融合超聲影像動態(tài)評估中風(fēng)偏癱患者內(nèi)側(cè)腓腸肌狀態(tài)

融合超聲影像動態(tài)評估中風(fēng)偏癱患者內(nèi)側(cè)腓腸肌狀態(tài)

【作 者】張旭東1,2，鐘昇1,2，楊曉娟1,2，周永進(jìn)1,2，楊萬章3，向云3，王俊3，王碧涵3，楊鈞鵬1,2，陳昕1,2

1 深圳大學(xué)醫(yī)學(xué)部生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，深圳市，518060

2 醫(yī)學(xué)超聲關(guān)鍵技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，廣東省醫(yī)學(xué)信息檢測與超聲成像重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，深圳市，518060

3 深圳市第六人民醫(yī)院康復(fù)科，深圳市，518052

定量評估中風(fēng)偏癱患者的狀態(tài)現(xiàn)今仍然很困難，該研究提出了一種創(chuàng)新的方法來研究偏癱步態(tài)中的肌肉活動。該研究開發(fā)了一種可穿戴式數(shù)據(jù)采集平臺來實(shí)現(xiàn)超聲影像，肌電圖和關(guān)節(jié)角度的同步采集。使用該平臺對12例偏癱患者進(jìn)行測試，研究分析了他們在跑步機(jī)上行走過程中內(nèi)側(cè)腓腸肌活動的特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，患側(cè)相比于健側(cè)，內(nèi)側(cè)腓腸肌的羽狀角和肌電信號的動態(tài)范圍更加分散。這些結(jié)果表明上述可穿戴式多模態(tài)信號采集平臺可以提供有關(guān)內(nèi)側(cè)腓腸肌動力學(xué)的更加全面的信息，為偏癱患者的狀態(tài)評估提供了一種有潛力的工具。

肌電圖；可穿戴式數(shù)據(jù)采集平臺；超聲影像；關(guān)節(jié)角度；偏癱；步態(tài)

【 Writers 】ZHANG Xudong1,2, ZHONG Sheng1,2, YANG Xiaojuan1,2, ZHOU Yongjin1,2, YANG Wanzhang3, XIANG Yun3, WANG Jun3, WANG Bihan3, YANG Junpeng1,2, CHEN Xin1,2

1 School of Biomedical Engineering, Shenzhen University Health Science Center, Shenzhen, 518060

2 National-Regional Key Technology Engineering Laboratory for Medical Ultrasound, Guangdong Laboratory for Biomedical Measurements and Ultrasound Imaging, Shenzhen, 518060

3 Rehabilitation Department of Shenzhen Nanshan People’s Hospital, Shenzhen, 518052

【 Abstract 】Quantitative evaluation on the level of hemiparesis for post-stroke patients is still challenging. In this study, we proposed an innovative method for investigating in vivo muscle behavior in hemiparetic gait. A wearable data collection platform was developed for the simultaneous acquisition of ultrasonography (US), electromyography (EMG) and joint angle during gait cycles. Using this platform, we studied twelve hemiparetic patients during walking on a treadmill and analyzed the corresponding characteristics of their medial gastrocnemius (GM) muscle. Several interesting outputs are achieved such as the observation that dynamic ranges of the both the pennation angle (PA) of GM and EMG signal from same side were more diffused, for the affected side than for the unaffected side. The results suggested that the proposed multimodal signal acquisition and wearable platform is capable of providing comprehensive in vivo information regarding dynamics of ankle and medial gastrocnemius. The proposed platform could be a promising tool for the assessment of hemiparesis patients.

0 引言

偏癱是指常見于中風(fēng)后患者身體一側(cè)的運(yùn)動障礙，其中步態(tài)恢復(fù)是偏癱患者康復(fù)過程的主要目標(biāo)。步態(tài)功能障礙和中央神經(jīng)系統(tǒng)的控制不當(dāng)或肌肉力學(xué)特性的改變有關(guān)，定量步態(tài)分析是評估復(fù)雜步態(tài)功能障礙的最好的方式[1]。步態(tài)分析方法多種多樣，其中最常使用的包括時(shí)空步態(tài)參數(shù)分析[2]、肌電分析[3]、運(yùn)動學(xué)分析[4]等方法。此外，一些腦成像技術(shù)為研究參與中風(fēng)后患者運(yùn)動控制的神經(jīng)單元提供了方法，比如功能磁共振成像(fMRI)[5]。

