表面肌電圖在腦卒中患者異常步態分析中的研究進展①

李芳，鄭潔皎

·綜述·

表面肌電圖在腦卒中患者異常步態分析中的研究進展①

李芳，鄭潔皎

腦卒中患者異常步態的形成主要與患側下肢肌肉不同程度的力量下降和張力增高有關，而表面肌電圖（sEMG）能客觀定量反映神經肌肉的功能狀態，對腦卒中患者的異常步態分析具有較高的應用價值。本文主要介紹步行的解剖學基礎及sEMG特征、腦卒中患者的異常步態表現以及基于sEMG的腦卒中后異常步態分析，并重點從sEMG應用于分析異常步態相關肌肉活動的時序模式、激活特點和異常步態模式等方面闡述sEMG在腦卒中患者異常步態分析中的研究進展情況。

腦卒中；異常步態；表面肌電圖；偏癱步態；綜述

［本文著錄格式］李芳，鄭潔皎.表面肌電圖在腦卒中患者異常步態分析中的研究進展［J］.中國康復理論與實踐，2016，22（10）：1159-1162.

CITEDAS：LiF，Zheng JJ.Application of surfaceelectromyography in abnormalgaitanalysis for stroke（review）［J］.Zhongguo Kangfu Lilun Yu Shijian，2016，22（10）：1159-1162.

步態異常是腦卒中患者的主要功能障礙，也是影響患者日常生活活動能力和生活質量的重要因素［1-2］。腦卒中后20%～30%的急性期存活者不能行走［3］；腦卒中后3個月，約1/3～1/2的患者不能恢復獨立行走［4］；腦卒中后6個月，患者步行速度是年齡相匹配健康者步行速度的1/3，步行距離的40%［5-6］。文獻報道，步態異常增加腦卒中患者跌倒的風險、失衡的發生以及社會參與程度的下降［3，7］。恢復腦卒中患者的正常步態已成為目前康復治療的核心功能目標［8-9］。因此，對腦卒中患者異常步態的科學分析就顯得尤為重要。

表面肌電圖（surfaceelectromyography，sEMG）是指神經肌肉系統活動時產生的生物電變化，經表面電極引導、放大、顯示和記錄所獲得的一維電壓時間序列信號。sEMG檢測具有無創性、實時性、多靶點測量等優點，可用于定量和定性分析各種運動狀態（靜態、動態）下的神經肌肉活動情況，近年來已在康復醫學領域得到廣泛應用［10］。有文獻指出，sEMG在康復醫學領域中應用最早最多的是步態分析［11］。本文就國內外sEMG應用于腦卒中后異常步態分析的研究進展情況進行綜述。

1　步行的解剖學基礎及sEMG特征

人的步行是在神經系統的調控下，下肢肌群收縮，以關節為支點牽拉骨，使骨的位置發生改變而產生。下肢肌是步行的能動部分，其活動在很大程度上決定了人的步行能力［12］。

1.1與步行運動相關的主要肌肉

步行是人類非常復雜的功能，由多個關節和肌肉的協調運動所產生［13］。擺動相需要髖關節屈曲、膝關節屈曲、踝關節背屈，而后膝關節伸展來完成；支撐相需要髖關節伸展和膝關節伸展來支撐體重［14］。因此，在大腿肌群中，與步行運動相關的主要肌肉是股直肌（rectus femoris，RF）、股內側肌（vastusmedialis，VM）與股外側肌（vastus lateralis，VL），作用是使膝關節伸展，其中股直肌還可使髖關節屈曲；半腱肌（sem itendinosus，ST）和股二頭肌（biceps femoris，BF）作為股后肌群肌肉，主要負責屈膝伸髖［15-16］。在小腿肌群中，步行相關主要肌肉是脛骨前肌（tibialis anterior，TA），負責背屈踝關節，防止行走時腳掌拍地、腳尖拖曳，同時還起穩定踝關節、協助推動軀干向前的作用；腓腸肌內側頭（gastrocnem iusmedial，GM）與腓腸肌外側頭（gastrocnem ius lateral，GL）既有屈膝作用，又有踝跖屈作用，因其含有等量分布的快、慢肌纖維，故在跖屈中起主要作用，并為人類的行走提供動力；比目魚肌（soleus，SOL）因含有80%的慢肌纖維，主要維持踝關節站立行走時的穩定性，在跖屈中起協同作用［16］。另外，Sung等的研究發現軀干肌群與步行功能之間具有相關性，其作用是提供與行走所需動態平衡相一致的穩定系統［9］。

