基于腦電與肌電對中風偏癱病人肌肉能力恢復研究的進展

張冬曄，何山，曾珍

（北京工業大學 生物醫學工程中心，北京 100022）

1 肌電信號與運動康復治療

1.1 神經肌肉電刺激

肌肉疲勞在生物力學意義上被定義為肌肉不能保持預期的力輸出[2]。在神經系統控制下的整個肌肉的表現可能被各種因素所影響，如被試者的不愿配合；神經沖動無法傳導到肌肉；肌膜失活等等[3]。肌電（EMG）對判斷與評價個人體內肌肉的疲勞很有幫助。根據BASmajian 和 DeLucas 的研究，肌肉疲勞是以肌電譜密度的變化為標稱的，疲勞時譜密度會下降，與此同時，肌電增益會增加或者保持不變[4]。這些肌電信號在疲勞時的特征作為疲勞指標被廣泛應用在運動醫學上，用于神經-肌肉康復治療和神經-假肢設備的控制。 然而目前有關肌電在疲勞時特性的知識僅僅是以分析正常肌肉為基礎的，只有很少的研究包含了由于中風引起的肌肉癱瘓病人的肌電疲勞特征。

了解正常被試者和患有肌肉癱瘓被試者的疲勞肌電特征的不同之處是十分重要的，因為這是肌電技術在中風康復治療中廣泛應用的先決條件。 在中風后癱瘓的肌肉處于特定疲勞狀態與正常肌肉處于同種狀態下的比較證明了這種不同的存在。

綜上所述：針對肌肉治療的神經肌肉電刺激( Neuromuscular Electrical Stimulation, NMES)是近年來在偏癱康復治療中應用較廣泛的方法之一。在臨床上,可直接利用神經肌肉電刺激, 來刺激患肢體表或與之相對應的周圍神經, 通過刺激突觸前膜對肌梭反射的抑制作用，增強肢體的肌肉力量，提高患者的運動功能和日常生活動作能力[5]。

1.2 生物反饋技術

生物反饋技術( biofeedback techniques)是指應用電子儀器, 將人們正常情況下意識不到的身體生理活動和生理功能( 如肌電、肌張力、血壓等)變化, 轉變為可以被人感覺到的信號, 如聲音、圖像等, 再讓患者根據這些可感覺到的信號學會在一定范圍內通過意識調控內臟器官或機體的活動, 糾正偏離正常范圍機體功能的一種治療方法，目前在臨床上以表面肌電生物反饋在腦卒中后偏癱中的應用最為成熟[7]。據研究表明，生物反饋技術能夠為觸覺、關節活動提供適當的、具有遠側反射性感覺的系統，對假肢的人性化適應性能的提高具有重要的提升意義。這個系統同時也會以一種更自然、易控制的方式提高假肢的功能[6,7]。

1.3 肌電誘發的神經肌肉電刺激

隨著科學技術的發展, 將神經肌肉電刺激與肌電生物反饋技術結合, 產生了一種新的治療方法——肌電誘發的神經肌肉電刺激(Electromyography- triggered Neuromuscular Stimulation)。 在肌電誘發的神經肌肉電刺激的治療過程中,治療儀產生的電刺激幫助患者完成整個全關節的腕背伸運動,即將這個動作放大到使患者能夠很明確地看到或感覺到的幅度, 肌肉活動的可視信號特點和有關肌肉收縮的程度、速度等信息的神經沖動編碼一一對應, 在破壞了的運動調控系統中形成了一個外在的反饋環路, 從而加強和恢復了內在環路中的隨意運動模式中感覺與運動的相互作用，從而完成了整個感覺運動生物反饋過程。可以認為這種治療方法是能夠加強或重建本體感覺的生物反饋系統, 可以使相關信號返回到皮質感覺中樞中, 建立新的感覺運動反饋系統, 從而代替原來受損神經元產生的錯誤信息[8]。

1.4 功能性電刺激

功能性電刺激(Functional Electrical Stimulation, FES)作為一種安全、有效的治療方式, 目前正逐步應用于臨床輔助治療肌肉神經功能性疾病。