骨骼肌肌肉纖維的幾何結(jié)構(gòu)被叫做骨骼肌的結(jié)構(gòu)，是肌肉功能的主要決定因素。因此，評估肌肉形態(tài)學(xué)變化為肌肉活動的測量提供了方法[6]。由于超聲的無創(chuàng)性、實(shí)時(shí)性以及方便的獨(dú)特優(yōu)勢，它已被廣泛應(yīng)用于體內(nèi)靜態(tài)和動態(tài)收縮過程中肌肉變化的測量[7-10]。超聲已經(jīng)可以精確測量肌肉厚度[7]、纖維長度[8]、羽狀角[9]和橫截面面積[10]的變化。然而，所有先前的超聲研究都是在不同收縮的條件下測得的靜態(tài)結(jié)構(gòu)的變化，但是偏癱步態(tài)期間的肌肉連續(xù)活動的變化并未闡明。盡管一些研究已將超聲應(yīng)用于研究人跑步和行走過程中的動態(tài)的肌肉活動[11-12]，但很少用于偏癱步態(tài)研究中。

本文研究的目的是開發(fā)一種創(chuàng)新的步態(tài)分析方法，可以在行走過程中獲取動態(tài)的肌肉收縮信息。一個(gè)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析平臺通過可穿戴式設(shè)備來采集動態(tài)超聲影像，肌電圖和關(guān)節(jié)角度信號。利用該平臺檢測了12例患者偏癱步態(tài)數(shù)據(jù)并分析與其相關(guān)的內(nèi)側(cè)腓腸肌的形態(tài)特征。

1 實(shí)驗(yàn)平臺

系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)表面肌電信號、踝關(guān)節(jié)角度信號（踝關(guān)節(jié)角此處定義為脛骨與踝關(guān)節(jié)中心與跖趾關(guān)節(jié)連線的夾角）、肌肉超聲圖像同步采集存儲。

表面肌電信號通過貼附在體表的Ag-AgCl表面電極來獲取，然后通過多通道電生理記錄儀（美國BIOPAC公司，MP150系統(tǒng)）進(jìn)行放大、濾波，最后通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（美國NI公司，DAQ USB-6216）傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。關(guān)節(jié)角度信號通過角度計(jì)（美國BIOPAC公司，TSD130A）獲取，肌電信號采用同樣的方式進(jìn)行放大、濾波和采集。

超聲圖像使用便攜式超聲診斷儀（廣州索諾星科技有限公司，SS-10）獲取。通過超聲診斷儀采集到的超聲圖像經(jīng)過圖像采集卡（陜西維視數(shù)字圖像技術(shù)有限公司，MV-VGA100）傳輸?shù)缴衔粰C(jī)顯示并保存。超聲探頭通過自制的夾具固定在小腿上。

2 患者信息

實(shí)驗(yàn)在深圳市南山醫(yī)院康復(fù)科進(jìn)行，主要招募由腦卒中導(dǎo)致偏癱患者作為本課題研究的被試者。本實(shí)驗(yàn)的被試者需符合以下幾個(gè)條件：① 患者能夠明白簡單的語言指導(dǎo)；② 患者能夠獨(dú)立或借助扶手完成行走過程；③ 患者沒有任何的神經(jīng)病史；④ 患者沒有出現(xiàn)諸如肌肉疼痛等其它不適狀態(tài)的狀況。按照上述標(biāo)準(zhǔn)，最終共選取了12名滿足上述條件并且布氏分期相對集中的腦卒中偏癱患者作為本課題研究的被試者。

12例中風(fēng)患者（8男4女）自愿參加了這項(xiàng)研究。他們的平均年齡為54.3歲（標(biāo)準(zhǔn)差=13.2），平均患病時(shí)間為181.7 d（標(biāo)準(zhǔn)差=222.4）。研究經(jīng)當(dāng)?shù)貍惱砦瘑T會批準(zhǔn)，并給所有參與者書面知情同意書。

