表面肌电图在偏瘫患者下肢肌肉动力学分析中的应用

吕文，张锦明，吕政，王磊

(哈尔滨医科大学附属第一医院康复医学科，哈尔滨 150001)

脑卒中又称脑血管意外，常继发于高血压和脑血管畸形，是严重威胁中老年人健康的疾病，具有高发病率和高致残率。脑卒中后遗症及其并发症在经济和精神方面给患者带来了无法想象的压力和负担。研究表明，70%～80%的脑卒中患者因神经功能缺损导致下肢运动功能障碍后遗症[1]。及时介入康复治疗可帮助患者更早地下床站立行走，提高生活自理能力。表面肌电图(surface electromyography，sEMG)检测技术在康复医学领域应用广泛，主要通过放置于皮肤上的电极采集肌肉在活动过程中的电信号，能更好地对神经肌肉在各种运动状态活动下产生的电信号进行细致的定量、定性分析，进而得到一系列量化指标，为制订康复策略提供保障[2-4]。近年来，sEMG在运动医学和康复医学中的应用范围逐渐拓宽，依据肌肉疲劳程度、肌纤维募集和肌肉激活时间等原始肌电信号，sEMG能够对正常人群或脑卒中患者进行康复评定、肌肉功能评定、运动过程中肌肉收缩情况评定，在临床过程中sEMG常应用于脑卒中后偏瘫步态、吞咽障碍、肌肉疲劳等相关评定[5]。同时，sEMG在康复治疗方面又有一定的指导价值，在脑卒中患者的临床康复应用中已经取得了一定的成效。现就sEMG在偏瘫患者下肢肌肉动力学中的应用予以综述。

1 sEMG的常用指标及临床意义

sEMG是一种应用于体表肌肉功能的安全、简单、无创的检查手段，常用的分析指标分为时域指标和频域指标两种，时域指标包括积分肌电值(integrated electromyography，iEMG)、均方根、平均肌电值，频域指标包括平均功率频率(average power frequency，MPF)和中位频率。iEMG指规定时间内所检测的肌肉运动单位放电总量，反映工作过程中肌肉单位数量和每次肌肉运动单位放电量，体现单位时间内肌肉的收缩特性；均方根指一定时间内瞬时肌电放电幅度的平方根，反映放电的有效值；平均肌电值指一定时间段瞬时肌电图放电幅度的平均值，反映表面肌电信号变化幅度特征，包括肌肉活动期间放电单元的激活次数、参与放电单元的类型及其同步化程度，其在不同的肌肉力量负荷条件下与中央控制功能密不可分[6]。MPF反映信号的频率特性，其数值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同步化程度有关[7]。中位频率指参与运动的肌肉在其收缩过程中肌肉纤维放电频率的中间值[8]。sEMG频域分析常用的指标为MPF和中位频率，它们通常作为临床实际工作中识别肌肉活动后疲劳程度的常用指标。近年来，肌电信号的非线性分析取得了巨大进步，在一定程度上解决了肌电信号不准确的问题，但目前的研究仍不成熟，且由于相关分析方法的复杂性，在临床的应用较少。

2 脑卒中偏瘫患者下肢功能障碍的特点及sEMG的表现

2.1痉挛性足下垂 脑卒中偏瘫患者踝关节的表现主要为内翻和下垂，称为“痉挛性足下垂”，其发生机制主要包括中枢机制和外周机制[9-10]。中枢机制指脊髓调控障碍导致的神经肌肉控制缺失，主要表现为本体感觉输入障碍、运动单位募集紊乱以及姿势控制异常等[11]。外周机制主要包括制动和废用。长期制动导致小腿前肌群(胫前肌)和外侧肌群(腓骨长短肌)激活不足、肌肉失用性萎缩，临床表现为足背伸困难[12]。痉挛性足下垂对卒中患者的平衡、跌倒发作以及日常生活的积极参与能力均有重要影响，痉挛性足下垂康复治疗的效果严重影响患者的康复进展。有学者选取临床中处于不同阶段的脑卒中偏瘫患者，并用sEMG检测患者踝背屈状态下相应肌肉胫骨前肌和腓肠肌的iEMG变化情况以及协同收缩率，结果发现，恢复后期偏瘫患者的踝背屈主动肌的收缩功能以及对拮抗肌协同收缩的控制能力均显著优于恢复前期偏瘫患者[13]。林凌等[14]利用离子穴位透入法将栝蒌桂枝汤导入脑卒中痉挛性足下垂的患者，结果发现，栝楼桂枝汤组的临床痉挛指数量表、BERG平衡量表、改良Barthel指数的评分以及背屈状态下胫骨前肌和腓肠肌iEMG、踝背伸状态下的协同收缩率均显著高于对照组。应用现代设备将栝楼桂枝汤通过体表经穴直接作用于相关痉挛责任肌群，对痉挛的改善效果优于传统服药方法，进而改善患者的平衡功能，提高患者重回日常生活的自信与能力。

