表面肌電圖在腦卒中患者異常步態(tài)分析中的研究進(jìn)展①

李芳，鄭潔皎

·綜述·

表面肌電圖在腦卒中患者異常步態(tài)分析中的研究進(jìn)展①

李芳，鄭潔皎

腦卒中患者異常步態(tài)的形成主要與患側(cè)下肢肌肉不同程度的力量下降和張力增高有關(guān)，而表面肌電圖（sEMG）能客觀定量反映神經(jīng)肌肉的功能狀態(tài)，對腦卒中患者的異常步態(tài)分析具有較高的應(yīng)用價(jià)值。本文主要介紹步行的解剖學(xué)基礎(chǔ)及sEMG特征、腦卒中患者的異常步態(tài)表現(xiàn)以及基于sEMG的腦卒中后異常步態(tài)分析，并重點(diǎn)從sEMG應(yīng)用于分析異常步態(tài)相關(guān)肌肉活動(dòng)的時(shí)序模式、激活特點(diǎn)和異常步態(tài)模式等方面闡述sEMG在腦卒中患者異常步態(tài)分析中的研究進(jìn)展情況。

腦卒中；異常步態(tài)；表面肌電圖；偏癱步態(tài)；綜述

［本文著錄格式］李芳，鄭潔皎.表面肌電圖在腦卒中患者異常步態(tài)分析中的研究進(jìn)展［J］.中國康復(fù)理論與實(shí)踐，2016，22（10）：1159-1162.

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步態(tài)異常是腦卒中患者的主要功能障礙，也是影響患者日常生活活動(dòng)能力和生活質(zhì)量的重要因素［1-2］。腦卒中后20%～30%的急性期存活者不能行走［3］；腦卒中后3個(gè)月，約1/3～1/2的患者不能恢復(fù)獨(dú)立行走［4］；腦卒中后6個(gè)月，患者步行速度是年齡相匹配健康者步行速度的1/3，步行距離的40%［5-6］。文獻(xiàn)報(bào)道，步態(tài)異常增加腦卒中患者跌倒的風(fēng)險(xiǎn)、失衡的發(fā)生以及社會(huì)參與程度的下降［3，7］?；謴?fù)腦卒中患者的正常步態(tài)已成為目前康復(fù)治療的核心功能目標(biāo)［8-9］。因此，對腦卒中患者異常步態(tài)的科學(xué)分析就顯得尤為重要。

表面肌電圖（surfaceelectromyography，sEMG）是指神經(jīng)肌肉系統(tǒng)活動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的生物電變化，經(jīng)表面電極引導(dǎo)、放大、顯示和記錄所獲得的一維電壓時(shí)間序列信號(hào)。sEMG檢測具有無創(chuàng)性、實(shí)時(shí)性、多靶點(diǎn)測量等優(yōu)點(diǎn)，可用于定量和定性分析各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（靜態(tài)、動(dòng)態(tài)）下的神經(jīng)肌肉活動(dòng)情況，近年來已在康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［10］。有文獻(xiàn)指出，sEMG在康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用最早最多的是步態(tài)分析［11］。本文就國內(nèi)外sEMG應(yīng)用于腦卒中后異常步態(tài)分析的研究進(jìn)展情況進(jìn)行綜述。

1　步行的解剖學(xué)基礎(chǔ)及sEMG特征

人的步行是在神經(jīng)系統(tǒng)的調(diào)控下，下肢肌群收縮，以關(guān)節(jié)為支點(diǎn)牽拉骨，使骨的位置發(fā)生改變而產(chǎn)生。下肢肌是步行的能動(dòng)部分，其活動(dòng)在很大程度上決定了人的步行能力［12］。

