腦卒中患者腦電、肌電相干性研究

趙晨鈺，畢勝

腦卒中是指突然發生的、由腦血管病變引起的局限性或全腦功能障礙，分為出血性和缺血性腦卒中[1]，具有發病率高、死亡率高、致殘率高、復發率高等四大特點[2]。在我國，每年都會有600多萬新增腦卒中患者[3]，其中大約有2/3能存活下來，但卻有1/2的患者存在不同程度的運動功能障礙[2]，嚴重影響患者的生活及工作，給其家庭造成沉重的負擔。

目前針對腦卒中引起的運動功能障礙，康復評定主要以定性評價和半定量評價為主[4]，且多由醫師憑經驗做出判斷，主觀性強、效率低、靈敏度差[5-6]。因此，有效識別神經肌肉系統的運動特征，構建客觀量化的康復功能評價體系顯得尤為重要。腦電(Electroencephalogram，EEG)信號包含了大腦對軀體運動的控制信息，而表面肌電(Surface Electromyography，sEMG)信號則可以反映出肌肉對大腦控制意圖的功能響應信息，能夠直接反應運動神經系統的功能狀態[5]，通過對EEG和EMG的研究，可以反應腦損傷后異常的肌肉協同模式及大腦皮層功能重組的情況[7-10]，可以更系統地解釋運動控制過程及運動障礙的病理機制[5]，同時也為神經康復的運動功能評價提供了新的方法。近年來關于腦電、肌電的相干性研究已成為運動功能評價研究的趨勢，得到越來越多的重視。本文現將腦卒中患者的相干性研究文獻做一簡單綜述。

1 相干性定義

相干性分析是近年來提出的一種反映信號間同步程度的分析方法[11]，是指兩個信號間的線性關系[7, 11]或相互依賴程度[12]，其大小可以用相干系數值表示。兩個信號a和b在某頻率f的相干系數值為兩者功率譜密度(Power-Spectrum Density，PSD)和互譜密度(Cross-Spectrum Density，CSD)的函數[11]。可通過數-模轉換及相應的頻譜分析得到兩個信號間的相干系數值。相干系數值為一個沒有單位的實數，范圍為0～1[7, 12-13]；0表示兩個信號間的功率和相位為非線性關系，1表示兩個信號間的功率和相位為完全的線性關系[7, 12-14]。相干系數值越大，說明兩個信號活動的同步程度越高，兩者相互依賴、相互聯絡的程度越強[13]。

2 相干性分類

2.1 EEG-EMG相干 EEG-EMG相干指的是大腦活動時的腦電信號和肌肉收縮時的肌電信號節律活動之間的線性耦合[12]，可以用來探索大腦皮層的腦電信號與表面肌電信號間的關聯性，又被稱為皮層肌肉相干性(Corticomuscular Coherence，CMC)。通過對健康人的研究已經證明控制肌肉功能的直接連接都來自于對側大腦運動皮層，而與肌肉同側的運動皮層區域沒有明顯相干性[12]。這一結論與生理學中左右軀體的運動、感覺分別受對側大腦半球支配相一致[12]。Chakarov等[15]研究發現在15～45Hz頻段的CMC值隨動態力量水平的增長呈現線性增長，即CMC值是一個高水平的動態同步過程。但也有研究表明beta頻段(13～30Hz)的CMC值與靜態力量的輸出有關，而gamma頻段(31～45Hz)的相干性與動態力量的輸出有關[16]。而Mendez-Balbuena等[17]則發現在不同低水平力量的頻率不可預測的情況下，CMC值明顯更低，力的頻率的不可預測性會導致皮質脊髓束同步性的減低、皮層和肌肉活化作用的增加及性能減低。通過對健康人的研究，表明EEG-EMG相干性可能與運動的性能(如力量等)有關，也許可以通過相干評價腦卒中患者的運動性能，但不同頻段相干值的意義等仍需進一步研究。