2.2小腿三头肌 小腿三头肌位于小腿后群，由浅层的腓肠肌及深层的比目鱼肌构成。作为踝关节跖屈的主要肌肉，小腿三头肌对正常人体的关节稳定性以及行走时前进推动力的产生均具有重要作用[15-16]。李卓等[17]研究发现，健康者坐位腓肠肌iEMG值与脑卒中偏瘫患者坐位健侧腓肠肌iEMG值存在显著差异。此结果已被相关研究证实，例如，张梅莹等[18]应用sEMG检查测定健康老年人和脑卒中早期患者的小腿三头肌，结果显示，脑卒中患者偏瘫侧踝背伸的协同收缩率较健侧及健康人群显著升高，提示脑卒中早期就表现出小腿三头肌痉挛的趋势。

3 sEMG在脑卒中偏瘫患者下肢功能康复评定中的应用

临床实际工作中常采用Asworth分级法对肌肉痉挛进行康复评定，但该方法是半定量额评估，存在主观性强、精确度差的缺点。sEMG检测手段的iEMG值可对患者痉挛的严重程度进行量化[19]。sEMG可提供客观、量化的指标[20]，也是评估患者治疗前后改善程度的有效手段。脑卒中患者容易出现屈肌群痉挛，提示脑卒中偏瘫后遗症患者的日常康复治疗目标以肘伸肌的肌力加强以及对拮抗肌同时收缩减弱为康复重点[21]。朱燕等[22]研究发现，患者在膝关节最大等长收缩状态下，膝伸展时，sEMG检测到的健侧股直肌iEMG值显著高于患侧，而作为拮抗肌的股二头肌的健、患侧iEMG值比较差异无统计学意义；当膝关节处于屈曲状态时，其主动肌的健侧iEMG值高于患侧，而拮抗肌的患侧iEMG值则高于健侧。这一临床试验结果与脑卒中偏瘫患者临床常见的下肢肌肉痉挛主要以伸肌痉挛为主的论断符合。

4 sEMG在脑卒中偏瘫患者下肢功能康复治疗中的应用

4.1指导康复治疗 Buurke等[23]研究了卒中和偏瘫患者的四脚拐杖行走、扶单脚手杖步行、无辅助步行条件下的患侧臀大肌、股外侧肌、胫骨前肌和腓肠肌肌电活动的波形变化，结果发现，在拄拐行走时胫骨前肌的肌电活动持续时间显著缩短，提示手杖对脑卒中偏瘫训练具有重要作用。樊留博等[24]则利用sEMG分析了脑卒中偏瘫患者膝盖周围肌肉的肌电活动，结果发现，加强膝关节训练有缓解下肢肌肉紧张的作用，可促进下肢步态功能障碍的恢复。亦有学者通过观察和分析最大等距收缩过程中股直肌和股二头肌的表面肌电发现，脑卒中偏瘫患者患侧伸肌肌肉张力增加可导致下肢运动功能障碍，表明在脑卒中患者康复过程中应根据膝伸肌和屈肌收缩的协调进行康复，特别是在膝盖屈伸运动中，应增强活动肌的收缩，以抑制拮抗肌的协同收缩[25]。孙栋等[26]通过观察和分析最大等距收缩过程中股直肌和股二头肌的表面肌电证实，脑卒中偏瘫患者患侧伸肌的肌肉张力增加可导致下肢运动功能障碍，为卒中伸肌腱患者的肌电信号提供了理论依据。

4.2分析肌肉疲劳程度 肌肉疲劳是慢性疲劳的表现之一，对偏瘫患者的康复、情绪控制以及依从性均产生巨大影响。治疗师通常依据肌肉力量评估疲劳程度，受许多主观因素影响。利用sEMG量化的肌电信号(如iEMG、中位频率和MPF)评价肌肉疲劳程度更为客观和科学。Kollmitzer等[27]研究发现，脑卒中偏瘫患者的患肢疲劳更显著，特别是在肌肉长时间处于紧张状态或仅使特定肌肉收缩的情况下。利用sEMG评估患者康复治疗过程中的肌肉疲劳水平，能更好地选择合适的康复方案。