1.1與步行運(yùn)動(dòng)相關(guān)的主要肌肉

步行是人類非常復(fù)雜的功能，由多個(gè)關(guān)節(jié)和肌肉的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生［13］。擺動(dòng)相需要髖關(guān)節(jié)屈曲、膝關(guān)節(jié)屈曲、踝關(guān)節(jié)背屈，而后膝關(guān)節(jié)伸展來完成；支撐相需要髖關(guān)節(jié)伸展和膝關(guān)節(jié)伸展來支撐體重［14］。因此，在大腿肌群中，與步行運(yùn)動(dòng)相關(guān)的主要肌肉是股直?。╮ectus femoris，RF）、股內(nèi)側(cè)?。╲astusmedialis，VM）與股外側(cè)?。╲astus lateralis，VL），作用是使膝關(guān)節(jié)伸展，其中股直肌還可使髖關(guān)節(jié)屈曲；半腱?。╯em itendinosus，ST）和股二頭?。╞iceps femoris，BF）作為股后肌群肌肉，主要負(fù)責(zé)屈膝伸髖［15-16］。在小腿肌群中，步行相關(guān)主要肌肉是脛骨前?。╰ibialis anterior，TA），負(fù)責(zé)背屈踝關(guān)節(jié)，防止行走時(shí)腳掌拍地、腳尖拖曳，同時(shí)還起穩(wěn)定踝關(guān)節(jié)、協(xié)助推動(dòng)軀干向前的作用；腓腸肌內(nèi)側(cè)頭（gastrocnem iusmedial，GM）與腓腸肌外側(cè)頭（gastrocnem ius lateral，GL）既有屈膝作用，又有踝跖屈作用，因其含有等量分布的快、慢肌纖維，故在跖屈中起主要作用，并為人類的行走提供動(dòng)力；比目魚?。╯oleus，SOL）因含有80%的慢肌纖維，主要維持踝關(guān)節(jié)站立行走時(shí)的穩(wěn)定性，在跖屈中起協(xié)同作用［16］。另外，Sung等的研究發(fā)現(xiàn)軀干肌群與步行功能之間具有相關(guān)性，其作用是提供與行走所需動(dòng)態(tài)平衡相一致的穩(wěn)定系統(tǒng)［9］。

2　腦卒中患者的異常步態(tài)表現(xiàn)

腦卒中患者常因平衡、負(fù)重、邁步三要素難以有機(jī)地結(jié)合而容易形成異常步態(tài)［9，21］。腦卒中患者典型的異常步態(tài)表現(xiàn)為：患側(cè)膝關(guān)節(jié)因僵硬而于邁步相時(shí)屈曲活動(dòng)范圍減小，患側(cè)踝關(guān)節(jié)跖屈、內(nèi)翻；為了使患側(cè)下肢向前邁步，邁步相時(shí)患側(cè)肩關(guān)節(jié)下降，骨盆代償性抬高，髖關(guān)節(jié)外展、外旋，使患側(cè)下肢經(jīng)外側(cè)畫一個(gè)半圓弧將患側(cè)下肢向前邁出，故又稱為劃圈步態(tài)［22］。其特點(diǎn)有步行不對稱性及耗能增加、穩(wěn)定性下降等，以及患側(cè)下肢單支撐相顯著縮短，雙支撐相延長，步寬加大，步長、步幅縮短，步頻、步速降低等［23-24］。其主要影響因素有功能障礙的程度、平衡功能障礙、偏癱異常運(yùn)動(dòng)模式、年齡以及腦卒中后抑郁等，其中腦卒中患者功能殘疾程度是影響其獨(dú)立步行能力恢復(fù)最主要的因素［25］。