1.5 肌電信號在控制假肢方面的發展

人手是人類賴以生存和勞動的最復雜、最精細的工具，因此人手的假肢研究對于幫助病人更加方便的生活有著極為重要的意義。隨著微電子技術的進步及微型計算機的出現，肌電控制假手逐漸成熟并得到了廣泛應用[9]。肌電控制假手的信息源是殘肢殘存的肌肉群，通過殘肢肌肉表面的電極檢測出肌電信息，進行募集放大、識別處理，控制假肢，原理如圖1所示。

圖1 肌電控制假肢原理圖

目前，隨著人們生活水平的提高，對假肢仿生性能的要求也越來越高[10]。肌電假手中最高水平的是德國OttoBock 公司推出的自動SUVA 感應假手, 這個假手可以通過肌電信號的強弱來控制手的張合速度, 并可以控制抓取物體力度的等級。我國清華大學利用有機壓電(PVDF)薄膜制作的傳感器,研制了一種具有觸滑覺反饋功能的肌電假手，這種觸滑覺傳感器不僅很薄,可以像皮膚一樣粘貼在假手的手指表面, 而且利用物體滑動引起點陣狀表皮振動產生的交變壓電信號,可以進行實時監視和反饋。安裝有這種觸滑覺傳感器的假手,克服了傳統假手的弊端, 提高了仿生性能。

人的肢體動作是由大腦、神經、肌肉活動協同完成的結果，而表面肌電信號(surface electromyography，sEMG)是伴隨肌肉活動的生物電信號在體表的展現，其中蘊含了豐富的肢體動作信息，表面肌電信號的研究對探究肢體肌肉運動有著重要意義[11]。目前市場上的大多數假肢主要是通過拾取截肢者殘端的一對拮抗肌（如腕伸肌和腕屈肌）的sEMG來控制假手驅動電機的正反轉，實現假手的張開和合攏[12]。雖然在2000 年后，多自由度肌電假手的識別率已經達到85%以上，但由于仍然存在一定的誤識率，離實用尚有一定距離。

2 腦電信號與康復治療

2.1 中風后腦電信號

大腦一側半球中風，尤其是高血壓性腦出血可導致腦水腫，可壓迫腦干。中風早期，腦缺血、缺氧使神經細胞膜電位發生變化，出現過度除極化；急性期顱內壓增高，影響了神經元的正常電生理活動。由于應激反應使機體內有關激素水平發生改變以及血液電解質酸堿平衡的破壞等可能引起癇性放電，所以腦組織缺血、缺氧及病變亦可直接刺激局部神經元引起癲癇發作[13]。

2.2 腦電信號的應用

2.2.1 腦電信號的提取與假肢控制。腦電信號（Electroencephalograph）的提取，目的是為了從復雜的背景噪聲中提取出隱含或微弱的腦電特征。因為臨床實踐表明, 腦電信號中包含了大量生理與疾病信息, 所以通過對腦電信號的處理, 不僅可以為醫生提供臨床診斷依據, 而且可以為某些腦疾病提供有效的治療手段, 同時也常應用于假肢控制和腦認知科學方面的研究[14]。

雖然肌電信號作為假肢的信息源在前臂假肢研究領域中已廣泛的使用，但由于長期中風或者癱瘓沒有得到較好的康復護理而導致肌肉萎縮時，肌電信號就不能提供足夠的肌電控制信息，值得注意的是，肌肉的疲勞、電極位置的改變、體能波動等也都會使肌電信號的特征值發生變化，造成控制準確度難以提高。 然而神經的電生理活動不受人體疲勞程度的影響，而且重復再現性高、傳遞時彼此之間互不干擾，所以利用神經活動控制假肢具有一定的優勢[14]。

