表面肌電圖在肌肉功能評估中的應(yīng)用

曹繼忠，鄒文中，金新，王巧華，占超

（黃石市中醫(yī)醫(yī)院,湖北 黃石 435000）

0 引言

在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，神經(jīng)電生理學(xué)取得了許多令人矚目的發(fā)展，神經(jīng)學(xué)肌電圖（ Electromyography，EMG）、生物力學(xué)慣性傳感器、表面肌電圖（Surface electromyography，sEMG）、心腦血管病學(xué)心電圖（Electrocardiogram，ECG）、腦電圖（Electroencephalography，EEG）等在儀器評估方面提供了強(qiáng)大的定量方法。神經(jīng)工程為醫(yī)學(xué)臨床、科研提供了大量研究技術(shù)和工具。在國際神經(jīng)康復(fù)會議提供的進(jìn)展和工具的視圖中，多為用于評估平衡、力量、耗氧量，以及肌肉活動的設(shè)備。表面肌電圖應(yīng)用于肌肉活動的客觀測量、計(jì)劃治療以及治療前和治療后評估的臨床研究數(shù)量很大并且迅速增加。多肌肉 sEMG 記錄可提供有關(guān)肌肉募集與去募集能力、疲勞、協(xié)同激活、協(xié)同收縮的信息，并有助于證明康復(fù)計(jì)劃的有效性[1-2]。作為“肌肉激活測量工具”，sEMG 在過去40年中在神經(jīng)康復(fù)中發(fā)揮了越來越重要的作用[3-4]。

1 表面肌電圖的檢測原理，各常用指標(biāo)意義

常規(guī)臨床針肌電圖檢查為有創(chuàng)檢查，每次測試都會導(dǎo)致幾條肌肉纖維的破壞，需要患者可耐受一定程度的痛感，在檢測過程中疼痛耐受度不高的患者不能很好完成完整檢測部位，影響結(jié)果判斷，并可能存在細(xì)菌或病毒感染的風(fēng)險(xiǎn)。sEMG為無創(chuàng)性檢測，可有效避免上述影響因素及感染風(fēng)險(xiǎn)。

sEMG信號是通過皮膚表面記錄到的肌肉活動時(shí)神經(jīng)肌肉系統(tǒng)產(chǎn)生的生物電變化信號，其不同信號指標(biāo)可反映出肌肉的各種功能狀態(tài)[5]。sEMG信號目前大致可分為三個(gè)分析方向：信號幅度分析、頻譜分析以及傳播分析。

在信號幅度分析中平均肌電值（Average electromyography，AEMG）、積分肌電值（Integrate electromyography，IEMG）以及均方根值（Root mean square，RMS）為主要指標(biāo)，因AEMG、IEMG、RMS均考慮時(shí)間對波幅的影響，所以又把它們歸為時(shí)域分析。iEMG反映肌電信號隨時(shí)間的強(qiáng)弱變化，反映一定時(shí)間內(nèi)興奮肌肉參與活動的運(yùn)動單位的放電總和，可一定程度上反映肌肉中參與工作的運(yùn)動單位的數(shù)量和放電量，體現(xiàn)肌肉在單位時(shí)間內(nèi)的收縮強(qiáng)度特性。RMS為一段時(shí)間內(nèi)瞬間肌電圖振幅進(jìn)行平方后再取其平均平方根值，為運(yùn)動單位的放電有效值。AEMG則取一段時(shí)間內(nèi)瞬間肌電圖振幅的平均值，是反映sEMG信號振幅變化的特征性指標(biāo)。RMS與AEMG均主要反映肌肉活動時(shí)運(yùn)動單位激活的數(shù)量、參與活動的運(yùn)動單位的類型以及放電頻率的同步化情況[6-7]。旨在證明肌肉纖維的功能性損失。