3　基于sEMG的腦卒中后異常步態(tài)分析

3.1異常步態(tài)相關(guān)肌肉活動(dòng)的時(shí)序模式

文獻(xiàn)報(bào)道，腦卒中患者的下肢肌肉在步態(tài)周期中的活動(dòng)時(shí)序發(fā)生了巨變［24］。

3.1.1肌肉活動(dòng)持續(xù)時(shí)間改變

Otter等選擇24例腦卒中偏癱患者和14名正常對照者作為研究對象，用sEMG比較兩組受試者的股二頭肌、股直肌、脛骨前肌和腓腸肌內(nèi)側(cè)頭在第一雙支撐期（the firstdouble support phase，DS1）、單支撐期（the single support phase，SS）、第二雙支撐期（the second double support phase，DS2）和擺動(dòng)期（the sw ing phase，SW）這四個(gè)階段中活動(dòng)持續(xù)時(shí)間的差異。結(jié)果顯示，與對照組相比，在大腿，SS階段，腦卒中患者雙側(cè)股二頭肌和股直肌的活動(dòng)持續(xù)時(shí)間均明顯延長，股二頭肌-股直肌以及股直肌-腓腸肌內(nèi)側(cè)頭協(xié)同活動(dòng)持續(xù)時(shí)間均明顯延長，股二頭肌-腓腸肌內(nèi)側(cè)頭活動(dòng)持續(xù)時(shí)間明顯增加；DS1階段，患腿的股二頭肌-股直肌協(xié)同活動(dòng)持續(xù)時(shí)間也明顯延長。在小腿，DS1階段，腦卒中患者患側(cè)的腓腸肌內(nèi)側(cè)頭活動(dòng)持續(xù)時(shí)間延長；患側(cè)脛骨前肌在SW階段的活動(dòng)持續(xù)時(shí)間延長，但在SS階段的活動(dòng)持續(xù)時(shí)間縮短；腦卒中患者雙側(cè)比較，脛骨前肌和腓腸肌內(nèi)側(cè)頭的活動(dòng)持續(xù)時(shí)間均無明顯統(tǒng)計(jì)學(xué)差異；腦卒中患者和對照組比較，以及腦卒中患者的患健側(cè)比較，脛骨前肌-腓腸肌內(nèi)側(cè)頭協(xié)同活動(dòng)持續(xù)時(shí)間在上述的四個(gè)階段中均無明顯統(tǒng)計(jì)學(xué)差異［24］。該研究指出腦卒中患者患側(cè)脛骨前肌在SS階段活動(dòng)持續(xù)時(shí)間較對照組明顯縮短，可能是腦卒中偏癱步行者平衡控制功能受損的反映［26-27］；患側(cè)脛骨前肌在SW階段持續(xù)時(shí)間明顯延長，是為了克服SW階段的踝跖屈障礙，以便患者能夠向前行進(jìn)［28］。

3.1.2肌肉活動(dòng)起、止時(shí)間異常

Correa等一項(xiàng)隨機(jī)對照試驗(yàn)，入選15例腦卒中患者和15名年齡相匹配的正常對照者，利用sEMG比較兩組受試者在步行過程中的下肢肌肉活動(dòng)情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相較于正常受試者，腦卒中患者的臀中肌、脛骨前肌、比目魚肌、股直肌和腘繩肌在足跟觸地時(shí)過早活動(dòng)，而停止活動(dòng)的時(shí)間又明顯延遲。表明腦卒中患者膝、踝關(guān)節(jié)的主動(dòng)肌和拮抗肌在支撐相時(shí)共同收縮過度［29］。Daly等利用sEMG發(fā)現(xiàn)，腦卒中偏癱患者相較于正常人，股二頭肌和股內(nèi)側(cè)肌的激活與失活潛伏期明顯延長；在重復(fù)性步行運(yùn)動(dòng)中，股二頭肌和股內(nèi)側(cè)肌激活潛伏期的一致性明顯受損。他指出這些改變與腦卒中患者的下肢各關(guān)節(jié)之間協(xié)調(diào)性運(yùn)動(dòng)障礙以及異常步態(tài)密切相關(guān)［30］。

3.2異常步態(tài)相關(guān)肌肉的激活特點(diǎn)

從江蘇省醫(yī)療衛(wèi)生資源優(yōu)化配置實(shí)證可知，通過雙層目標(biāo)優(yōu)化模型求得的2016年江蘇省現(xiàn)狀年13個(gè)地區(qū)醫(yī)療衛(wèi)生床位數(shù)與注冊醫(yī)生數(shù)，與現(xiàn)實(shí)的數(shù)據(jù)有差別。配置模型考慮了13個(gè)地區(qū)的人口、地理、經(jīng)濟(jì)、健康指標(biāo)等多個(gè)公平指標(biāo)，也考慮了投入與產(chǎn)出的效率指標(biāo)，求解結(jié)果與現(xiàn)實(shí)的數(shù)據(jù)比較，也恰恰說明江蘇省的醫(yī)療衛(wèi)生資源向蘇南、蘇中等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)集中，而經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)醫(yī)療衛(wèi)生資源相對欠缺。這也說明江蘇省醫(yī)療衛(wèi)生資源存在配置不平衡現(xiàn)象。兩者之間的數(shù)據(jù)差，給政府的醫(yī)療衛(wèi)生資源宏觀調(diào)控提供了依據(jù)[15]。