近年來，在事件相關電位（Event-Related Potential,ERP），以及在誘發腦電位方面的相關研究（An event-related brain potential）[15]已經引起了國內外的關注。其中的P300作為一種認知相關的腦誘發ERP的內源性成分，在記錄時不需要太多的疊加次數就可以出現，在臨床上廣泛適用于假肢的應用中[15]，引起P300電位至少需要兩種刺激,將刺激隨機編成刺激序列。其中需要受試者注意并加以辨認的刺激是靶刺激事件，即Target Stimulus（TS）。TS為小概率事件，將TS映射到機械手的運動，受試者在注意并辨認多種刺激事件中的某一種時會引起P300波，其可以作為機械手的控制信號。如果增加刺激事件，則會實現多自由度機械手的控制。

但總體而言，在神經控制假肢的研究中，國內外對智能控制的假肢應用還不多見, 基本上是基于理論和仿真研究。理論研究大多集中在模糊控制、神經網絡、專家控制、分層多級控制等智能控制方法[16]。下面將介紹腦電控制的一個重要發展——腦機接口的研究。

2.2.2 腦-機接口——腦電信號的重要應用。對嚴重神經或肌肉傷殘患者來說，直接用大腦去控制裝置是不可能的， 但是近年來隨著腦科學、計算機科學、信號處理技術的飛速發展以及殘疾患者的需求意識的不斷提高, 一項被稱為BCI腦-機接口的技術正在逐步使得人類利用腦電信號同計算機或其他裝置進行通訊成為可能。腦-機接口技術是人腦與計算機或其他電子設備之間建立直接的交流和控制通道。通過這種通道, 人就可以直接通過腦來表達想法或操作其它設備, 而不需要通過語言或肢體的動作, 是一種全新的通訊和控制方式。這對肢體殘缺的人來說有著極其重要的意義[17]。對由于偏癱肌萎縮性的患者或者腦癱的人們，BCI(Brain-Computer Interface)技術可以幫助患者恢復控制和交流功能[18]。

腦-機接口中主要使用的是視覺誘發電位（Visual Evoked Potential. VEP）,根據刺激信號頻率的不同，VEP 又可以分為瞬態誘發電位和穩態誘發電位（Steady State VEP.SSVEP）,其中，SSVEP 經過專門的信號處理可以提取出穩健的信號特征，可以作為腦機接口的輸入信號[19]。

腦-機接口系統的組成：腦電信號通過電極從頭皮或顱內獲得, 經信號處理提取反映使用者意圖的信號特征并轉化為控制外部設備的指令。

腦-機接口中，運用腦-機接口原理設計康復輔助機械手控制系統可以為多自由度假肢、外動力矯形器、護理機器人等運動康復輔助器械的使用提供新的技術和思路。該技術如圖2所示。引入新的控制信號輸入量，即由腦電信號提取出和識別出控制指令，送入PLC運動控制單元,最終形成基于腦機接口的機械手閉環控制系統[20]。

圖2 腦-機接口

在腦-機接口的研究中，Byron P. Olson利用大腦皮層閉環控制對輪椅方向的控制進行了實驗，在第一天試驗時,平均成功率為78%，而在連續練習幾天后平均成功率超過了90%[21]。

以上所介紹到的腦-機接口技術都是旨在利用計算機幫助肢體功能殘疾人和外部環境之間建立起一個直接的交流通道, 它在康復工程領域中應用前景是相當廣闊的。但目前的發展還是處于一個比較初級的階段[22]。

3 從EMG-EEG的結合到中風的康復治療

3.1 Biomove3000中風肌肉恢復治療儀

通過對肌電控制、腦電控制的介紹，可以了解到我們可以分別通過腦電和肌電的運用對康復治療起到輔助和恢復的作用。人體作為一個有機的生物體，其各個功能是相互聯系密不可分的，在中風治療和恢復中，引領前沿的是將肌電和腦電結合起來的方法。

肌肉運動是由腦部的電沖動引起的，通過神經細胞傳遞到肌肉。在中風之后，在傷殘肌肉上檢測出極其微小的肌電信號可以引起對同一肌肉的電興奮沖動，從而導致真正的肌肉運動。當人體想要引發肌肉運動時，大腦會傳遞電信號給肌肉，該電信號一到達，肌肉就產生相應響應，這種電信號可以被檢測出來——肌電信號。但大多數的情況是，很多病人沒有自發恢復性，而且伴有嚴重的肌肉萎縮和肌肉癱瘓，這在很大程度上影響病人的正常生活[23]。