頻譜分析指標(biāo)主要指平均功率頻率（Mean frequency，MPF）和中位頻率（Median frequency，MF）。MPF表示功率譜曲線重心的頻率即平均值，其大小與運(yùn)動單位類型、動作電位的傳導(dǎo)速度以及其同步化程度相關(guān)。MF則為肌肉收縮過程中肌纖維放電頻率的中間值。隨著運(yùn)動肌疲勞的發(fā)生和發(fā)展，表面肌電信號的頻譜曲線可以發(fā)生不同程度的左移現(xiàn)象，并且導(dǎo)致描述頻譜曲線特征MPF和MF信號產(chǎn)生相應(yīng)的下降，表明MPF和MF與肌肉疲勞狀態(tài)密切相關(guān)[8]。

傳播分析指標(biāo)為肌纖維傳導(dǎo)速度（muscle fiber conduction velocity，MFCV），MFCV是通過測量兩測試點(diǎn)的距離以及潛伏期作比值得出單位為mm/s，可一定程度反映該肌肉纖維對生物電信號傳導(dǎo)能力，表現(xiàn)出該肌肉反映有效性與靈敏性。本指標(biāo)測量外界因素控制需較為嚴(yán)格，測量空間室溫控制在28℃左右，患者皮溫28℃-30℃。

2 sEMG在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用

總的肌電活動是來自所有活動纖維的單個(gè)電活動的空間和時(shí)間總和。時(shí)閾參數(shù)的使用可最大程度使檢測到的信號接近于實(shí)際上生成的信號。由于影響SEMG信號的變量數(shù)量巨大，若不協(xié)調(diào)空間和時(shí)間，比較個(gè)體可能會隨著時(shí)間的推移局部產(chǎn)生變化（如脂肪浸潤組織、結(jié)締組織的增殖等傳導(dǎo)體積中的改變），跟蹤同一個(gè)體則會比較困難。

2.1 信號幅度分析

在上述指標(biāo)中最常用的參數(shù)是iEMG、RMS和AEMG。Onishi H等[6]研究表明RMS、 iEMG與肌力呈正相關(guān)，而RMS通常是首選，因?yàn)樗csEMG信號的電功率直接相關(guān)，因此具有更直接的物理意義。Muro M等[9]在健康受試者、肌源性和神經(jīng)源性患者中進(jìn)行了肱二頭肌不同水平的等長和等張收縮期間的肌電信號特征評估。結(jié)果表明，神經(jīng)肌肉疾病的電生理特征可以通過表面肌電MPF、IEMG和IEMG斜率系數(shù)分析來揭示，從而可以獲得臨床有用的信息。Milner-Brown HS等[10]計(jì)算了20名正常受試者肌肉性能的五個(gè)參數(shù)：神經(jīng)肌肉效率（力/募集的iEMG）、等長自主收縮期間施加的最大肌肉力量的MF值、力-時(shí)間積分-力-時(shí)間圖下的面積（耐力）、疲勞指數(shù)（FI，即MF 減少百分比）和恢復(fù)時(shí)間（Recovery Time，RT）得出參考值，并用于評估負(fù)重訓(xùn)練對神經(jīng)肌肉疾病患者的影響。

Lindeman E等[11]記錄腓骨肌萎縮癥（Charcot-Marie-Tooth，CMT）亦稱為遺傳性運(yùn)動感覺神經(jīng)病（HMSN）患者和健康對照者的近端腿部肌肉表面肌電圖的RMS、疲勞參數(shù)的功率譜的耐力（秒）和MF。發(fā)現(xiàn)患者的最大自主收縮（Maximum voluntary contraction，MVC）降低；與RMS 值之間的比值增大。表明增加力量測量可能有助于研究疾病的進(jìn)展和干預(yù)措施的效果。Linssen WH等[12]對4名患有以 100% Ⅰ型纖維為主的先天性肌病患者和 26 名健康志愿者進(jìn)行了等長缺血間歇性肱二頭肌運(yùn)動試驗(yàn)（在最大自愿收縮水平的80%時(shí)，每分鐘收縮30次）。發(fā)現(xiàn)Ⅰ型肌纖維的力量產(chǎn)生能力比Ⅱ型肌纖維低四倍。sEMG 幅度表明，與對照組相比，100% Ⅰ型纖維的患者每單位力需要更多的RMS值。Orizio C等[13]為研究評估sEMG、機(jī)械肌動圖（Mechanomyogram，MMG：主動運(yùn)動單位的肌肉纖維的尺寸變化會產(chǎn)生的個(gè)信號） 的均方根RMS及其關(guān)系（Electromechanical coupling efficiency，EMCE：機(jī)電耦合效率）是否與受強(qiáng)直性營養(yǎng)不良影響的患者的臨床階段有關(guān)，選取強(qiáng)直性營養(yǎng)不良較少累及的肘屈肌與較常累及的手指屈肌進(jìn)行記錄分析。發(fā)現(xiàn)在相同的相對力下，強(qiáng)直性營養(yǎng)不良MMGRMS和 EMG-RMS顯著低于健康對照組，肘屈肌的強(qiáng)直性營養(yǎng)不良組和健康對照組的EMCE幾乎相同，但手指屈肌的EMCE顯著降低。表明由于營養(yǎng)不良過程導(dǎo)致的EMCE變化可以通過這種新的非侵入性技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測，且和臨床結(jié)果的良好一致性。

