表面肌電圖在腦卒中康復(fù)中的應(yīng)用與研究進(jìn)展

金佳然，朱玉連,2

表面肌電圖(surface electromyography,SEMG)是采用表面(即皮膚)電極放置在特定肌肉表面，通過記錄或采集單個或一組肌肉的肌肉活動或動作時的肌電信號，從而來反映神經(jīng)肌肉的活動狀態(tài)。對于正常人或腦卒中患者的特定肌肉功能評定、康復(fù)評定[1-3]、體育科學(xué)中的疲勞判定[4-5]，對于特定肌肉檢測運動過程中的肌肉收縮情況[6]等方面均有重要價值。本文從肌電圖對于肌肉工作狀態(tài)、肌肉疲勞狀態(tài)的分析和對于康復(fù)治療效果三個方面進(jìn)行了總結(jié)整理，論證了SEMG對于腦卒中患者臨床康復(fù)中的重要性以及對其研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)提出展望。

1 SEMG的簡介

1.1 SEMG的基本工作原理 肌肉的電生理學(xué)的激活預(yù)示著機(jī)械力學(xué)的力的產(chǎn)生。這種肌肉活動能夠被肌電圖所記錄下來，同時反映激活的程度：在一定的范圍內(nèi)，肌電圖數(shù)據(jù)的數(shù)值越大，肌肉產(chǎn)生收縮的程度以及表現(xiàn)出的力量則越大[7]。肌電信號可通過表面電極或針式電極進(jìn)行記錄和引導(dǎo)，前者稱之為表面肌電信號，所描繪出的數(shù)據(jù)圖為表面肌電圖(SEMG)，后者稱之為針肌電信號[7]。針電極因為其對人體具有侵入性，因此如非必要，臨床上更傾向于運用SEMG來進(jìn)行對肌肉的檢測。盡管近年來組織化學(xué)、分子生物學(xué)、基因監(jiān)測和影像學(xué)檢查飛速發(fā)展，但由于其檢測的多是肌肉的代謝產(chǎn)物，代謝狀況，以及形態(tài)上的變化，無法直觀的，即時的掌握肌肉的動態(tài)數(shù)據(jù)，因此上述技術(shù)仍難以取代肌電圖檢測[8]。

1.2 SEMG的常用分析指標(biāo) SEMG的分析包括時域分析和頻域分析，常用的分析指標(biāo)有積分肌電值(integrated electromyography,IEMG)、平均肌電值(averaged electromyography,AEMG)、均方根值(root mean square value,RMS)，平均功率頻率(mean power frequency,MPF)和中位頻率(median frequency,MF)等，其中前三者屬于時域指標(biāo)，后兩者屬于頻域指標(biāo)。IEMG是指在一定時間內(nèi)肌肉中參與活動的運動單位放電總量[9]。AEMG是一段時間內(nèi)瞬間肌電圖振幅的平均，是反映sEMG信號振幅變化的特征性指標(biāo)，與不同肌肉負(fù)荷強(qiáng)度條件下的中樞控制功能有關(guān)[10]。RMS是一段時間內(nèi)瞬間肌電圖振幅平方平均的平方根，AEMG和RMS 的意義基本相同[11]。而總體上，相對時域指標(biāo)而言，頻域指標(biāo)的變異較小而更具有優(yōu)勢[12]。

1.3 SEMG的優(yōu)點與缺點 肌電圖的最大優(yōu)勢在于其能夠很好地反映肌肉的激活程度，并且與肌肉力量高度相關(guān)，可以提供一個相對完善的關(guān)于肌肉力量的動態(tài)數(shù)據(jù)[1]。但缺點也是顯而易見的，如在信號采集方面，皮膚的電阻會受到汗液的影響而變化；又如在采集過程中也有可能被其他電信號所干擾，如心電信號，電子設(shè)備的電信號等[13]。對此，已有研究者做出相應(yīng)措施，如心電干擾可以通過縮小兩個記錄電極之間的距離而減少[14]，每次實驗前利用酒精等在要貼電極的皮膚附近進(jìn)行消毒從而減小皮膚電阻所帶來的影響[11]。這些措施能夠在一定程度上提高SEMG的實用性。這也是SEMG現(xiàn)在能夠在臨床如此廣泛應(yīng)用的原因。

