧TA和BF的IEMG高于对照组右侧(P＜0.05)。见表3。

在步态周期及其各分相中(除SW阶段外)，试验组健侧RF的IEMG均大于对照组右侧(P＜0.05)，患侧下肢所检肌肉的MPF和MF与对照组右侧相似。见表4。

在SS阶段，三组GM的IEMG差异最明显：试验组患侧＜试验组健侧＜对照组右侧(P＜0.01)；试验组患侧TA的AEMG最大，而健康受试者右下肢的GM肌电均值最大。见表5。

在SW阶段，试验组双下肢和对照组右下肢所检肌肉的sEMG值均无显著性差异(P＞0.05)。见表6。

3 讨论

脑卒中后，由于高级中枢病变，失去对低级中枢的调控，容易出现肌张力障碍和肌群间协调紊乱等[10-11]。故脑卒中患者的下肢运动功能障碍主要表现为划圈前进的痉挛步态，其特征是患侧下肢伸肌痉挛，使患髋处于外展、外旋、伸展位，患膝处于伸展或过伸位，患踝内翻或下垂，患趾屈曲、内收，同时患肢因姿势反射异常以及共同运动抑制了正常的运动模式[10,12]。

脑卒中后，偏瘫患者步态周期各分相的动力学发生改变：在DS1阶段，患足着地，准备承担体重，但因患侧下肢抗重力肌力较弱，使得该阶段延长；小腿三头肌痉挛造成的足下垂以及胫骨后肌痉挛导致的足内翻使得足前外侧缘先着地，造成踝关节不稳定[13-14]；在SS阶段，患者为了尽可能缩短患侧下肢的支撑时间，会加快对侧下肢的摆动速度，但因足下垂，使得踝关节无法从跖屈位变为背伸位，故身体重心不能从足跟移至足前，出现支撑不稳，此时患者常通过膝关节过伸或过屈、骨盆过度后倾以及躯干向健侧倾斜等方式来代偿[13-14]；在DS2阶段，患者因站立不稳、膝关节僵直、髋关节伸展不充分，为向前迈步所做的准备不够，足离地时小腿三头肌产生的使人体向前移动的推动力不足，同时也降低了能量的供应[13,15]；在SW阶段，膝关节屈曲不足、髋关节外展外旋，使患侧下肢向外侧沿弧线摆动；踝关节背伸不够，使足以“拖拽”的形式向前行进；SW末期，患侧下肢以膝关节屈曲和踝关节跖屈的姿势触地，增加了能量的消耗[13]。

图1 两组自然行走的双下肢肌肉原始sEMG图形

表2 步态周期及其各分相阶段试验组患侧、健侧和对照组右侧下肢TA-sEMG比较

表3 DS2阶段试验组患侧、健侧和对照组右侧下肢肌肉IEMG比较(μV·s)

表4 步态周期及其各分相阶段试验组患侧、健侧及对照组右侧下肢RF-IEMG比较(μV·s)

已知步行过程中的动力学改变均源于行走相关肌肉活动的变化，而肌肉活动的变化可用sEMG监测。AEMG是指一定时间内瞬时肌电振幅的平均值，是反映sEMG信号幅值变化的特征性指标，可用于评估肌力和肌张力，其值越大，代表肌肉力量和张力越大[16-17]。IEMG是指所得sEMG信号经全波整流后，单位时间内曲线下面积的总和，它可以反映肌电信号随时间的强弱变化，其大小在一定程度上反映参与肌肉收缩的运动单位的数量多少和每个运动单位的放电大小，主要用于分析肌肉在单位时间内的收缩特性[16,18]。肌肉收缩时，IEMG值与肌力和肌张力之间存在线性正相关关系[19-20]。MPF是反映sEMG信号频率特征的参数，表示过功率谱曲线重心的频率，其大小与外周运动单位动作电位的传导速度、参与活动的运动单位类型以及其同步化程度有关[5,21]。MF是指骨骼肌收缩过程中肌纤维放电频率的中间值。正常情况下，人体不同部位骨骼肌MF值差异较大，这取决于肌肉组织兴奋时主要表现高频放电的快肌纤维和以低频电活动为主的慢肌纤维的组成比例[22-24]。

表5 SS阶段试验组患侧、健侧及对照组右侧下肢肌肉的sEMG比较

表6 SW阶段试验组患侧、健侧及对照组右侧下肢肌肉的sEMG比较

在本研究中，我们发现健康人在SS阶段，常是腓肠肌的用力程度大于TA，而脑卒中患者患侧下肢出现与健康人相反的情况，可能是脑卒中患者为了维持站立平衡，身体前倾所致，或是由于患者脑损伤后大脑对神经肌肉支配异常的结果[25]。

另外，本研究结果显示，脑卒中患者下肢肌肉的sEMG信号在步态周期中较健康受试者发生明显的改变。这提示康复治疗师在对脑卒中患者进行步态康复训练时可将步态周期划分为四个阶段并逐个阶段进行训练，尤其应该加强SS阶段的锻炼；同时应注意训练脑卒中患者的下肢肌力，尤其是提高患者双下肢腓肠肌的肌力。此外，应采取一切行之有效的方法如强制性使用等，促使患者多使用患侧，加强训练患者重心在健侧与患侧之间的转移等可尽快促使患者异常步态的康复。