2.2 頻譜分析

細(xì)胞組織的（正常或病變）發(fā)育改變了肌內(nèi)和肌周組織的電阻和電容，從而產(chǎn)生顯著的信號源與現(xiàn)場之間的信號衰減的變化。這些影響也顯著改變信號的頻譜密度。然而，與在時(shí)域中獲得的相對均勻的結(jié)果相比，在譜域中的結(jié)果差異很大。Srivatsan S等在不同水平的等長收縮力期間記錄腦卒中患者健側(cè)及患側(cè)MF值，結(jié)果表明，三名受試卒中受試者的卒中和對側(cè)之間的MF值差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。Zwarts MJ等[14]為了研究短暫性麻痹，分別記錄分析隱性先天性肌強(qiáng)直患者、強(qiáng)直性肌營養(yǎng)不良患者和 健康對照患者的肱二頭肌5次最大自主收縮的力量、MF和MFCV。對照組與強(qiáng)直性肌營養(yǎng)不良組的功率譜的MFCV和MF在所有5次連續(xù)收縮中均增加，而先天性肌強(qiáng)直組MFCV的急劇下降，伴隨著MF向較低頻率的轉(zhuǎn)移。證實(shí)短暫性麻痹與先天性肌強(qiáng)直中具有臨床相關(guān)性。

Li X等[15]分析腦卒中患者外展食指來進(jìn)行等長自主收縮時(shí)的MPF值，與對側(cè)肌肉相比，麻痹肌肉的MPF顯著降低，但對對iEMG功率譜上的力因子的檢查并未證實(shí) MPF與任一手的收縮力之間存在顯著相關(guān)性。頻譜差異與Fugl-Meyer 或Chedoke評分或麻痹和對側(cè)MVC的比率之間沒有相關(guān)性。文獻(xiàn)[9]則提出神經(jīng)肌肉疾病的電生理特征可以通過表面肌電MPF分析來揭示，從而可以獲得臨床有用的信息。MPF在不同疾病中與肌肉功能的相關(guān)性可進(jìn)一步研究。