3.2.1單純性下肢肌肉激活改變

步行過程中，正常人下肢在向前擺動(dòng)時(shí)可以引出從遠(yuǎn)端到近端的肌肉激活模式，潛伏期為80～120ms［31］。而腦卒中偏癱患者表現(xiàn)出從遠(yuǎn)端到近端的肌肉激活順序模式正常存在，但潛伏期延長［32］。Kirker等的一項(xiàng)研究納入17例可以獨(dú)立行走的腦卒中偏癱患者和16名正常對照者，應(yīng)用sEMG記錄兩組受試者在步行過程中髖外展肌和內(nèi)收肌的活動(dòng)情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與對照組相比，在步行起始階段重心開始轉(zhuǎn)移時(shí)，腦卒中患者患側(cè)肌肉活動(dòng)的振幅下降，潛伏期延遲，但患側(cè)肌肉激活模式與正常對照組相似［33］。

Sekiguchi等的一項(xiàng)隨機(jī)對照試驗(yàn)，利用sEMG分析不同步態(tài)時(shí)相中腦卒中患者和健康受試者的肌肉激活差異。結(jié)果顯示，在DS1階段，腦卒中患者的雙側(cè)腓腸肌內(nèi)側(cè)頭激活度明顯高于健康受試者，比目魚肌激活度患側(cè)最明顯；在SS階段，健康受試者的腓腸肌內(nèi)側(cè)頭激活度最劇烈，腦卒中患者的患側(cè)比目魚肌激活度低于健康受試者；但在DS1和SS階段，腦卒中患者的患側(cè)、健側(cè)和健康受試者脛骨前肌的激活度均無明顯差異［34］。

3.2.2受上肢運(yùn)動(dòng)影響的下肢肌肉激活改變

Stephenson等利用sEMG研究10例高功能腦卒中患者和10名健康對照者在活動(dòng)平板上行走時(shí)上肢運(yùn)動(dòng)對下肢肌肉激活的影響。結(jié)果顯示，腦卒中患者的股直肌在支撐相早期和擺動(dòng)相初期的活動(dòng)均為無支撐的上肢運(yùn)動(dòng)強(qiáng)于有支撐的上肢運(yùn)動(dòng)，這種差異在健康受試者中不存在；兩組受試者在無支撐的上肢運(yùn)動(dòng)條件下，半腱肌在支撐相早期和擺動(dòng)相末期的活動(dòng)最劇烈；健康受試者脛骨前肌的活動(dòng)在支撐相早期和擺動(dòng)相初期均不受上肢運(yùn)動(dòng)的影響，腦卒中患者患腿脛骨前肌的活動(dòng)在支撐相早期亦不受上肢運(yùn)動(dòng)的影響，但腦卒中患者健腿脛骨前肌在支撐相早期的活動(dòng)為無上肢運(yùn)動(dòng)強(qiáng)于有支撐的上肢運(yùn)動(dòng)，腦卒中患者的雙腿脛骨前肌在擺動(dòng)相初期在無支撐的上肢運(yùn)動(dòng)條件下活動(dòng)最強(qiáng)烈；兩組受試者的比目魚肌在支撐相早期的活動(dòng)為有支撐的上肢運(yùn)動(dòng)強(qiáng)于無上肢運(yùn)動(dòng)，而在無支撐的上肢運(yùn)動(dòng)條件下活動(dòng)更劇烈，健康受試者的比目魚肌在支撐相后半期的活動(dòng)為無上肢運(yùn)動(dòng)略強(qiáng)于有支撐的上肢運(yùn)動(dòng)，但腦卒中患者不存在這種差異［35］。該研究為上肢和下肢肌肉激活模式偶聯(lián)存在提供了證據(jù)，并指出上肢運(yùn)動(dòng)是通過改變姿勢的穩(wěn)定性而影響下肢肌肉的激活［35-36］。