2.2 EEG-EEG相干 EEG-EEG相干是指成對腦電信號在某一頻率范圍內波動形式的一致程度[13]。精確的說，兩個腦電信號間的相干性被定義為兩者間的互功率(即兩個信號間的絕對功率值標準化)[8]。人類大腦的活動分為不同的功能區域，各個功能區并不是相互獨立存在的，而是在時間、空間和頻域上具有一定的聯系，從而形成一個個復雜的神經網絡系統[11]。這種網絡間的聯系依賴于具有相似特征的神經元同時放電而產生的同步震蕩，以實現神經信息的傳導和不同大腦功能區間的協同工作[11, 18]。

EEG-EEG相干性分析可以作為不同大腦皮層區域間功能聯系的指示器[8]，有效提取腦功能區間的網絡聯系和協同工作模式[11]。可用EEG-EEG相干性分析大腦皮層區域間的功能耦合，研究不同腦區間的功能聯系，為患者的進一步康復治療提供依據。

2.3 EMG-EMG相干 EMG-EMG相干性可用于評估兩塊肌肉在頻域中活化的一致程度，即可以量化兩肌肉間的振蕩同步，為控制肌肉的運動神經元間共突觸驅動共享提供客觀的檢測方法[19]。頭皮腦電的記錄存在一定的困難[14]，且容易受到外部多種因素干擾，如眼電信號、視覺反饋等。但是在同樣的任務中，導致EEG-EMG相干性的驅動同樣可以引起共同激活的主動肌群間的肌間相干性。EMG-EMG相干性原理也許可以給出一種關于下行皮質驅動的信息(類似于皮層肌肉耦合信息)，可為皮質下運動的驅動提供一種額外的見解[14]。

3 腦卒中患者相干性研究

3.1 EEG-EMG相干性研究 Hallett等[20]為評估錐體束損傷后，身體對側和同側運動皮層與肌肉間的功能聯系，對皮層下卒中患者進行屈肘、伸腕及手指抓握動作時的EEG-EMG相干性研究，結果與正常人的研究相似，顯著相干性出現在對側感覺運動區，身體同側運動區沒有觀察到明顯的相干性[12]。他們認為只有身體對側運動區聯系失敗時，同側運動區才會發揮作用，所以運動功能恢復較好的患者，同側EEG-EMG相干性不顯著[20]；另一種解釋是身體同側的感覺運動皮層是通過皮層-皮層間的連系或多突觸通路來幫助患側大腦進行運動控制的[21]。此外，他們還發現患者患側手部和前臂的肌肉相干性更小，但肱二頭肌的相干性與健側沒有明顯不同，這可能是由于肩肘的運動功能首先恢復的原因，但機制尚不清楚[20]。由于EEG-EMG相干性研究多集中于功能恢復較好的患者，研究結果多與正常人相似。為此，Yin Fang等[22]對功能恢復較差的卒中患者在做“伸手夠物動作(reaching動作)”時進行EEG-EMG相干性研究；結果表明患者患側的三角肌、肱二頭肌、肱三頭肌的EEG-EMG相干性在beta和gamma頻段都降低，且gamma頻段EEG-EMG相干性降低更顯著甚至是缺失。已有研究表明beta頻段(13～30Hz)皮層肌肉相干性與靜態力輸出有關，gamma頻段(31～45Hz)皮層肌肉相干性多與認知、記憶等大腦皮層信息整合有關[16]。因此，通過對不同頻段的EEG-EMG相干性進行分析，可以對神經運動系統的不同功能狀態進行評價。

Carlowitz-Ghori等[23]也進行了腦卒中急性期和慢性期兩個階段的CMC研究：通過對8～44Hz頻段拇短展肌的研究表明卒中急性期健側CMC幅度比患側大，且比慢性期健側CMC幅度大；與慢性期及健康對照組相比，急性期健患兩側的CMC峰值所在頻率都降低；而慢性期，CMC在幅度和頻率方面都沒有表現出大腦半球間或組間差異。因此，卒中急性期CMC的改變是一種抑制性的臨時減低，在恢復過程中可以逐漸正常化[23]。說明CMC在幅度和頻率方面的變化隨著時間的推移可以反映出運動功能恢復的過程。

