快行時腦卒中患者與健康人下肢肌肉活動差異

馬 靜，陳 謙

（1.浙江體育職業技術學院科研處，浙江杭州311231；2.浙江體育科學研究所，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系到他們未來的生活能力和生活質量的好壞，改善患者的步行能力成為康復治療最主要的目標之一［2－3］。因此，對腦卒中偏癱患者異常步態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肌肉運動控制及其功能狀態的康復評價手段，能夠在較大程度上反映患者運動單位募集、運動單位活動的同步化活動和多肌群協調性活動等中樞運動控制因素以及肌肉興奮傳導、局部肌肉收縮力和抗疲勞能力等外周因素的共同作用［4］。不管從基礎研究還是臨床觀察應用s EMG信號通過步態分析的方法來評價腦卒中患者神經肌肉系統功能狀態均具有重大的學術意義和實際應用價值。

肌肉在調節步行速度中的功能表現為控制身體的加速和減速以保證安全地完成整個前進過程，因此，為了滿足快速運動過程中更多的肌肉力輸出的需求，肌肉活動幅值會隨著步速的增加而增加。研究證明，步速與下肢運動功能具有很高的相關性，對不同步速下肌肉活動的測量可以為臨床診斷提供有價值的參考［5］。

本研究目的在于通過計算快速步行時，下肢肌肉在步態周期的第一次雙側支撐期（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）、擺動期（s w i n g p h a s e，SW）這四個時期的平均持續活動時間，探討腦卒中患者與健康對照被試下肢主要肌肉活動模式的差異，并對整個周期內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）、復雜度（c o mp l e x i t y）進行比較研究。

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術會議修訂的診斷標準，有獨立步行能力及一定的理解能力。健康對照被試無神經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，實驗進行前均取得被試同意并簽訂志愿書。

1.2 實驗設計

單因素（被試情況（2）被試內實驗設計。腦卒中患者的步速比正常人要小，所以根據進一步觀察及嘗試，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到控制步速的目的。

1.3 實驗過程

實驗開始前，用白膠布在地面上標記間隔40c m的8條平行白線，讓被試在白線之間運動以控制步長。步頻運用節拍器M a t h e m a t i c a 7.0進行控制，設置為60次/m i n的節拍。

完成電極及步態開關的安置，被試自我感覺穩定可以完成獨立行走后，讓其在規定的白線范圍內進行直線型自由行走。對患者的測量中，一名主試人員根據節拍器以用手打拍子的形式來輔助患者的步頻控制。腦卒中患者在康復訓練臺上行走，左右有保護人員進行保護。由于患者步行能力限制，本實驗只要求被試能較好地完成一次自由行走。

1.4 檢測指標

采用雙極肌電記錄系統（MC 6000，M e g a e l e c t r o n i c s，K u o p i o，F i n l a n d）記錄步行過程中腦卒中患者偏癱側及健康被試對照側脛骨前肌、內側腓腸肌、股直肌、股二頭肌的表面肌電信號，并同時運用步態開關采集左右足的步態周期指標。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、復雜度作為反應肌肉活動的指標。運用m a tl a b進行信號處理以判斷步態周期肌肉活動的起止點，計算每個時期肌肉活動的平均持續時間作為反應肌肉活動時序的指標。

1.5 數據分析

本研究運用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信號的起始點檢測精度，減小起始點判斷的誤差［6］。本研究中運用T K E算子對肌電信號進行處理。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、數據點每10點平均、將閾值范圍內的信號置0、聚類分析。本研究由于部分信號干擾較大，經比較后選取靜止站立時的信號做為背景信號。

選取一個較穩定步態周期內的信號，實驗數據運用上述方法進行肌肉活動起止點判斷，根據肌電儀器步態開關測量到的各步態周期指標，以整個步態周期時長做標準化。對各子周期（D S 2、SW、D S 2、S S）肌肉活動平均持續時間的分析，以子周期時長做標準化。運用M e g a－W i n計算A EMG、MP F、復雜度等指標，對A EMG以常速步行時的平均值做標準化。對標準化后的數據進行t檢驗，比較腦卒中患者及健康對照被試的差異。

2 結 果

2.1 肌肉活動開關圖譜

運用上述方法進行肌肉活動起止點的判斷，得到肌肉活動的開關圖譜如下：

圖1 快速步行時患者與健康被試下肢肌電活動占步態周期百分比

2.2 步態子周期內肌肉電活動持續時間差異

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

②擺動期（SW）內。對被試情況進行t檢驗表明，患者與健康被試相比，脛骨前肌及內側腓腸肌的活動均存在顯著差異，且均表現為患者活動持續時間顯著長于健康被試（p＝ 0.009，p＝0.002）。