3.3異常步態(tài)模式

腦卒中患者通常遺留有步態(tài)模式障礙，腦卒中患者的步態(tài)模式以異常的肌肉共同收縮為特點(diǎn)，并在姿勢穩(wěn)定性被打破時(shí)尤為明顯［37］。Reynard等的一項(xiàng)隨機(jī)對照試驗(yàn)，入選20例伴有足內(nèi)翻的腦卒中偏癱患者和16名年齡相匹配的正常對照者，利用sEMG記錄脛骨前肌、趾長伸?。╡xtensor digitorum longus，EDL）、腓腸肌內(nèi)側(cè)頭和比目魚肌在SW階段的肌電活動(dòng)。結(jié)果顯示，相較于正常者，偏癱患者的腓腸肌內(nèi)側(cè)頭和比目魚肌過早活動(dòng)、脛骨前肌-趾長伸肌之間活動(dòng)的持續(xù)時(shí)間和sEMG振幅均不對稱；偏癱患者的脛骨前肌在整個(gè)SW階段正?；顒?dòng)、sEMG振幅略微下降［38］。2001年Burridge等的研究［39］也有類似發(fā)現(xiàn)。該研究表明，腦卒中偏癱患者在SW階段，足內(nèi)翻畸形主要與小腿后肌群的過早活動(dòng)以及脛骨前肌-趾長伸肌之間活動(dòng)的不均衡性有關(guān)。而后者可以用sEMG所示的趾長伸肌活動(dòng)時(shí)間縮短、振幅下降解釋。同時(shí)該研究亦指出在SW階段，趾長伸肌的活動(dòng)對在額狀面穩(wěn)定足的位置很重要［39］。Chow等的研究利用sEMG發(fā)現(xiàn)在雙支撐相階段，伴有肌張力增高的腦卒中患者的患側(cè)脛骨前肌-腓腸肌內(nèi)側(cè)頭的共激活程度增加，健側(cè)脛骨前肌-腓腸肌內(nèi)側(cè)頭的共同活動(dòng)持續(xù)時(shí)間延長。這表明患側(cè)脛骨前肌-腓腸肌內(nèi)側(cè)頭共激活度增加雖然限制了踝關(guān)節(jié)的活動(dòng)，但有助于在支撐相維持踝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定，這是一種卒中后產(chǎn)生的適應(yīng)性改變；健側(cè)脛骨前肌-腓腸肌內(nèi)側(cè)頭共同活動(dòng)持續(xù)時(shí)間延長有助于維持患踝在SW階段的穩(wěn)定性［40］。

3.4其他

4　小結(jié)

步態(tài)分析的方法多種多樣，對腦卒中后異常步態(tài)進(jìn)行全面地分析，才能客觀評估腦卒中患者的病理性步態(tài)特點(diǎn)［17］，進(jìn)而找出異常步態(tài)原因并矯正異常步態(tài)。sEMG作為一種安全、操作簡便、無創(chuàng)的量化神經(jīng)肌肉狀態(tài)的檢測手段［10］，目前越來越多地應(yīng)用于臨床患者的步態(tài)研究。步態(tài)分析時(shí)sEMG記錄到某塊肌肉的電活動(dòng)，說明某塊肌肉參與步行活動(dòng)；sEMG活動(dòng)的起止時(shí)間表示該肌肉參與步行運(yùn)動(dòng)的協(xié)同性；sEMG活動(dòng)的振幅和時(shí)程表示肌肉參與步行運(yùn)動(dòng)的合理性［11］。因此我們可以利用sEMG提供的客觀數(shù)據(jù)，找出腦卒中患者的異常步態(tài)特征，針對異常步態(tài)制定相應(yīng)的康復(fù)治療方案，以便最大限度提高腦卒中患者的步行能力。

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Application of Surface Electrom yography in AbnormalGaitAnalysis for Stroke（review）

