快行時(shí)腦卒中患者與健康人下肢肌肉活動(dòng)差異

馬 靜，陳 謙

（1.浙江體育職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研處，浙江杭州311231；2.浙江體育科學(xué)研究所，浙江杭州310004）

0 前 言

肌肉無力或癱瘓是腦卒中患者的主要臨床表現(xiàn)之一［1］，而步行能力低下是腦卒中偏癱患者存在的主要問題，是否具有良好的步行能力關(guān)系到他們未來的生活能力和生活質(zhì)量的好壞，改善患者的步行能力成為康復(fù)治療最主要的目標(biāo)之一［2－3］。因此，對腦卒中偏癱患者異常步態(tài)的分析就顯得尤為重要。

表面肌電（S u r f a c e e l e c t r o m y o g r a p h y，s EMG）信號作為客觀反映神經(jīng)肌肉運(yùn)動(dòng)控制及其功能狀態(tài)的康復(fù)評價(jià)手段，能夠在較大程度上反映患者運(yùn)動(dòng)單位募集、運(yùn)動(dòng)單位活動(dòng)的同步化活動(dòng)和多肌群協(xié)調(diào)性活動(dòng)等中樞運(yùn)動(dòng)控制因素以及肌肉興奮傳導(dǎo)、局部肌肉收縮力和抗疲勞能力等外周因素的共同作用［4］。不管從基礎(chǔ)研究還是臨床觀察應(yīng)用s EMG信號通過步態(tài)分析的方法來評價(jià)腦卒中患者神經(jīng)肌肉系統(tǒng)功能狀態(tài)均具有重大的學(xué)術(shù)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

肌肉在調(diào)節(jié)步行速度中的功能表現(xiàn)為控制身體的加速和減速以保證安全地完成整個(gè)前進(jìn)過程，因此，為了滿足快速運(yùn)動(dòng)過程中更多的肌肉力輸出的需求，肌肉活動(dòng)幅值會(huì)隨著步速的增加而增加。研究證明，步速與下肢運(yùn)動(dòng)功能具有很高的相關(guān)性，對不同步速下肌肉活動(dòng)的測量可以為臨床診斷提供有價(jià)值的參考［5］。

本研究目的在于通過計(jì)算快速步行時(shí)，下肢肌肉在步態(tài)周期的第一次雙側(cè)支撐期（f i r s t d o u b l e s u p p o r t p h a s e，D S 1）、單側(cè)支撐期（s i n g l e s u p p o r t p h a s e，S S）、第二次雙側(cè)支撐期（s e c o n d d o u b l e s u p p o r t p h a s e，D S 2）、擺動(dòng)期（s w i n g p h a s e，SW）這四個(gè)時(shí)期的平均持續(xù)活動(dòng)時(shí)間，探討腦卒中患者與健康對照被試下肢主要肌肉活動(dòng)模式的差異，并對整個(gè)周期內(nèi)肌電信號的平均肌電值（a v e r a g e EMG，A EMG）、平均功率頻率（m e a n p o w e r f r e q u e n c y，MP F）、復(fù)雜度（c o mp l e x i t y）進(jìn)行比較研究。

1 研究方法

1.1 研究對象

男性腦卒中偏癱患者10名，年齡54.7±11.9歲，身高171.2±4.5c m，體重67.6±8.4k g，患病時(shí)間12.2±15.1月。男性健康對照被試10名，年齡54.7±12.4歲，身高171.3±5.8c m，體重73.5±10.6。腦卒中患者的選取要求符合1995年全國第四屆腦血管病學(xué)術(shù)會(huì)議修訂的診斷標(biāo)準(zhǔn)，有獨(dú)立步行能力及一定的理解能力。健康對照被試無神經(jīng)疾病史或者外科整形病史，步行能力正常。所有被試無酒精過敏及電極膏過敏史，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行前均取得被試同意并簽訂志愿書。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

單因素（被試情況（2）被試內(nèi)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。腦卒中患者的步速比正常人要小，所以根據(jù)進(jìn)一步觀察及嘗試，確定本次研究的速度為0.4m/s。前有研究證明，腦卒中患者偏癱步態(tài)的平均步長為40c m，所以確定此研究的測試步頻為60次/m i n，通過步長及步頻的控制來達(dá)到控制步速的目的。