4.3分析异常步态模式 脑卒中偏瘫患者由于躯干和四肢一侧无力、肌张力异常、感觉异常、躯干平衡差以及因废用、肌腱缩短、关节活动度降低等导致肌肉萎缩而出现偏瘫。在步态周期中，相应肌肉的相位拮抗振幅、序列及运动过程中募集的肌肉变化均会导致患者异常的步行姿势，而且研究已经证实并分析了步行周期中不同肌肉群的姿势。例如，有研究者通过表面电极发现，行走时股四头肌和股直肌不同，只有在支撑期到摆动期的过渡(即髋关节后伸)时才会有活动信号[15]。有学者研究脑卒中患者偏瘫后步态恢复与偏瘫后肌肉活动的相关变化、偏瘫患者的最大行走速度以及腓肠肌和股二头肌的肌电活动之间的关系，并与健康人比较，结果发现，患侧股直肌激活开始时间显著迟于健侧，而患侧腓肠肌激活开始时间显著早于健侧，患侧股二头肌及腓肠肌激活持续时间均显著低于健侧；在单腿支撑阶段，双侧股直肌活动被延迟，股直肌和二头肌同时收缩比健康组更长[28]。随着康复的进展，身体的柔韧性、行走的独立性和最大行走速度均得到显著提高，表明偏瘫患者的行走能力进步很大。尽管如此，在康复期间，患侧的摆动能力和同步收缩时程并未显著改善，表明肌肉收缩模式并不是阻滞步态功能恢复的关键因素。恢复步行能力的生理适应性过程比改善肌肉收缩模式更重要。国内相关研究发现，偏瘫患者在行走过程中会同时收缩腓肠肌和胫骨前肌，这会严重阻滞患者的行走能力[29]。然而，异常的肌肉收缩模式是否是阻滞步态恢复的决定性因素仍需要进一步的调查研究。

4.4评价康复效果 目前大多数针对偏瘫患者的功能评定均由治疗师评估，这种评估更多地依赖于治疗师的临床工作经验，评估结果存在主观性和不可控制的误差，导致难以准确定量确定患者的实际恢复情况。sEMG信号可以定量和定性分析各种运动状态(静态、动态)下的神经肌肉活动，同时具有与肌肉活动高度密切相关的优势以及可以准确量化等优点。有学者研究了卒中后偏瘫患者步态异常的恢复与肌肉活动变化之间的具体相关性，对研究对象的肌电活动进行比较(包含健康对照组和健侧)发现，随着康复治疗疗程的进展，患者的灵活性、完成独立行走的能力以及行走的最大速度均显著改善[30]。张卉等[31]运用sEMG记录患者下肢肌肉的肌电参数，同时验证了新型康复治疗设备对下肢麻痹有理想的治疗效果，sEMG可以反映治疗前后患者运动功能的改善。周建文等[32]比较了两组卒中患者接受不同康复方法治疗前后的sEMG，结果发现，改善偏瘫步态和躯干控制可有效减轻由于步态补偿导致的背部肌肉紧张增加。葛瑞东等[33]用指压的方法刺激偏瘫患者位于足三阳经分布区域的足临泣和足三里穴，并通过sEMG测量刺激前后两者胫骨和腓骨长、短肌的最大等距收缩的iEMG值，结果显示，通过指压足三里穴可显著诱发胫前肌收缩的即刻效应和延续效应；而指压足临泣穴可显著诱发腓骨长、短肌收缩的即刻效应和延续效应。

5 小 结

sEMG是一种在临床工作中非常实用的检测技术。sEMG对卒中患者肢体运动功能状况的评估比较客观、定量，且易于被患者接受，因此可以帮助临床康复治疗师为患者制订准确的康复目标；另外，sEMG还可以非常直观地表现出相关肌肉治疗前后功能的变化情况，从而达到直观评价康复治疗临床疗效的目的[34]。随着电生理技术和人工智能技术的不断发展，表面肌电技术使采集方法更加便捷，采集的信号更加稳定，数据的处理更快捷、全面。相信在未来的康复医学的临床工作中，SEMG将发挥更重要的作用。