2　腦卒中患者的異常步態表現

腦卒中患者常因平衡、負重、邁步三要素難以有機地結合而容易形成異常步態［9，21］。腦卒中患者典型的異常步態表現為：患側膝關節因僵硬而于邁步相時屈曲活動范圍減小，患側踝關節跖屈、內翻；為了使患側下肢向前邁步，邁步相時患側肩關節下降，骨盆代償性抬高，髖關節外展、外旋，使患側下肢經外側畫一個半圓弧將患側下肢向前邁出，故又稱為劃圈步態［22］。其特點有步行不對稱性及耗能增加、穩定性下降等，以及患側下肢單支撐相顯著縮短，雙支撐相延長，步寬加大，步長、步幅縮短，步頻、步速降低等［23-24］。其主要影響因素有功能障礙的程度、平衡功能障礙、偏癱異常運動模式、年齡以及腦卒中后抑郁等，其中腦卒中患者功能殘疾程度是影響其獨立步行能力恢復最主要的因素［25］。

3　基于sEMG的腦卒中后異常步態分析

3.1異常步態相關肌肉活動的時序模式

文獻報道，腦卒中患者的下肢肌肉在步態周期中的活動時序發生了巨變［24］。

3.1.1肌肉活動持續時間改變

Otter等選擇24例腦卒中偏癱患者和14名正常對照者作為研究對象，用sEMG比較兩組受試者的股二頭肌、股直肌、脛骨前肌和腓腸肌內側頭在第一雙支撐期（the firstdouble support phase，DS1）、單支撐期（the single support phase，SS）、第二雙支撐期（the second double support phase，DS2）和擺動期（the sw ing phase，SW）這四個階段中活動持續時間的差異。結果顯示，與對照組相比，在大腿，SS階段，腦卒中患者雙側股二頭肌和股直肌的活動持續時間均明顯延長，股二頭肌-股直肌以及股直肌-腓腸肌內側頭協同活動持續時間均明顯延長，股二頭肌-腓腸肌內側頭活動持續時間明顯增加；DS1階段，患腿的股二頭肌-股直肌協同活動持續時間也明顯延長。在小腿，DS1階段，腦卒中患者患側的腓腸肌內側頭活動持續時間延長；患側脛骨前肌在SW階段的活動持續時間延長，但在SS階段的活動持續時間縮短；腦卒中患者雙側比較，脛骨前肌和腓腸肌內側頭的活動持續時間均無明顯統計學差異；腦卒中患者和對照組比較，以及腦卒中患者的患健側比較，脛骨前肌-腓腸肌內側頭協同活動持續時間在上述的四個階段中均無明顯統計學差異［24］。該研究指出腦卒中患者患側脛骨前肌在SS階段活動持續時間較對照組明顯縮短，可能是腦卒中偏癱步行者平衡控制功能受損的反映［26-27］；患側脛骨前肌在SW階段持續時間明顯延長，是為了克服SW階段的踝跖屈障礙，以便患者能夠向前行進［28］。

3.1.2肌肉活動起、止時間異常

Correa等一項隨機對照試驗，入選15例腦卒中患者和15名年齡相匹配的正常對照者，利用sEMG比較兩組受試者在步行過程中的下肢肌肉活動情況。結果發現，相較于正常受試者，腦卒中患者的臀中肌、脛骨前肌、比目魚肌、股直肌和腘繩肌在足跟觸地時過早活動，而停止活動的時間又明顯延遲。表明腦卒中患者膝、踝關節的主動肌和拮抗肌在支撐相時共同收縮過度［29］。Daly等利用sEMG發現，腦卒中偏癱患者相較于正常人，股二頭肌和股內側肌的激活與失活潛伏期明顯延長；在重復性步行運動中，股二頭肌和股內側肌激活潛伏期的一致性明顯受損。他指出這些改變與腦卒中患者的下肢各關節之間協調性運動障礙以及異常步態密切相關［30］。

3.2異常步態相關肌肉的激活特點

從江蘇省醫療衛生資源優化配置實證可知，通過雙層目標優化模型求得的2016年江蘇省現狀年13個地區醫療衛生床位數與注冊醫生數，與現實的數據有差別。配置模型考慮了13個地區的人口、地理、經濟、健康指標等多個公平指標，也考慮了投入與產出的效率指標，求解結果與現實的數據比較，也恰恰說明江蘇省的醫療衛生資源向蘇南、蘇中等經濟發達地區集中，而經濟欠發達地區醫療衛生資源相對欠缺。這也說明江蘇省醫療衛生資源存在配置不平衡現象。兩者之間的數據差，給政府的醫療衛生資源宏觀調控提供了依據[15]。