2 SEMG在腦卒中患者臨床康復(fù)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 對于腦卒中患者肌肉工作狀態(tài)的分析 ①下肢及步態(tài)分析方面。腦卒中患者在恢復(fù)步行能力時，步態(tài)會有很多種不同形式，目前的評定方法主要是通過觀察或者量表評估進(jìn)行分類與治療，缺少準(zhǔn)確的定量評估，而SEMG就給我們提供了一種準(zhǔn)確定量的分析方法。下肢方面曾有研究，通過對腦卒中后偏癱患者下肢股直肌和股二頭肌肌電積分值的觀察發(fā)現(xiàn)，偏癱患者膝關(guān)節(jié)痙攣以伸肌群為主，從而針對這一特性設(shè)計出不同的訓(xùn)練方法[15]；通過應(yīng)用SEMG儀記錄腦卒中患者從坐位到站位過程中下肢肌肉運動模式，發(fā)現(xiàn)患者從坐在椅子上到站起時偏癱側(cè)的脛骨前肌無或僅有較小的波幅出現(xiàn)并伴隨比目魚肌提早激動或者過度活動，健側(cè)的股四頭肌和脛骨前肌代償性的過度收縮以防止跌倒[16]；通過采集股四頭肌，脛骨前肌和比目魚肌的SEMG數(shù)據(jù)分析腦卒中后患者的肌肉活動從而分析出平衡功能的恢復(fù)情況[17]；最近又有研究人員發(fā)現(xiàn)部分腦卒中患者甚至老年人的步態(tài)傾向于更加“寬”的形式，遂其通過選取14名沒有受傷的年輕成年人，使其在跑步機(jī)上以1.25m/s的速度以4種(正常、窄，中等和寬)寬度的步態(tài)行走，以此為契機(jī)利用SEMG來采集臀中肌的活動情況數(shù)據(jù)，量化行走步態(tài)寬度和臀中肌活動之間的關(guān)系，得出臀中肌的活動情況與步態(tài)寬度的數(shù)值息息相關(guān)的結(jié)論，并且越寬的步態(tài)形式越能夠更好的動員臀中肌的肌肉活動[18]。這為臨床康復(fù)提供了新的思路。②上肢、軀干以及運動控制方面。上肢方面，曾有研究學(xué)者通過觀察和分析偏癱患者肱二頭肌、肱三頭肌在最大等長收縮過程中SEMG的肌電積分值驗證腦卒中偏癱患者肘關(guān)節(jié)痙攣以屈肌為主，提示腦卒中后偏癱上肢的康復(fù)治療應(yīng)以訓(xùn)練伸肌側(cè)肌力和抑制拮抗肌協(xié)同收縮為主[19]，學(xué)者朱燕對恢復(fù)期腦卒中患者肘屈伸肌的SEMG指標(biāo)進(jìn)行分析，結(jié)果顯示實驗組最大等長收縮力矩、峰力矩體重比均明顯低于對照組，得出即使臨床已無明顯障礙，但其患側(cè)上肢在生物力學(xué)各項指標(biāo)上依然反應(yīng)異常的結(jié)論[20]；在軀干方面，曾有學(xué)者對早期腦卒中患者的軀干屈伸肌群的表面肌電信號研究后發(fā)現(xiàn)，早期的坐位及步行能力低下者雙側(cè)豎脊肌前傾功能減退，雙側(cè)腹直肌后伸[21]，同時在陳奕雄等[22]的文章中也有提到肌電積分用于量化分析肌肉在單位時間內(nèi)的收縮特性，與肌張力呈正相關(guān)，可以更客觀地反映軀干肌的情況；在運動控制方面，學(xué)者Cláudia等[23]在研究中通過肌電圖檢測腦卒中患者上肢的姿勢控制和運動相關(guān)的肌肉來分析主動肌和拮抗肌的激活比例從而對比正常人群和腦卒中患者的上肢運動控制方面的差異，在國內(nèi)學(xué)者樊留博等[24]的研究中，利用SEMG分析腦卒中患者膝關(guān)節(jié)拮抗肌收縮過程，得出了進(jìn)一步表明膝關(guān)節(jié)控制強(qiáng)化訓(xùn)練能夠減輕患側(cè)下肢的肌張力，從而有效改善腦卒中偏癱患者的步行功能的結(jié)論。③吞咽。吞咽是一種復(fù)雜的反射性動作，吞咽的神經(jīng)肌肉功能檢測在吞咽與吞咽障礙的評定中尤為重要。國外學(xué)者Vaiman等[25]發(fā)現(xiàn)，通過對表面肌電分析可以用于吞咽障礙的篩查和早期診斷,簡單可靠的評定吞咽障礙并對其病因加以鑒別；在國內(nèi)近年來也有學(xué)者通過SEMG檢測人體頸部體表咬肌、口輪匝肌、頦下肌群、舌骨下肌群這四組吞咽相關(guān)肌肉的工作狀態(tài)，來探討SEMG對于腦卒中后吞咽障礙康復(fù)治療效果的作用，驗證了SEMG在吞咽方面的實用性[26]。④痙攣。肌肉痙攣是腦卒中患者常見的后遺癥之一，它會對單個肢體的功能恢復(fù)和肌力增加產(chǎn)生較為負(fù)面的影響。在國外，早年間已經(jīng)有學(xué)者Sherwood等[27]嘗試?yán)肧EMG評估脊髓損傷所導(dǎo)致的肌肉痙攣，而現(xiàn)在國內(nèi)外SEMG已經(jīng)越發(fā)頻繁的被使用，如國外學(xué)者利用SEMG來研究中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷所導(dǎo)致的骨骼肌特性的變化[28]，國內(nèi)的王玉昌等[29]也從骨骼肌放電角度利用表面肌電技術(shù)來探索痙攣型骨骼肌異常放電的具體情況，為以后量化痙攣狀態(tài)提供理論依據(jù)。

