腦卒中患者步態周期各時相中下肢肌肉的表面肌電特點

陳一，施海濤，毛嶺

復旦大學附屬華東醫院康復科，上海市200040

腦卒中患者步行功能障礙的典型行為學表現為偏癱步態[1]。偏癱步態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[2]。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[3]。因此，對腦卒中患者偏癱步態的科學分析就顯得尤為重要。腦卒中后偏癱步態的形成主要與患側下肢肌肉不同程度的肌力下降和肌張力增高有關，故腦卒中后下肢肌肉功能狀態是偏癱步態分析中的主要研究對象[4]。

表面肌電(surface electromyography,sEMG)檢測具有無創性、實時性和多靶點測量等優點，可用于定量和定性分析各種運動狀態下的神經肌肉功能，推測神經肌肉的病變性質[5-6]。國內外多位學者已對sEMG測試神經肌肉功能的信度和效度予以肯定[7-8]。本研究采用sEMG分析腦卒中后偏癱步態相關下肢肌肉的活動狀況。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選擇2018年1月至6月在復旦大學附屬華東醫院康復醫學科住院的腦卒中患者20例(試驗組)，診斷均符合1995年第四屆全國腦血管疾病學術會議制定的診斷標準。

納入標準：①首次腦卒中導致一側肢體功能障礙；②經頭顱CT或MRI檢査證實；③患者病情穩定，意識清楚，能理解并完成動作性指令；④患側下肢Brunnstrom分期在Ⅳ期或以上、改良Ashworth分級在1+級或以下；⑤患側下肢屈伸膝肌力的徒手肌力評定≥3級；⑥Holden步行功能評級在4級或以上，并能夠獨立步行50 m以上；⑦Berg平衡量表評分≥40分。

排除標準：①病情不穩定；②意識不清及言語障礙；③小腦、腦干梗死；④其他引起步行功能障礙的疾病，如帕金森病、脊髓損傷、周圍神經病變、下肢骨折及嚴重的下肢骨關節病等；⑤并發嚴重內科疾病，如呼吸衰竭、心力衰竭和重癥肺炎等。

選擇復旦大學附屬華東醫院的工作人員和住院患者的家屬20例(對照組)。

納入標準：①年齡、性別均與試驗組相匹配；②可獨自行走；③認知和言語表達能力正常。

排除標準：①有腦卒中病史；②有下肢骨關節病病史；③癡呆、言語功能障礙。

兩組在性別、年齡、身高和體質量等方面無顯著性差異(P＞0.05)。見表1。

本研究已經本院倫理委員會批準(No.20170002)，所有受試者均簽署書面知情同意。

1.2 方法

應用TELEMYO 2400T G2型的sEMG遙測儀(美國NORAXON公司)測量40例受試者下肢脛骨前肌(tibialis anterior,TA)、股直肌(rectus femoris,RF)、腓腸肌內側頭(gastrocnemius medial,GM)和股二頭肌(biceps femoris,BF)的sEMG信號。

測試時，囑受試者盡量放松、自然站好，使sEMG信號保持在基線附近(上下波動不超過10μV)；聽從測試人員口令，原地踏步20 s，預試肌電信號，檢查信噪比符合要求；然后受試者在無干擾情況下直線行走6 m左右，重復6次，每次結束后休息20 s再進行下一次；同步采集sEMG信號。整個測試過程均用羅技高清攝像頭進行實時拍攝。

1.3 評估方法

首先借助高清錄像劃分步態周期及其各分相：第一雙支撐相(first double support phase,DS1)、單支撐相(single support phase,SS)、第二雙支撐相(second double support phase,DS2)和擺動相(swing phase,SW)[9]。然后應用專用信號處理軟件MyoResearch對sEMG信號進行處理，提取出步態周期及其各分相中測試肌肉的平均肌電值(average EMG,AEMG)、積分肌電值(integrated EMG,IEMG)、平均功率頻率(mean power frequency,MPF)和中位頻率(median frequency,MF)等，取腦卒中患者患側、健側及健康受試者右側進行比較。

表1 兩組一般資料比較

1.4 統計學分析

采用SPSS 19.0統計軟件包進行統計學分析。計量資料以(xˉ±s)表示。所得數據經正態性檢驗，均服從正態分布；經方差齊性檢驗，方差齊者采用單因素方差分析檢驗，方差不齊者采用秩和檢驗；計數資料采用χ2檢驗。顯著性水平α=0.05。

2 結果

對照組TA、RF、GM和BF的肌電活動隨步態周期呈活動與靜止周期性變化，左右側同名肌肉交替活動(圖1a)。試驗組TA、RF、GM和BF的肌電活動隨步態周期亦呈活動與靜止周期性變化，但左右側同名肌肉交替活動規律不明顯(圖1b)。