1.3 實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)開始前，用白膠布在地面上標(biāo)記間隔40c m的8條平行白線，讓被試在白線之間運(yùn)動(dòng)以控制步長。步頻運(yùn)用節(jié)拍器M a t h e m a t i c a 7.0進(jìn)行控制，設(shè)置為60次/m i n的節(jié)拍。

完成電極及步態(tài)開關(guān)的安置，被試自我感覺穩(wěn)定可以完成獨(dú)立行走后，讓其在規(guī)定的白線范圍內(nèi)進(jìn)行直線型自由行走。對患者的測量中，一名主試人員根據(jù)節(jié)拍器以用手打拍子的形式來輔助患者的步頻控制。腦卒中患者在康復(fù)訓(xùn)練臺(tái)上行走，左右有保護(hù)人員進(jìn)行保護(hù)。由于患者步行能力限制，本實(shí)驗(yàn)只要求被試能較好地完成一次自由行走。

1.4 檢測指標(biāo)

采用雙極肌電記錄系統(tǒng)（MC 6000，M e g a e l e c t r o n i c s，K u o p i o，F(xiàn) i n l a n d）記錄步行過程中腦卒中患者偏癱側(cè)及健康被試對照側(cè)脛骨前肌、內(nèi)側(cè)腓腸肌、股直肌、股二頭肌的表面肌電信號，并同時(shí)運(yùn)用步態(tài)開關(guān)采集左右足的步態(tài)周期指標(biāo)。使用M e g a－W i n軟件讀取原始s EMG信號，處理后的A EMG、MP F、復(fù)雜度作為反應(yīng)肌肉活動(dòng)的指標(biāo)。運(yùn)用m a tl a b進(jìn)行信號處理以判斷步態(tài)周期肌肉活動(dòng)的起止點(diǎn)，計(jì)算每個(gè)時(shí)期肌肉活動(dòng)的平均持續(xù)時(shí)間作為反應(yīng)肌肉活動(dòng)時(shí)序的指標(biāo)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

本研究運(yùn)用m a t l a b及M e g a－W i n軟件對采集的肌電信號進(jìn)行分析處理。最近有研究證明，T K E算子可以顯著地增加s EMG信號的起始點(diǎn)檢測精度，減小起始點(diǎn)判斷的誤差［6］。本研究中運(yùn)用T K E算子對肌電信號進(jìn)行處理。具體處理過程為：10H z高通濾波、T K E算子處理、50H z低通濾波、數(shù)據(jù)點(diǎn)每10點(diǎn)平均、將閾值范圍內(nèi)的信號置0、聚類分析。本研究由于部分信號干擾較大，經(jīng)比較后選取靜止站立時(shí)的信號做為背景信號。

選取一個(gè)較穩(wěn)定步態(tài)周期內(nèi)的信號，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)運(yùn)用上述方法進(jìn)行肌肉活動(dòng)起止點(diǎn)判斷，根據(jù)肌電儀器步態(tài)開關(guān)測量到的各步態(tài)周期指標(biāo)，以整個(gè)步態(tài)周期時(shí)長做標(biāo)準(zhǔn)化。對各子周期（D S 2、SW、D S 2、S S）肌肉活動(dòng)平均持續(xù)時(shí)間的分析，以子周期時(shí)長做標(biāo)準(zhǔn)化。運(yùn)用M e g a－W i n計(jì)算A EMG、MP F、復(fù)雜度等指標(biāo)，對A EMG以常速步行時(shí)的平均值做標(biāo)準(zhǔn)化。對標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行t檢驗(yàn)，比較腦卒中患者及健康對照被試的差異。