3 實(shí)驗(yàn)方案與步驟

具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：① 實(shí)驗(yàn)開始前，將所有相關(guān)的硬件準(zhǔn)確連接；② 將肌電電極貼在小腿腓腸肌的肌腹處，兩個(gè)電極之間的間距控制在2 cm以內(nèi)，參考電極貼在膝蓋處；③ 將關(guān)節(jié)角度計(jì)按要求放置并用彈性繃帶將其固定；④ 將超聲探頭安裝在特制的探頭固定夾中，超聲探頭通過耦合劑緊貼在小腿內(nèi)側(cè)腓腸肌的表面，探頭的方向與目標(biāo)肌肉的走向平行。使用特制夾具固定可以避免被試者步行時(shí)超聲探頭相對肌肉運(yùn)動，使得前后采集到的超聲圖像具有穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)過程中，被試者實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 被試者的實(shí)驗(yàn)設(shè)置Fig.1 The setup of the experiment for the subject

本實(shí)驗(yàn)中，表面肌電信號和關(guān)節(jié)角度信號的采樣率為1 000 Hz，采樣模式設(shè)定為連續(xù)采樣，跑步機(jī)速度設(shè)置在3.5 km/h。采集到的超聲圖像能清楚反映肌肉形態(tài)的變化，表面肌電信號具有較高的信噪比，關(guān)節(jié)角度信號能實(shí)時(shí)記錄關(guān)節(jié)角度變化。

4 數(shù)據(jù)處理

4.1 表面肌電信號處理

每個(gè)被試者的表面肌電信號的數(shù)據(jù)處理步驟如下：① 將每位被試者的表面肌電信號數(shù)據(jù)按時(shí)間分成256 ms的片段；② 計(jì)算出每個(gè)數(shù)據(jù)片段的均方根值（Root Mean Square，RMS）。肌電信號RMS的定義計(jì)算公式為：

式中，N代表時(shí)間窗的長度，xi代表肌電信號的采集值。

4.2 圖像處理

本文的研究主要通過超聲影像研究被試者小腿內(nèi)側(cè)腓腸肌運(yùn)動特性。羽狀角是肌肉重要的一項(xiàng)功能特性，羽狀角的范圍與肌肉收縮強(qiáng)度、肌纖維長度等參數(shù)相關(guān)。本文中探頭固定在內(nèi)側(cè)腓腸肌上方，內(nèi)側(cè)腓腸?。╩edial gastrocnemius，MG）羽狀角的定義是肌肉纖維與深層腱膜之間的夾角，比目魚?。╯oleus，SOL）位于其深層。羽狀角選取如圖2所示。從超聲圖像中提取內(nèi)側(cè)腓腸肌的羽狀角由自行開發(fā)的程序處理[9]。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2 內(nèi)側(cè)腓腸肌(MG)和比目魚肌(SOL)的超聲圖像以及羽狀角選取Fig.2 Typical ultrasound image of MG and SOL muscles and the def i nition of pennation angle

對被試者患側(cè)與健側(cè)踝關(guān)節(jié)角度信號（羽狀角）進(jìn)行處理分析。分別將每次步行試驗(yàn)被試者踝關(guān)節(jié)角度值（羽狀角）范圍分布的10%與90%分界點(diǎn)的值作為踝關(guān)節(jié)角度信號（羽狀角）的最小值與最大值，兩次試驗(yàn)所計(jì)算出的平均值作為該被試者踝關(guān)節(jié)角度（羽狀角）的最小值與最大值。采用配對樣本t檢驗(yàn)比較所有被試者患側(cè)與健側(cè)踝關(guān)節(jié)角度（羽狀角）處理結(jié)果，顯著性水平設(shè)定為P＜0.05。被試者患側(cè)與健側(cè)踝關(guān)節(jié)角度（羽狀角）的最小值與最大值數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖3、4所示。

圖3 被試者患側(cè)與健側(cè)踝關(guān)節(jié)角度的最小值與最大值Fig. 3 The minimum and maximum values of the ankle joint angle of the affected and unaffected side of the subjects

圖4 被試者患側(cè)與健側(cè)羽狀角的最小值與最大值Fig.4 The minimum and maximum values of the PA of the affected and unaffected side of the subjects

從圖3、4所示的結(jié)果可以得出：被試者健側(cè)踝關(guān)節(jié)角度最小值小于患側(cè)的踝關(guān)節(jié)角度最小值，健側(cè)踝關(guān)節(jié)角度的最大值小于患側(cè)踝關(guān)節(jié)角度的最大值，被試者兩側(cè)踝關(guān)節(jié)角度有顯著差異。被試者患側(cè)與健側(cè)羽狀角參數(shù)值的最值沒有顯著差異。