馬培培等[5]通過對卒中患者下肢膝關節“屈、伸”運動的研究表明隨著運動功能的逐漸恢復，患者健患兩側EEG-EMG相干性在gamma頻段的差異會逐漸縮小，這為康復過程運動功能的評價提供了依據。由此進一步說明EEG-EMG相干性可以用來描述卒中病人運動功能的康復狀態，且定量化的評價更客觀。

3.2 EEG-EEG相干性研究 Hallett等[18]為研究童年期卒中導致肌張力障礙的起因，對兒童期卒中遺留肌張力障礙的患者和健康對照組進行研究，發現在休息狀態下患者半球間相干性顯著小于正常人，功能越差，肌張力障礙越嚴重，相干性越小。患者休息狀態下大腦半球間的相干性減低反應出大腦半球間聯系的減少，這可能與結構的改變及神經的可塑性有關，對于肌張力障礙的產生有潛在的作用。Mottaz等[24]發現通過神經反饋訓練可增強卒中患者大腦半球運動皮層間的相干性。這種相干性的增加與卒中后運動功能的持續提高有關。此外，Tung等[25]通過EEG-EEG相干性分析評價運動想象腦機接口技術對于上肢卒中康復的療效，治療前后Fugl-Meyer評分的改變與≥0.5的相干指標的數目組成正相關，表明運動功能的恢復與患側半球激活量的增加有關，即可以直接用腦電信號追蹤以腦機接口為基礎的卒中康復治療的性能。以上研究對于評價卒中患者的運動功能具有一定的臨床意義。

3.3 EMG-EMG相干性研究 Kamper等[10]研究慢性輕偏癱卒中患者拇指與手指(除拇指外的其余四指)間耦合(簡稱“手指-拇指”耦合)的變異。動力學研究表明在卒中患者自主活動時，手指和拇指屈肌間強有力的聯合顯而易見：在手指屈曲時，會產生拇指屈曲和內收方向的力；同樣，在拇指屈曲時也會在其余四指產生屈曲方向的力，這些結果表明卒中患者在進行獨立手指屈曲運動時，指淺屈肌和拇長屈肌間的關聯性很強；Kamper等[10]假設腦卒中后出現皮質重組，共同的皮質驅動導致了這種耦合現象，但在手指屈曲和拇指屈曲時，指淺屈肌-拇長屈肌沒有明顯的相干性，反而在拇指伸展中，觀察到了這一對肌肉的相干性，這些結果表明共同的皮層驅動是有限的，實驗觀察到的屈肌耦合也許有其他的來源(皮層下或脊髓)，大腦皮層改變也許間接導致了手指-拇指耦合的增加。因此對于腦卒中導致的手指屈曲及拇指屈曲的機制有待進一步研究，以便更好的指導患者的康復訓練。

Kisiel-Sajewicz等[9]對腦卒中患者在reaching動作中肩肘協同肌肉間電信號的功能耦合進行研究，發現卒中病人僅三角肌-肱三頭肌肌間相干值在0～11Hz頻段低于正常對照組，且這種功能耦合的弱化具有時間和頻率依賴性；此研究中屈肩肌和伸肘肌之間的EMG-EMG相干性降低，表明腦卒中后中樞神經系統運動規劃和運動命令功能的損傷可以弱化協同肌間的功能耦合并使運動性能降低，并且這種一致性的減低主要發生在原動肌(三角肌和肱三頭肌)。而實現精確平穩的運動，適度的中樞神經系統規劃對于制定最佳運動命令和控制是至關重要的[26]。以上研究也許可反映與卒中相關的皮質脊髓網絡交流的中斷，但對于頻率差異產生的機制仍不清楚，仍需進一步研究。

4 小結和展望

相干性分析能夠用來檢測卒中患者肢體的運動功能狀態，對于探索運動障礙性疾病的病理機制、客觀指導卒中患者的康復訓練有重要作用。然而目前卒中患者相干性研究多為小樣本研究，在康復評定方面尚缺乏統一的參考標準。因此，關于腦卒中患者相干性研究還需要進行大規模臨床研究，結合運動學、電生理學等，得出可用于腦卒中偏癱患者臨床評估的定量參考指標，以利于指導康復治療。

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