一種新型設備能夠幫助腦卒中患者大腦某部分重新學習去激活或者重新學習自發性地控制肌肉。本系統能夠檢測腦中風后持續癱瘓肌肉極其微小的肌電（EMG）信號，并且使用這些微小信號啟動傳導至肌肉的電刺激脈沖，患者從而產生真實的肌肉運動。

但殘余肌電圖信號通常非常微小，不足以控制肌肉。如果由于腦中風的損害而大腦不能產生規則電脈沖，或者電刺激不能傳導至肌肉，身體就不會發生正常的肌肉收縮。這就會導致不可逆轉的損害以及肌肉功能的喪失，導致癱瘓，產生爪型手以及下垂足等。

但在幾乎所有腦中風病例中，仍然有非常少量的電刺激能夠傳導至肌肉。放置在癱瘓肌肉上的貼附電極能夠檢測到少量殘余肌電信號。 Biomove設備能將這些微小信號放大，當達到內部預置觸發水平的時候，嵌入式刺激器將電刺激回傳給相同的肌肉。然后這些肌肉就可以像患者自己大腦信號“指導”一樣作出反應。

3.2 自動肌力訓練儀

在經過Biomove3000恢復治療，肌肉功能逐漸好轉的基礎上，可以采用自動肌力訓練儀。患者的站立、行走功能障礙主要與肌張力障礙、平衡功能障礙和下肢肌力低下有關。患者可以采用自動肌力訓練儀進行治療，從而須提高下肢肌力,降低肌張力[24]。自動肌力訓練儀能智能探測各種痙攣，它通過定性定量性的控制運動訓練的速度和阻力，減少痙攣的發生，提高肌力，增強身體協調性和靈活性，保持身體行動能力，使上下肢變得靈活,加強了上下肢的分離運動能力。德國科學家日前開發出一種新型康復機器人，能幫助中風患者鍛煉下肢，早日恢復行走。這種機器人名為“觸覺行走者”，研究發現，盡管重力作用在人體形體上的身體軸線有很大的影響，但是中樞神經系統依然在運動系統中起到非常重要的作用[25]。

3.3 其他發展探究形式

中頻電治療能明顯促進局部血液和淋巴循環，可使皮膚溫度上升，小動脈和毛細血管擴張，從而鍛煉骨骼肌，軟化瘢痕和松解粘連的作用，在維持正確姿位的前提下，依次在臥位、坐位及站位進行軀干和四肢基本運動和功能性活動，重新學習掌握正確的運動模式[26]。另一種基于ARM/Linux的便攜式腦卒中綜合康復治療儀,該治療儀以生物反饋法為基礎,以肌電觸發的神經肌肉電刺激(EMG-Triggered-NMES)為主要治療手段,以小腦頂核電刺激(FNS)為輔助治療手段,能夠對腦卒中患者運動功能的恢復、腦神經的保護以及卒中后抑郁的治療起到積極的作用,為患者全面康復提供一種新的康復治療設備[27]。肢體限制-誘導運動療法，顧名思義，就是限制活動能力較好的一側肢體，從而強制性地使功能差的一側肢體多活動，以此改善其功能，能夠提高中風患者的肢體功能康復。由于研究所知脊髓的運動神經元控制隨意運動和恢復效果，所以還可以通過技術器械被動運動模仿脊髓運動輸出從而刺激隨意運動[28]。

4 總 結

通過對肌電、腦電以及中風治療的學習，我們認為目前肌電與腦電的研究發展都有了一定的進步，而治療中風、癱瘓等病患時，往往需要二者的結合。雖然中風治療依然是世界難題，但目前其CT搶救方案已取得進步[29]。中風后康復的原則是越早越好，但康復訓練不應過度[30]。它不單是藥物醫療器械的治療， 而是把藥物治療與肢體康復、心理康復、語言訓練、健康教育和生活指導結合起來[31]。康復輔助器械的研究不僅要結合機體特點，更應具有人性化的特點。

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