2.2 對于腦卒中患者肌肉疲勞程度的分析 肌肉疲勞作為慢性疲勞的其中一種表現(xiàn)形式，對腦卒中患者的治療、患者情緒的控制以及患者依從性也有著很大影響。臨床上常用肌力等評價疲勞,但疲勞與許多主觀因素有關(guān)。SEMG分析肌肉的IEMG、MPF 和MF 等指標(biāo)較肌力更加的科學(xué)、客觀。通過SEMG肌肉數(shù)據(jù)的縱向?qū)Ρ龋ㄟ^頻譜的變化從而分析出肌肉的疲勞情況，對于腦卒中患者的臨床康復(fù)領(lǐng)域有很重要的意義。有學(xué)者通過腦卒中患者與健康對照組的最大步行速度，步行距離，肌電圖和下肢次最大疲勞收縮活動(30%最大負(fù)荷)直到不能完成前后對比的數(shù)據(jù)從而發(fā)現(xiàn)，在使人疲勞的動態(tài)屈肌收縮中，臀部屈曲肌肉會表現(xiàn)出缺少調(diào)整的能力。對于一個給定的疲勞程度而言，腦卒中患者相對于神經(jīng)完整的人來說步行能力的減弱更有深遠(yuǎn)的影響，而且調(diào)節(jié)髖關(guān)節(jié)屈曲的肌肉運動的能力會出現(xiàn)下降的現(xiàn)象。結(jié)論強(qiáng)調(diào)了對于腦卒中人群來講，在日常鍛煉和活動中的監(jiān)測肌肉運動中臀部肌肉活動的影響的重要性[30]；學(xué)者Riley等[31]在他們的研究中，通過對腦卒中患者疲勞后健側(cè)和患側(cè)上肢的肌電圖的數(shù)據(jù)分析，相比于健側(cè)，患側(cè)的前臂和肩膀附近的肌肉都表現(xiàn)出更弱的自主收縮能力。Riley等[31]認(rèn)為腦卒中患者肢體的疲勞對于患側(cè)的影響更加明顯，特別是當(dāng)用盡全力收縮肌肉或者單獨收縮某一塊肌肉時。