3.2.1單純性下肢肌肉激活改變

步行過程中，正常人下肢在向前擺動時可以引出從遠端到近端的肌肉激活模式，潛伏期為80～120ms［31］。而腦卒中偏癱患者表現出從遠端到近端的肌肉激活順序模式正常存在，但潛伏期延長［32］。Kirker等的一項研究納入17例可以獨立行走的腦卒中偏癱患者和16名正常對照者，應用sEMG記錄兩組受試者在步行過程中髖外展肌和內收肌的活動情況。結果發現，與對照組相比，在步行起始階段重心開始轉移時，腦卒中患者患側肌肉活動的振幅下降，潛伏期延遲，但患側肌肉激活模式與正常對照組相似［33］。

Sekiguchi等的一項隨機對照試驗，利用sEMG分析不同步態時相中腦卒中患者和健康受試者的肌肉激活差異。結果顯示，在DS1階段，腦卒中患者的雙側腓腸肌內側頭激活度明顯高于健康受試者，比目魚肌激活度患側最明顯；在SS階段，健康受試者的腓腸肌內側頭激活度最劇烈，腦卒中患者的患側比目魚肌激活度低于健康受試者；但在DS1和SS階段，腦卒中患者的患側、健側和健康受試者脛骨前肌的激活度均無明顯差異［34］。

3.2.2受上肢運動影響的下肢肌肉激活改變

Stephenson等利用sEMG研究10例高功能腦卒中患者和10名健康對照者在活動平板上行走時上肢運動對下肢肌肉激活的影響。結果顯示，腦卒中患者的股直肌在支撐相早期和擺動相初期的活動均為無支撐的上肢運動強于有支撐的上肢運動，這種差異在健康受試者中不存在；兩組受試者在無支撐的上肢運動條件下，半腱肌在支撐相早期和擺動相末期的活動最劇烈；健康受試者脛骨前肌的活動在支撐相早期和擺動相初期均不受上肢運動的影響，腦卒中患者患腿脛骨前肌的活動在支撐相早期亦不受上肢運動的影響，但腦卒中患者健腿脛骨前肌在支撐相早期的活動為無上肢運動強于有支撐的上肢運動，腦卒中患者的雙腿脛骨前肌在擺動相初期在無支撐的上肢運動條件下活動最強烈；兩組受試者的比目魚肌在支撐相早期的活動為有支撐的上肢運動強于無上肢運動，而在無支撐的上肢運動條件下活動更劇烈，健康受試者的比目魚肌在支撐相后半期的活動為無上肢運動略強于有支撐的上肢運動，但腦卒中患者不存在這種差異［35］。該研究為上肢和下肢肌肉激活模式偶聯存在提供了證據，并指出上肢運動是通過改變姿勢的穩定性而影響下肢肌肉的激活［35-36］。

3.3異常步態模式

腦卒中患者通常遺留有步態模式障礙，腦卒中患者的步態模式以異常的肌肉共同收縮為特點，并在姿勢穩定性被打破時尤為明顯［37］。Reynard等的一項隨機對照試驗，入選20例伴有足內翻的腦卒中偏癱患者和16名年齡相匹配的正常對照者，利用sEMG記錄脛骨前肌、趾長伸肌（extensor digitorum longus，EDL）、腓腸肌內側頭和比目魚肌在SW階段的肌電活動。結果顯示，相較于正常者，偏癱患者的腓腸肌內側頭和比目魚肌過早活動、脛骨前肌-趾長伸肌之間活動的持續時間和sEMG振幅均不對稱；偏癱患者的脛骨前肌在整個SW階段正常活動、sEMG振幅略微下降［38］。2001年Burridge等的研究［39］也有類似發現。該研究表明，腦卒中偏癱患者在SW階段，足內翻畸形主要與小腿后肌群的過早活動以及脛骨前肌-趾長伸肌之間活動的不均衡性有關。而后者可以用sEMG所示的趾長伸肌活動時間縮短、振幅下降解釋。同時該研究亦指出在SW階段，趾長伸肌的活動對在額狀面穩定足的位置很重要［39］。Chow等的研究利用sEMG發現在雙支撐相階段，伴有肌張力增高的腦卒中患者的患側脛骨前肌-腓腸肌內側頭的共激活程度增加，健側脛骨前肌-腓腸肌內側頭的共同活動持續時間延長。這表明患側脛骨前肌-腓腸肌內側頭共激活度增加雖然限制了踝關節的活動，但有助于在支撐相維持踝關節的穩定，這是一種卒中后產生的適應性改變；健側脛骨前肌-腓腸肌內側頭共同活動持續時間延長有助于維持患踝在SW階段的穩定性［40］。