對每個(gè)被試者單個(gè)健側(cè)與患側(cè)的踝關(guān)節(jié)角度信號、表面肌電信號的均方根值及羽狀角中6～10個(gè)步態(tài)周期(根據(jù)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性選擇，大部分病人的數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定，選取較平緩的10個(gè)周期，有些病人的數(shù)據(jù)相對不穩(wěn)定，選取6或8個(gè)較穩(wěn)定的周期)的數(shù)據(jù)，相加平均后合成一個(gè)單周期信號。然后將所有被試者的踝關(guān)節(jié)角度信號、表面肌電信號均方根值、羽狀角的單個(gè)周期信號進(jìn)行相加平均處理。處理結(jié)果如圖5～7所示。該結(jié)果表明：被試者健側(cè)與患側(cè)踝關(guān)節(jié)角度在平均步態(tài)周期中的分布范圍具有差異；被試者健側(cè)與患側(cè)兩側(cè)之間的表面肌電信號幅度在平均步態(tài)周期中具有較大的差異，被試者健側(cè)小腿內(nèi)側(cè)腓腸肌表面肌電信號的幅度大于被試者患側(cè)小腿內(nèi)側(cè)腓腸肌表面肌電信號的幅度；被試者健側(cè)與患側(cè)之間羽狀角差異不明顯。

圖5 平均步態(tài)周期中踝關(guān)節(jié)角度分布Fig.5 The average ankle joint angle in one gait cycle

圖6 平均步態(tài)周期中表面肌電分布Fig.6 The average EMG amplitude in one gait cycle

圖7 平均步態(tài)周期中羽狀角分布Fig.7 The average pennation angle in one gait cycle

5 討論

在本文中，在中風(fēng)偏癱患者步行狀態(tài)下，同時(shí)從患者小腿內(nèi)側(cè)腓腸肌采集的肌肉超聲圖像、表面肌電信號以及踝關(guān)節(jié)角度信號。目的是檢查下肢肌肉活動的收縮模式及其在健側(cè)與患側(cè)之間的差異。據(jù)我們所知，本文是首次嘗試通過超聲影像研究偏癱病人在步行狀態(tài)下其肌肉的連續(xù)形態(tài)變化。

本文發(fā)現(xiàn)如圖3、4所示的綜合平均水平，患側(cè)與健側(cè)羽狀角最大值和最小值沒有顯著差異，但踝關(guān)節(jié)角有區(qū)別。這個(gè)發(fā)現(xiàn)和以前的研究[13]不同，該研究表明腦卒中偏癱患者的患側(cè)羽狀角參數(shù)值減小。我們認(rèn)為與其研究結(jié)果產(chǎn)生較大差異的可能原因是由于我們在進(jìn)行各自的研究過程中，分別采用了不同的操作方法。而且羽狀角與肌電信號有很大區(qū)別，能提供關(guān)于肌肉活動的不同信息。所提出的方法的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是：超聲影像相比于常規(guī)肌電圖和關(guān)節(jié)角度的信號可以揭示更多有關(guān)偏癱模式的信息。如圖5～7所示，患側(cè)和健側(cè)羽狀角之間的差異比肌電圖和踝關(guān)節(jié)角的差異更有意義，這表明超聲影像可以提供更多的信息。如何定量分析這些差異并把它們與偏癱等級聯(lián)系起來將是我們下一步的研究。

雖然我們試圖通過視覺觀察以保證探頭在同一成像平面，但是肌肉結(jié)構(gòu)的三維成像并不是完全一致的。因此，羽狀角的估計(jì)可能存在誤差。換言之，從肌肉的縱向圖像完全反映肌肉的三維運(yùn)動幾乎是不可能的。有了更好的成像設(shè)備和設(shè)置，以及進(jìn)行更全面的建模，超聲圖像在未來可以揭示羽狀角的動態(tài)變化。

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Dynamic Estimation of Medial Gastrocnemius Activities in Post-stroke Hemiparetic Gait Using Ultrasonography

electromyography, wearable data collection platform, ultrasonography, joint angle, hemiparesis, gait

R445.1

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2017.02.004

1671-7104(2017)02-0092-04

2016-10-08

國家自然科學(xué)基金(81000637，81572233)；深圳市衛(wèi)生計(jì)生系統(tǒng)科研項(xiàng)目(201506095)

陳昕，E-mail: chenxin@szu.edu.cn