基于表面肌電技術對卒中患者上肢運動時軀干肌用力疲勞程度的研究

張瀟雅，鄭海清，陳曦，馬可，張璇，陳彥，于松

疲勞是卒中患者常見的癥狀之一。卒中后疲勞是指卒中患者在體力或腦力活動進行過程中，出現(xiàn)的一種早期乏力倦怠、缺乏能量、厭惡繼續(xù)努力的感覺[1]。患者出現(xiàn)疲勞癥狀后會明顯減緩其康復進程還會影響患者的生活質量[2]。

近年來，已有很多學者提出卒中后疲勞發(fā)生的相關因素，包括去適應作用、肢體癱瘓、習得性廢用、睡眠障礙、抑郁狀態(tài)、藥物不良反應及認知狀態(tài)等[3]，但針對患者卒中后用力疲勞的研究仍較少。本研究擬通過采用表面肌電圖技術對卒中后軀干肌群的疲勞程度進行評估，并探討表面肌電技術用于評估卒中患者疲勞情況的可行性。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象 前瞻性連續(xù)納入2019年4-9月于中山大學附屬第三醫(yī)院康復醫(yī)學科住院的卒中患者作為卒中組，并招募年齡、性別匹配的健康志愿者作為對照組參與本研究，健康志愿者不存在雙上肢與軀干運動障礙，也無可能導致雙上肢運動障礙的相關疾病史。卒中組納入標準：①年齡20～80歲；②符合中華醫(yī)學會腦血管病學術會議制定的卒中診斷標準[4]，并經(jīng)CT或MRI證實；③上肢Brunnstrom分期＞Ⅱ期；④坐位平衡≥Ⅱ級；⑤MMSE評分≥24分；⑥卒中病情基本情況穩(wěn)定。排除標準：①心血管系統(tǒng)、骨骼肌肉系統(tǒng)疾病導致的上肢運動功能障礙；②患者有明顯焦慮、抑郁情緒；③有心臟起搏器；④患側上肢兩個及兩個以上部位肌張力＞2級（改良Ashworth痙攣量表）。

1.2 研究流程 本研究使用木插板分別讓卒中患者的健側上肢和患側上肢、健康志愿者利手側（健康人利手側和非利手側肌肉在疲勞性任務過程中所產生的疲勞性變化和力量變化差異沒有統(tǒng)計學意義[5]，故本研究健康志愿者只測量利手側的數(shù)據(jù)）上肢進行反復前后向置物-返回運動。受試者在運動前后根據(jù)改良版Borg自覺用力程度量表對其自身疲勞程度進行評價，對比每組受試者運動前后的量表評分結果。利用表面肌電圖采集前后向置物-返回運動時軀干肌（運動側斜方肌、雙側腹直肌、雙側腹外斜肌、雙側胸段及腰段豎脊肌）的肌電頻域指標平均功率頻率（mean power frequency，MPF）平均值。分別比較卒中患者健側、患側運動時與健康志愿者肌肉MPF的差異。

本研究采用盲法設置，試驗目的是引起受試者肌肉疲勞，受試者對此不知情，即受試者不會因知曉任務目的而引起肌肉緊張，從而影響試驗結果。研究者中，治療師不參與任何數(shù)據(jù)分析，而數(shù)據(jù)分析工程師也對數(shù)據(jù)進行盲法分析。

1.3 前后向置物-返回運動流程

1.3.1 運動測試準備 運動測試過程中配備1名有5年以上工作經(jīng)驗的治療師負責向患者解釋運動過程并指導患者完成運動測試。受試者獨立坐在有靠背的椅子上，雙腳著地，雙側大腿完全放置在椅面上；在可調高度的桌子上放置6×6的木插板，確保木插板在受試者手肘高度；木插板放置在桌子邊，與受試者相距20 cm的位置，木插板的中點在受試者的中軸線上。