2.3 對于腦卒中患者康復(fù)效果的評價分析 進(jìn)行所有治療的目的都是為了恢復(fù)患者生活自理能力和提升其生活質(zhì)量。而傳統(tǒng)的評估方法大多是通過治療師進(jìn)行量表評估，這很大程度上受到了檢測效度的主觀性和檢測結(jié)果的難以精確定量的限制。肌電圖具有與肌肉活動高度相關(guān)和能夠準(zhǔn)確量化的優(yōu)勢，目前應(yīng)用肌電圖來進(jìn)行康復(fù)效果的評價分析已經(jīng)越來越多地受康復(fù)專業(yè)人員的關(guān)注。在國外，有學(xué)者在研究腦卒中后患者的步態(tài)恢復(fù)情況與肌肉活動改變的相關(guān)性時，作者通過對腦卒中患者步行時最大步行速度、擺動相和支撐相股二頭肌、股直肌和腓腸肌的肌電活動的對比(包括與健康對照組和自身健側(cè)兩方面)發(fā)現(xiàn)，隨著康復(fù)治療的進(jìn)行，患者身體的靈活、步行的獨立性以及最大步行速度都有顯著的改善，從而判定患者的步行能力確實有實質(zhì)性的進(jìn)步[32]；在國內(nèi)，有學(xué)者通過對腦卒中患者上肢活動的SEMG信號特征進(jìn)行提取，發(fā)現(xiàn)不同Brunnstrom分期患者的三角肌中部肌和指總伸肌的MPF的變化趨勢存在顯著性差異，處于康復(fù)后期的患者活動過程中的MPF下降緩慢并且變化趨勢更接近于常人，說明康復(fù)訓(xùn)練對腦卒中患者肌肉的耐疲勞能力有很好的治療效果[33]；學(xué)者張卉等[34]在其相關(guān)研究中通過SEMG記錄雙下肢肌肉的相關(guān)參數(shù)，驗證了一種新型康復(fù)設(shè)備對于下肢痙攣具有很好的療效；甚至在中醫(yī)方面，崔華鋒等[35]也利用SEMG來量化評估針刺治療對肌痙攣的治療作用。

3 SEMG的局限性與發(fā)展趨勢

3.1 SEMG的局限性 由于SEMG必須附著于皮膚從而測量肌肉的電信號，導(dǎo)致很難或者無法準(zhǔn)確測量較小或者位置較深的肌肉的活動情況，在一定程度上限制了SEMG的作用；其次，由于SEMG在測量之前必須進(jìn)行電極的佩戴，如何簡化流程，減少刺激也是今后值得繼續(xù)進(jìn)行技術(shù)研究的方面；最后，肌電圖最大的不利因素在于肌肉產(chǎn)生的力不是數(shù)值而是通過頻譜或時譜的分析來得出肌肉活動的相關(guān)數(shù)據(jù)，許多因素如影響偵測的不可預(yù)測因素、肌肉本身的影響等都必須考慮進(jìn)去。即使在等長收縮情況下，肌電圖與力的關(guān)系對于每個肌肉和幾何學(xué)情況都是不同的。如果把動態(tài)因素也考慮進(jìn)來的話，情形將會更加的復(fù)雜[1]。

3.2 SEMG的發(fā)展趨勢 目前來看，SEMG的數(shù)據(jù)分析是處于不斷的發(fā)展之中的，如國外學(xué)者利用均方根值(RMS)提取出sEMG的特征值，用于研究sEMG和運動位移的關(guān)系，從而實現(xiàn)了手指和腕關(guān)節(jié)模型的控制[36]；國內(nèi)學(xué)者吳冬梅等[37]也在其研究中比較了目前流行的幾種數(shù)據(jù)提取方法的優(yōu)劣。除此以外，SEMG必然是向著能夠更精確的測量不同位置的肌肉的方向發(fā)展，關(guān)于這種儀器自身設(shè)計方面的進(jìn)展則需要生物力學(xué)或者相關(guān)學(xué)科的學(xué)者進(jìn)行進(jìn)一步的開發(fā)；而目前關(guān)于SEMG半自動化甚至自動化的佩戴的研究，多在一些仿生手臂、康復(fù)機(jī)器人研究項目中提及[38]，技術(shù)層面還并不成熟；至于其無法直接測量肌肉力量以及為了在動態(tài)活動中收集肌肉力量的肌電圖數(shù)據(jù)等情況，新的嘗試已經(jīng)在國外在不斷的開發(fā)，一種叫“crosstalk risk factor”(CRF)的技術(shù)曾被提及，這種技術(shù)能夠量化和緊密相關(guān)個體的串話干擾[39]，從而試圖解決上述問題。

4 結(jié)論

SEMG作為一種無創(chuàng)性的量化肌肉活動狀態(tài)指標(biāo)，越來越多的被臨床工作者以及研究學(xué)者所重視。SEMG在具有很多獨特的優(yōu)點之外也存在著些許的不足，隨著越來越多的學(xué)者的研究，相信其會為患者的康復(fù)治療提供越來越大，越來越準(zhǔn)確的評估，為更優(yōu)化的制訂患者的康復(fù)方案和療效做出貢獻(xiàn)。

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