2 結(jié) 果

2.1 肌肉活動(dòng)開關(guān)圖譜

運(yùn)用上述方法進(jìn)行肌肉活動(dòng)起止點(diǎn)的判斷，得到肌肉活動(dòng)的開關(guān)圖譜如下：

圖1 快速步行時(shí)患者與健康被試下肢肌電活動(dòng)占步態(tài)周期百分比

2.2 步態(tài)子周期內(nèi)肌肉電活動(dòng)持續(xù)時(shí)間差異

①第二次雙側(cè)支撐期（D S 2）內(nèi)。患者股直肌持續(xù)時(shí)間顯著短于健康被試（p＝0.047），其他無顯著差異。

②擺動(dòng)期（SW）內(nèi)。對被試情況進(jìn)行t檢驗(yàn)表明，患者與健康被試相比，脛骨前肌及內(nèi)側(cè)腓腸肌的活動(dòng)均存在顯著差異，且均表現(xiàn)為患者活動(dòng)持續(xù)時(shí)間顯著長于健康被試（p＝ 0.009，p＝0.002）。

③第一次雙側(cè)支撐期（D S 1）內(nèi)。D S 1期內(nèi)患者內(nèi)側(cè)腓腸肌的活動(dòng)持續(xù)時(shí)間顯著長于健康被試（p＝0.003）。

④單側(cè)支撐期（S S）內(nèi)?？焖傩凶邥r(shí)，患者脛骨前肌、內(nèi)側(cè)腓腸肌、股直肌、股二頭肌的活動(dòng)持續(xù)時(shí)間顯著短于健康被試（p＝0.041，p＝0.010，p＝0.022，p＝0.038）。

⑤支撐期內(nèi)?；颊呖焖傩凶哌^程中，脛骨前肌、股直肌、股二頭肌活動(dòng)持續(xù)時(shí)間顯著短于健康被試（p＝0.006，p＝0.024，p＝0.011）。

脛骨前肌占各周期活動(dòng)百分比

內(nèi)側(cè)腓腸肌占各周期活動(dòng)百分比

圖2 快速行走時(shí)下肢肌肉活動(dòng)占周期百分比

2.3 肌電指標(biāo)間的差異

①A EMG。t檢驗(yàn)表明，腦卒中患者快速行走時(shí)脛骨前肌和股二頭肌的A EMG顯著大于健康被試（p＝0.031，p＝0.047）。

②MP F下降率。t檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，患者在快速行走時(shí)股直肌MP F下降率大于健康被試（p＝0.049）。

3 討 論

腦卒中后偏癱步態(tài)異常EMG信號的研究始于上一世紀(jì)五十年代。1952年H i r s c h b e r g和N a t h a n s o n［7］用表面電極采集了臀中肌、長收肌、半腱肌、股外側(cè)肌、內(nèi)側(cè)腓腸肌、脛骨前肌的信號發(fā)現(xiàn)，偏癱側(cè)EMG活動(dòng)水平普遍下降，而臀部肌肉的活動(dòng)模式與正常模式相差無幾，四頭肌和腘繩肌呈高激活狀態(tài)，且活動(dòng)持續(xù)時(shí)間延長到站立期結(jié)束。M a r k s和H i rs c h b e r g［8］發(fā)現(xiàn)，偏癱側(cè)下肢EMG活動(dòng)振幅整體下降并伴有異常周期相，而健側(cè)肌肉激活程度增加。C o r r ê a F I等［9］對表面肌電信號研究發(fā)現(xiàn)，臀中肌、脛骨前肌、比目魚肌、股直肌和內(nèi)側(cè)腘繩肌在腳跟著地時(shí)的起始活動(dòng)時(shí)間明顯提前，而比目魚肌、脛骨前肌、股直肌和內(nèi)側(cè)腘繩肌的停止時(shí)間明顯延長。也就是說腦卒中患者在支撐相踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)存在明顯的主動(dòng)肌和拮抗肌活動(dòng)共收縮現(xiàn)象。研究表明，不同腦卒中患者間肌肉活動(dòng)的時(shí)間模式差異很大。機(jī)體會(huì)依據(jù)其損傷范圍、類型、部位的不同而采取不同的代償方法。