1.3.2 運動過程 每位受試者安靜休息1 h后開始進行試驗，每位受試者需要做前后向置物-放回運動15次，分3組完成，每組連續(xù)做5次，組間間隔30 s。試驗開始前，治療師向受試者講解動作流程，受試者手握小木棒（對抓握能力差的受試者，使用繃帶將小木棒固定于手掌內，如圖1所示），將木棒從起始位置（圖2A）凹槽取出，放置在指定終末位置（圖2B），再原路返回，記為完成一次動作。若受試者無法平穩(wěn)準確地將木棒一次性插入凹槽內，治療師和數(shù)據(jù)觀察員不會對受試者提供任何言語或肢體上的輔助，直至受試者最后將小木棒成功放進凹槽內。過程開始時，必須在數(shù)據(jù)觀察員確認數(shù)據(jù)可用，并發(fā)出“開始”口令后再開始做出動作，每個來回完成后，馬上開始下一個來回，中間間隔不得超過1 s，直至5個來回結束。健康志愿者使用利手側上肢進行一次試驗，卒中患者試驗分兩天進行，第一天進行患側上肢運動試驗，第二天進行健側上肢運動試驗。

圖1 使用紗布將木棒固定于手掌內的方法

圖2 受試者運動過程

1.4 表面肌電圖測量方法 本研究設置1名工程師負責表面肌電圖采集系統(tǒng)的操作和軟件數(shù)據(jù)有效性觀察。采用美國Noraxon公司的Ultium-EMG傳感器系統(tǒng)對受試者軀干肌群表面肌電數(shù)據(jù)進行采集。

1.4.1 電極片貼附位置與方法 本研究按照表面肌電圖采集推薦標準[6]，共采集軀干9塊肌肉的肌電信號，分別是：運動側斜方肌、雙側胸段豎脊肌、雙側腰段豎脊肌、雙側腹外斜肌、雙側腹直肌。電極表面材料為氯化銀，采樣電極與感應電極間距為2 cm，電極方向與肌肉纖維平行。采樣電極放置位置如下：①左側和右側胸部豎脊肌的表面電極放置在第10胸椎棘突左右旁開3 cm；②左側和右側腰部豎脊肌的表面電極放置在第3腰椎棘突左右旁開3 cm；③左側和右側腹直肌的表面電極放置在肚臍左右旁開2 cm；④左側和右側腹外斜肌的表面電極放置在肚臍左右旁開15 cm；⑤斜方肌的表面電極放置在斜方肌降部肌腹（圖3）。使用酒精擦拭電極貼附處的皮膚以降低皮膚阻抗。

1.4.2 表面肌電圖平均功率頻率值測定和數(shù)據(jù)處理 受試者進行15次上肢前后向木插板運動過程中，測量其肌肉的MPF。每塊肌肉的MPF取15次運動的平均值。采用16通道的Ultium-EMG感應器系統(tǒng)對患者的上肢和軀干肌肉電信號原始數(shù)據(jù)進行采集，分辨率24 bit，采樣頻率為2000 Hz，振幅范圍100～5000 μV，頻帶10～500 Hz，共模抑制比＜-100 dB，使用matlab軟件處理器3處理數(shù)據(jù)。

1.5 統(tǒng)計學方法 采用SPSS 21.0版統(tǒng)計軟件進行數(shù)據(jù)分析，非正態(tài)分布的計量資料采用中位數(shù)（四分位數(shù)）表示，組內比較采用Wilcoxon檢驗，組間比較采用Mann-Whitney-U檢驗。兩組間年齡采用獨立樣本t檢驗進行組間統(tǒng)計；兩組間性別采用χ2檢驗。P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結果

2.1 基本情況 最終納入受試者34例，其中卒中組17例，平均年齡55.1±12.9歲，男性13例（76.5%）；對照組17例，平均年齡54.4±11.2歲，男性12例（70.6%）。二組間年齡（t=0.170，P=0.866）、性別（χ2=0.311，P=0.577）等基線資料對比差異無統(tǒng)計學意義。

2.2 前后向置物-返回運動前后Borg自覺用力程度量表評分比較 對照組健康志愿者運動前后改良版Borg自覺用力程度量表評分差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05)，卒中組患側和健側上肢運動后改良版Borg自覺用力程度量表評分均較運動前升高，差異有統(tǒng)計學意義（表1）。