2.3 傳播分析

肌肉纖維傳導(dǎo)速度（MFCV） 可用作疲勞或病理過程中可能發(fā)生的結(jié)構(gòu)或功能改變的指標(biāo)。Zwarts MJ.等[16]分別用針肌電圖與sEMG測量誘發(fā)肱二頭肌肌纖維動作電位的潛伏期。比較了兩種測量肌纖維傳導(dǎo)速度（MFCV）的技術(shù)。發(fā)現(xiàn)兩種方法的平均值之間存在明顯的相關(guān)性。在MFCV整體降低的肌病中，這兩種方法具有同等價(jià)值。在一些長期肌炎的病例中，針肌電圖可檢測到一些非常緩慢的傳導(dǎo)纖維，而sEMG無法檢測到這些纖維的信號特征。但在檢測MFCV的過程中，針肌電圖具有較大變異性，sEMG則相對穩(wěn)定。G Drost 等使用新型126通道高密度sEMG技術(shù)研究了全身性肌強(qiáng)直患者肌纖維膜的電生理特性?；颊咴陔S意收縮的短暫麻痹期間MFCV的下降，說明了膜功能障礙。瞬態(tài)麻痹的力量下降期間多通道sEMG顯示從終板到肌腱的運(yùn)動單位動作電位的峰峰值幅度降低。這種干擾隨時(shí)間和地點(diǎn)而增加，表明膜功能惡化，并在幾秒鐘內(nèi)完全阻斷傳播。從而提出暫時(shí)性麻痹是由肌肉膜功能障礙解釋的，最終導(dǎo)致傳導(dǎo)阻滯和麻痹。這一貢獻(xiàn)表明，通過高密度sEMG獲得的肌電信息可一定程度反映肌肉膜功能狀態(tài)。Hilfiker P等[17]分析了在正常狀態(tài)和進(jìn)行性肌營養(yǎng)不良癥肌病條件下肱二頭肌等長自主肌肉收縮過程中運(yùn)動單位動作電位的傳播。發(fā)現(xiàn)與17名健康受試者M(jìn)FCV(4.42+/-0.37m/s)相比，5名肌營養(yǎng)不良癥且肱二頭肌僅中度損傷的患者的平均MFCV降低(2.81+/-0.34m/s)。此外部分代表性研究，如患有杜氏肌營養(yǎng)不良癥[18-20]、強(qiáng)直性營養(yǎng)不良、低鉀性周期性麻痹、麥卡德爾病或先天性肌病。通過sEMG檢測肱二頭肌的平均MFCV。結(jié)果顯示上述患者的平均MFCV均降低。

3 討論

與傳統(tǒng)針肌電圖相比，sEMG能檢測更多源肌肉運(yùn)動單位電信號，更能綜合反映被觀察肌肉或協(xié)同肌群的功能狀態(tài)。且sEMG在如觀察肌束震顫等需要長時(shí)間檢測的疾病方面更具有優(yōu)勢。sEMG的相應(yīng)參數(shù)指標(biāo)（幅度分析、頻譜分析、傳播分析）在腓骨肌萎縮癥、先天性肌病、強(qiáng)直性營養(yǎng)不良、低鉀性周期性麻痹、腦卒中等肌源性、神經(jīng)源性疾病中的評估應(yīng)用具有臨床指導(dǎo)意義。腦卒中，又稱腦血管意外(cerebrovascular accident CVA)，是指突然發(fā)生的、由腦血管病變引起的局限性或全腦功能障礙。在發(fā)病早期由于錐體束突然中斷，使肌肉牽張反射被抑制而致肌力、肌張力低下或消失，臨床將這一時(shí)期稱為軟癱期。現(xiàn)代醫(yī)學(xué)認(rèn)為腦卒中患者軟癱期的主要原因?yàn)榧埩p退和喪失，治療應(yīng)以易化方法促進(jìn)肌張力產(chǎn)生和增強(qiáng)，實(shí)際上是通過增強(qiáng)外周感覺的輸入，使γ運(yùn)動神經(jīng)元興奮，易化脊髓低位中樞，反射性誘發(fā)肌張力產(chǎn)生和增強(qiáng)，而肌張力增強(qiáng)是肌肉運(yùn)動產(chǎn)生肌力的前提[21]，表面肌電圖可實(shí)時(shí)檢測患者肌張力及肌力變化情況，其iEMG反映興奮肌肉參與活動的運(yùn)動單位的放電總和，體現(xiàn)肌肉在單位時(shí)間內(nèi)的收縮強(qiáng)度。RMS反映肌肉活動時(shí)運(yùn)動單位激活的數(shù)量、參與活動的運(yùn)動單位的類型以及放電頻率的同步化情況，二者可體現(xiàn)經(jīng)治療干預(yù)后腦卒中軟癱期患者肌肉激活狀態(tài)[22]，因此在本團(tuán)隊(duì)后續(xù)研究中，將選取此兩項(xiàng)指標(biāo)作為腦卒中患者肌肉功能狀態(tài)的主要客觀檢測指標(biāo)，以探討循經(jīng)推拿對早期腦卒中患者肌肉功能的影響。