3.4其他

4　小結

步態分析的方法多種多樣，對腦卒中后異常步態進行全面地分析，才能客觀評估腦卒中患者的病理性步態特點［17］，進而找出異常步態原因并矯正異常步態。sEMG作為一種安全、操作簡便、無創的量化神經肌肉狀態的檢測手段［10］，目前越來越多地應用于臨床患者的步態研究。步態分析時sEMG記錄到某塊肌肉的電活動，說明某塊肌肉參與步行活動；sEMG活動的起止時間表示該肌肉參與步行運動的協同性；sEMG活動的振幅和時程表示肌肉參與步行運動的合理性［11］。因此我們可以利用sEMG提供的客觀數據，找出腦卒中患者的異常步態特征，針對異常步態制定相應的康復治療方案，以便最大限度提高腦卒中患者的步行能力。

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Application of Surface Electrom yography in AbnormalGaitAnalysis for Stroke（review）

LIFɑng，ZHENG Jie-jiɑo
The Rehabilitation Departmentof Huadong HospitalAffiliated to Fudan University，Shanghai200040，China
Correspondence to ZHENG Jie-jiɑo.E-mail：zjjcss@163.com

The abnormal gait after strokewasmainly related to the decreasing strength with increasing tension of paretic lower limb muscles.Surface electromyography（sEMG）can respond to the neuromuscular function，that is valuable for abnormal gait analysis for stroke patients.This papermainly introduced the anatom icalbasiswith sEMG featuresofwalking，the performance of abnormalgaitand abnormal gaitanalysisbased on sEMG.It focused on the advances of sEMG in the analysis of temporal patternsand activating characteristics ofmusclesassociated with abnormalgait，aswellasabnormalgaitpattern.

stroke；abnormalgait；surface electromyography；hem iplegic gait；review

10.3969/j.issn.1006-9771.2016.10.010

R743.3

A

1006-9771（2016）10-1159-04

1.上海市衛生計生委重大推廣項目（No.2013SY002）；2.上海市科委重大項目-2013年度“科技創新行動計劃”（No.13411951101）。

復旦大學附屬華東醫院，上海市200040。作者簡介：李芳（1990-），女，漢族，山東蒼山縣人，碩士研究生，主要研究方向：腦卒中、表面肌電圖。通訊作者：鄭潔皎，女，教授，E-mail：zjjcss@163.com。

1.2正常步態相關肌肉sEMG的變化

正常步態中下肢肌群sEMG信號變化呈現出周期性的活動段以及左右側同名肌肉交替活動的規律［12］。

1.2.1大腿肌群

正常成年人步行時股四頭肌群在足跟著地后有最大肌電活動，主要是吸收振蕩，保持膝關節一定的屈曲，對抗重力和慣性；股直肌和股內側肌在支撐相后期膝關節屈曲時肌電活動明顯，目的是使小腿加速向前［17］。2004年，Nene等通過sEMG確認正常成年人在步行時股直肌與其他股四頭肌的作用不同，僅僅在由支撐相到擺動相的過渡期間，即髖關節后伸時才有活動［18］。股二頭肌在支撐相和擺動相只有輕微的收縮，肌電信號較弱，作用是保持一定的緊張度［17］。

1.2.2脛前后肌群

現在多數觀點認為［17，19-20］，脛骨前肌等脛前肌群在支撐初期肌電活動最活躍，因它要保持足背伸使足跟先著地，故形成第1個較大的活動高峰，對應的sEMG波幅最大；隨后在支撐中末期脛骨前肌等亦有少量的活動，與脛后肌群協同作用使足在內、外方向上穩定，因此相應的sEMG持續有很小波幅的波存在；進入擺動早期，脛骨前肌等活動再次輕度增強，表現為第2個相對較小的活動高峰，以使足趾提離地面；在擺動終末期，脛骨前肌等活動減弱或消失。而對于腓腸肌等脛后肌群，雖在人類行走與站立方面起重要作用，但僅在支撐終末期，有明顯的肌電活動，以便將人體重心推向前上，相對應的sEMG為一個時間較長且波幅很高、較大的梭狀波形；其余階段都未進行活動，相應的sEMG為電靜息狀態。

（2016-02-28

2016-03-24）