正常步態(tài)需要完成以下5個(gè)主要任務(wù)：站立期早期準(zhǔn)備力學(xué)能量、為支撐身體做準(zhǔn)備、維持身體平衡、擺動(dòng)期完成足離地、產(chǎn)生前沖步態(tài)［10］。正常步態(tài)是指當(dāng)一個(gè)健康成人用自我感覺最自然、最舒坦的姿態(tài)行走時(shí)的步態(tài)。具有步長、步寬、步頻合理，姿勢穩(wěn)定、能量消耗最少的特點(diǎn)［11］。正常人常速行走時(shí)，支撐期約占整個(gè)步態(tài)周期的60％～65％。其中有一個(gè)比較特殊的時(shí)期，即雙側(cè)支撐期，指一側(cè)下肢進(jìn)入支撐期時(shí)另一側(cè)下肢尚未離地，兩側(cè)下肢同時(shí)負(fù)重的時(shí)期，雙側(cè)支撐期約占整個(gè)步行周期的28.8％，占支撐期的44.8％，是步行區(qū)別于跑步的標(biāo)志性時(shí)期。有研究表明，隨著年齡的增長，單側(cè)支撐期及雙側(cè)支撐期占整個(gè)步態(tài)周期的比例也會(huì)隨之增加，以增加步行過程中的穩(wěn)定性［12］。

本研究發(fā)現(xiàn)，快速步行過程中，與健康被試相比，患者股直肌在第二次雙側(cè)支撐期、單側(cè)支撐期及整個(gè)支撐期的活動(dòng)時(shí)間明顯縮短，脛骨前肌、股二頭肌在單側(cè)支撐期及支撐期的活動(dòng)時(shí)間明顯縮短，內(nèi)側(cè)腓腸肌在單側(cè)支撐期的活動(dòng)時(shí)間也明顯縮短，也就是說患者偏癱側(cè)下肢的主要肌肉在單側(cè)支撐期及支撐期均存在活動(dòng)持續(xù)時(shí)間縮短現(xiàn)象。由于大多數(shù)患者的最主要表現(xiàn)為偏癱側(cè)單側(cè)無力，為了穩(wěn)定地完成步行動(dòng)作，患者更多地依靠健側(cè)下肢來保持平衡和行走，以上結(jié)果說明患者在快速行走時(shí)，偏癱側(cè)的支撐能力顯著下降，這進(jìn)一步加大了健側(cè)的代償作用。因此，會(huì)使健側(cè)下肢由于承擔(dān)過多的身體重量而導(dǎo)致肌肉勞損及關(guān)節(jié)、韌帶損傷的發(fā)生，所以康復(fù)訓(xùn)練過程中提高患者將身體重量轉(zhuǎn)移到偏癱側(cè)的能力就顯得極為重要。

本研究還發(fā)現(xiàn)，腦卒中患者脛骨前肌在擺動(dòng)期、內(nèi)側(cè)腓腸肌在擺動(dòng)期及第一次雙側(cè)支撐期的活動(dòng)持續(xù)時(shí)間均顯著長于健康被試，脛骨前肌的功能為伸踝關(guān)節(jié)使足內(nèi)翻，內(nèi)側(cè)腓腸肌的作用為提供推動(dòng)力，也就是說腦卒中患者步態(tài)異常及步速減慢有可能與脛骨前肌與內(nèi)側(cè)腓腸肌功能減弱有關(guān)，是否能成為腦卒中患者的特征性表現(xiàn)有待進(jìn)一步證明。

各肌電檢測指標(biāo)中，本研究發(fā)現(xiàn)，患者在快速步行時(shí)脛骨前肌及股二頭肌的平均肌電值顯著大于健康被試，也就是說，與健康被試相比患者需要更高的激活水平來完成整個(gè)步行動(dòng)作?；颊吖芍奔∑骄β暑l率下降率顯著小于健康被試。

4 結(jié) 論

4.1 患者股直肌在第二次雙側(cè)支撐期、單側(cè)支撐期及整個(gè)支撐期，脛骨前肌、股二頭肌在單側(cè)支撐期及支撐期，內(nèi)側(cè)腓腸肌在單側(cè)支撐期的活動(dòng)時(shí)間均表現(xiàn)為顯著短于健康被試。

4.2 患者脛骨前肌在擺動(dòng)期、內(nèi)側(cè)腓腸肌在擺動(dòng)期及第一次雙側(cè)支撐期的活動(dòng)持續(xù)時(shí)間均顯著長于健康被試。

4.3 患者脛骨前肌及股二頭肌的平均肌電值增加，股直肌的平均功率頻率下降率變小。

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