在步態周期及其各分相中(除DS2階段外)，試驗組雙下肢和對照組右下肢TA的sEMG值均無顯著性差異(P＞0.05)。見表2。

在DS2階段，試驗組患側TA和BF的IEMG高于對照組右側(P＜0.05)。見表3。

在步態周期及其各分相中(除SW階段外)，試驗組健側RF的IEMG均大于對照組右側(P＜0.05)，患側下肢所檢肌肉的MPF和MF與對照組右側相似。見表4。

在SS階段，三組GM的IEMG差異最明顯：試驗組患側＜試驗組健側＜對照組右側(P＜0.01)；試驗組患側TA的AEMG最大，而健康受試者右下肢的GM肌電均值最大。見表5。

在SW階段，試驗組雙下肢和對照組右下肢所檢肌肉的sEMG值均無顯著性差異(P＞0.05)。見表6。

3 討論

腦卒中后，由于高級中樞病變，失去對低級中樞的調控，容易出現肌張力障礙和肌群間協調紊亂等[10-11]。故腦卒中患者的下肢運動功能障礙主要表現為劃圈前進的痙攣步態，其特征是患側下肢伸肌痙攣，使患髖處于外展、外旋、伸展位，患膝處于伸展或過伸位，患踝內翻或下垂，患趾屈曲、內收，同時患肢因姿勢反射異常以及共同運動抑制了正常的運動模式[10,12]。

腦卒中后，偏癱患者步態周期各分相的動力學發生改變：在DS1階段，患足著地，準備承擔體重，但因患側下肢抗重力肌力較弱，使得該階段延長；小腿三頭肌痙攣造成的足下垂以及脛骨后肌痙攣導致的足內翻使得足前外側緣先著地，造成踝關節不穩定[13-14]；在SS階段，患者為了盡可能縮短患側下肢的支撐時間，會加快對側下肢的擺動速度，但因足下垂，使得踝關節無法從跖屈位變為背伸位，故身體重心不能從足跟移至足前，出現支撐不穩，此時患者常通過膝關節過伸或過屈、骨盆過度后傾以及軀干向健側傾斜等方式來代償[13-14]；在DS2階段，患者因站立不穩、膝關節僵直、髖關節伸展不充分，為向前邁步所做的準備不夠，足離地時小腿三頭肌產生的使人體向前移動的推動力不足，同時也降低了能量的供應[13,15]；在SW階段，膝關節屈曲不足、髖關節外展外旋，使患側下肢向外側沿弧線擺動；踝關節背伸不夠，使足以“拖拽”的形式向前行進；SW末期，患側下肢以膝關節屈曲和踝關節跖屈的姿勢觸地，增加了能量的消耗[13]。

圖1 兩組自然行走的雙下肢肌肉原始sEMG圖形

表2 步態周期及其各分相階段試驗組患側、健側和對照組右側下肢TA-sEMG比較

表3 DS2階段試驗組患側、健側和對照組右側下肢肌肉IEMG比較(μV·s)

表4 步態周期及其各分相階段試驗組患側、健側及對照組右側下肢RF-IEMG比較(μV·s)

已知步行過程中的動力學改變均源于行走相關肌肉活動的變化，而肌肉活動的變化可用sEMG監測。AEMG是指一定時間內瞬時肌電振幅的平均值，是反映sEMG信號幅值變化的特征性指標，可用于評估肌力和肌張力，其值越大，代表肌肉力量和張力越大[16-17]。IEMG是指所得sEMG信號經全波整流后，單位時間內曲線下面積的總和，它可以反映肌電信號隨時間的強弱變化，其大小在一定程度上反映參與肌肉收縮的運動單位的數量多少和每個運動單位的放電大小，主要用于分析肌肉在單位時間內的收縮特性[16,18]。肌肉收縮時，IEMG值與肌力和肌張力之間存在線性正相關關系[19-20]。MPF是反映sEMG信號頻率特征的參數，表示過功率譜曲線重心的頻率，其大小與外周運動單位動作電位的傳導速度、參與活動的運動單位類型以及其同步化程度有關[5,21]。MF是指骨骼肌收縮過程中肌纖維放電頻率的中間值。正常情況下，人體不同部位骨骼肌MF值差異較大，這取決于肌肉組織興奮時主要表現高頻放電的快肌纖維和以低頻電活動為主的慢肌纖維的組成比例[22-24]。

表5 SS階段試驗組患側、健側及對照組右側下肢肌肉的sEMG比較

表6 SW階段試驗組患側、健側及對照組右側下肢肌肉的sEMG比較

在本研究中，我們發現健康人在SS階段，常是腓腸肌的用力程度大于TA，而腦卒中患者患側下肢出現與健康人相反的情況，可能是腦卒中患者為了維持站立平衡，身體前傾所致，或是由于患者腦損傷后大腦對神經肌肉支配異常的結果[25]。

另外，本研究結果顯示，腦卒中患者下肢肌肉的sEMG信號在步態周期中較健康受試者發生明顯的改變。這提示康復治療師在對腦卒中患者進行步態康復訓練時可將步態周期劃分為四個階段并逐個階段進行訓練，尤其應該加強SS階段的鍛煉；同時應注意訓練腦卒中患者的下肢肌力，尤其是提高患者雙下肢腓腸肌的肌力。此外，應采取一切行之有效的方法如強制性使用等，促使患者多使用患側，加強訓練患者重心在健側與患側之間的轉移等可盡快促使患者異常步態的康復。