LIFɑng，ZHENG Jie-jiɑo
The Rehabilitation Departmentof Huadong HospitalAffiliated to Fudan University，Shanghai200040，China
Correspondence to ZHENG Jie-jiɑo.E-mail：zjjcss@163.com

The abnormal gait after strokewasmainly related to the decreasing strength with increasing tension of paretic lower limb muscles.Surface electromyography（sEMG）can respond to the neuromuscular function，that is valuable for abnormal gait analysis for stroke patients.This papermainly introduced the anatom icalbasiswith sEMG featuresofwalking，the performance of abnormalgaitand abnormal gaitanalysisbased on sEMG.It focused on the advances of sEMG in the analysis of temporal patternsand activating characteristics ofmusclesassociated with abnormalgait，aswellasabnormalgaitpattern.

stroke；abnormalgait；surface electromyography；hem iplegic gait；review

10.3969/j.issn.1006-9771.2016.10.010

R743.3

A

1006-9771（2016）10-1159-04

1.上海市衛(wèi)生計(jì)生委重大推廣項(xiàng)目（No.2013SY002）；2.上海市科委重大項(xiàng)目-2013年度“科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃”（No.13411951101）。

復(fù)旦大學(xué)附屬華東醫(yī)院，上海市200040。作者簡介：李芳（1990-），女，漢族，山東蒼山縣人，碩士研究生，主要研究方向：腦卒中、表面肌電圖。通訊作者：鄭潔皎，女，教授，E-mail：zjjcss@163.com。

1.2正常步態(tài)相關(guān)肌肉sEMG的變化

正常步態(tài)中下肢肌群sEMG信號(hào)變化呈現(xiàn)出周期性的活動(dòng)段以及左右側(cè)同名肌肉交替活動(dòng)的規(guī)律［12］。

1.2.1大腿肌群

正常成年人步行時(shí)股四頭肌群在足跟著地后有最大肌電活動(dòng)，主要是吸收振蕩，保持膝關(guān)節(jié)一定的屈曲，對抗重力和慣性；股直肌和股內(nèi)側(cè)肌在支撐相后期膝關(guān)節(jié)屈曲時(shí)肌電活動(dòng)明顯，目的是使小腿加速向前［17］。2004年，Nene等通過sEMG確認(rèn)正常成年人在步行時(shí)股直肌與其他股四頭肌的作用不同，僅僅在由支撐相到擺動(dòng)相的過渡期間，即髖關(guān)節(jié)后伸時(shí)才有活動(dòng)［18］。股二頭肌在支撐相和擺動(dòng)相只有輕微的收縮，肌電信號(hào)較弱，作用是保持一定的緊張度［17］。

1.2.2脛前后肌群

現(xiàn)在多數(shù)觀點(diǎn)認(rèn)為［17，19-20］，脛骨前肌等脛前肌群在支撐初期肌電活動(dòng)最活躍，因它要保持足背伸使足跟先著地，故形成第1個(gè)較大的活動(dòng)高峰，對應(yīng)的sEMG波幅最大；隨后在支撐中末期脛骨前肌等亦有少量的活動(dòng)，與脛后肌群協(xié)同作用使足在內(nèi)、外方向上穩(wěn)定，因此相應(yīng)的sEMG持續(xù)有很小波幅的波存在；進(jìn)入擺動(dòng)早期，脛骨前肌等活動(dòng)再次輕度增強(qiáng)，表現(xiàn)為第2個(gè)相對較小的活動(dòng)高峰，以使足趾提離地面；在擺動(dòng)終末期，脛骨前肌等活動(dòng)減弱或消失。而對于腓腸肌等脛后肌群，雖在人類行走與站立方面起重要作用，但僅在支撐終末期，有明顯的肌電活動(dòng)，以便將人體重心推向前上，相對應(yīng)的sEMG為一個(gè)時(shí)間較長且波幅很高、較大的梭狀波形；其余階段都未進(jìn)行活動(dòng)，相應(yīng)的sEMG為電靜息狀態(tài)。

（2016-02-28

2016-03-24）