③第一次雙側支撐期（D S 1）內。D S 1期內患者內側腓腸肌的活動持續時間顯著長于健康被試（p＝0.003）。

④單側支撐期（S S）內。快速行走時，患者脛骨前肌、內側腓腸肌、股直肌、股二頭肌的活動持續時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。患者快速行走過程中，脛骨前肌、股直肌、股二頭肌活動持續時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百分比

內側腓腸肌占各周期活動百分比

圖2 快速行走時下肢肌肉活動占周期百分比

2.3 肌電指標間的差異

①A EMG。t檢驗表明，腦卒中患者快速行走時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檢驗發現，患者在快速行走時股直肌MP F下降率大于健康被試（p＝0.049）。

3 討 論

腦卒中后偏癱步態異常EMG信號的研究始于上一世紀五十年代。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、股外側肌、內側腓腸肌、脛骨前肌的信號發現，偏癱側EMG活動水平普遍下降，而臀部肌肉的活動模式與正常模式相差無幾，四頭肌和腘繩肌呈高激活狀態，且活動持續時間延長到站立期結束。M a r k s和H i rs c h b e r g［8］發現，偏癱側下肢EMG活動振幅整體下降并伴有異常周期相，而健側肌肉激活程度增加。C o r r ê a F I等［9］對表面肌電信號研究發現，臀中肌、脛骨前肌、比目魚肌、股直肌和內側腘繩肌在腳跟著地時的起始活動時間明顯提前，而比目魚肌、脛骨前肌、股直肌和內側腘繩肌的停止時間明顯延長。也就是說腦卒中患者在支撐相踝關節和膝關節存在明顯的主動肌和拮抗肌活動共收縮現象。研究表明，不同腦卒中患者間肌肉活動的時間模式差異很大。機體會依據其損傷范圍、類型、部位的不同而采取不同的代償方法。

正常步態需要完成以下5個主要任務：站立期早期準備力學能量、為支撐身體做準備、維持身體平衡、擺動期完成足離地、產生前沖步態［10］。正常步態是指當一個健康成人用自我感覺最自然、最舒坦的姿態行走時的步態。具有步長、步寬、步頻合理，姿勢穩定、能量消耗最少的特點［11］。正常人常速行走時，支撐期約占整個步態周期的60％～65％。其中有一個比較特殊的時期，即雙側支撐期，指一側下肢進入支撐期時另一側下肢尚未離地，兩側下肢同時負重的時期，雙側支撐期約占整個步行周期的28.8％，占支撐期的44.8％，是步行區別于跑步的標志性時期。有研究表明，隨著年齡的增長，單側支撐期及雙側支撐期占整個步態周期的比例也會隨之增加，以增加步行過程中的穩定性［12］。

本研究發現，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支撐期、單側支撐期及整個支撐期的活動時間明顯縮短，脛骨前肌、股二頭肌在單側支撐期及支撐期的活動時間明顯縮短，內側腓腸肌在單側支撐期的活動時間也明顯縮短，也就是說患者偏癱側下肢的主要肌肉在單側支撐期及支撐期均存在活動持續時間縮短現象。由于大多數患者的最主要表現為偏癱側單側無力，為了穩定地完成步行動作，患者更多地依靠健側下肢來保持平衡和行走，以上結果說明患者在快速行走時，偏癱側的支撐能力顯著下降，這進一步加大了健側的代償作用。因此，會使健側下肢由于承擔過多的身體重量而導致肌肉勞損及關節、韌帶損傷的發生，所以康復訓練過程中提高患者將身體重量轉移到偏癱側的能力就顯得極為重要。

本研究還發現，腦卒中患者脛骨前肌在擺動期、內側腓腸肌在擺動期及第一次雙側支撐期的活動持續時間均顯著長于健康被試，脛骨前肌的功能為伸踝關節使足內翻，內側腓腸肌的作用為提供推動力，也就是說腦卒中患者步態異常及步速減慢有可能與脛骨前肌與內側腓腸肌功能減弱有關，是否能成為腦卒中患者的特征性表現有待進一步證明。

各肌電檢測指標中，本研究發現，患者在快速步行時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步行動作。患者股直肌平均功率頻率下降率顯著小于健康被試。

4 結 論

4.1 患者股直肌在第二次雙側支撐期、單側支撐期及整個支撐期，脛骨前肌、股二頭肌在單側支撐期及支撐期，內側腓腸肌在單側支撐期的活動時間均表現為顯著短于健康被試。

4.2 患者脛骨前肌在擺動期、內側腓腸肌在擺動期及第一次雙側支撐期的活動持續時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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