2.3 上肢進行前后向置物-返回動作過程中軀干肌表面肌電分析 卒中組在使用患側上肢進行前后向置物-返回動作中，與對照組相應肌肉MPF相比，健側腹直肌、患側腹直肌、健側腹外斜肌、患側胸段豎脊肌的MPF均較低，差異具有統(tǒng)計學意義（均P＜0.05），而患側斜方肌、患側腹外斜肌、健側胸段豎脊肌、健側腰段豎脊肌和患側腰段豎脊肌MPF與對照組相比，差異無統(tǒng)計學意義（均P＞0.05)（表2）。

卒中組在使用健側上肢進行前后向置物-返回動作中，與對照組相應肌肉MPF相比，健側腹直肌、患側腹直肌、健側腹外斜肌、患側胸段豎脊肌的MPF均較低，差異具有統(tǒng)計學意義（均P＜0.05），而健側斜方肌、患側腹外斜肌、健側胸段豎脊肌、健側腰段豎脊肌和患側腰段豎脊肌MPF與對照組相比，差異無統(tǒng)計學意義（均P＞0.05)（表3）。

3 討論

本次試驗結果顯示卒中患者進行前后向置物-返回運動前后自覺疲勞程度有明顯變化：與對照組相比，卒中患者上肢運動時，無論健側還是患側，均存在軀干雙側腹直肌、健側腹外斜肌和患側胸段豎脊肌肌肉疲勞情況。

圖3 軀干肌表面電極片放置位置

表1 Borg自覺用力程度量表評分比較結果（單位：分）

表2 卒中組患側上肢進行前后向置物-返回動作過程中平均功率頻率與對照組比較結果（單位：Hz）

表3 卒中組健側上肢進行前后向置物-返回動作過程中平均功率頻率與對照組比較結果（單位：Hz）

既往人體運動學[7]、軀干動力學和軀干運動肌電模型的研究表明，雙側腹直肌負責軀干腰段前屈動作，一側腹外斜肌負責向對側旋轉動作，胸段及腰段豎脊肌分別負責胸段及腰段伸直動作[8-9]。有研究使用運動學方法對卒中患者患側上肢取杯飲水動作進行分析，發(fā)現(xiàn)患者軀干出現(xiàn)過度前屈和軸向旋轉[10]，而本文中雙側腹直肌和健側腹外斜肌疲勞的研究結果也印證了該文獻的研究結果，其可能的原因是受試患者上肢仍未能完全發(fā)展出分離運動。健康人在向前置物時，使用肩前屈-肘伸直的運動策略向前運送物體，而向后原路返回時，使用肩后伸-肘屈曲動作向后運送物體，然而，卒中患者存在上肢屈曲共同運動模式，無法或只能部分完成肩前屈-肘部伸直、肩關節(jié)后伸-肘關節(jié)屈曲的分離動作，導致軀干多次使用前屈、向患側旋轉動作進行代償，多次的代償動作導致軀干相應肌肉疲勞程度增加。這提示在今后的臨床實踐中，為避免加重卒中患者用力疲勞度，應使用正確的上肢運動訓練減少軀干代償。

本研究結果還顯示卒中患者健側上肢運動時，也存在部分軀干肌疲勞狀況，這可能與人體軀干肌神經(jīng)支配相關。一方面，人體的一側軀干肌受到來自端腦的雙側皮質脊髓束支配，即當患者健側上肢運動時，其軀干肌肉也受到患側病灶影響而出現(xiàn)運動障礙；另一方面，有研究表明，患者卒中后用力疲勞癥狀的發(fā)生與基底節(jié)和內囊梗死[25]或后循環(huán)損傷（腦干或丘腦損傷）有關[11]，而皮質脊髓束則正是經(jīng)內囊后肢、大腦腳底中間部、橋底傳導至延髓錐體，和上述文獻描述位置高度重合，且本次受試的卒中患者均存在皮質脊髓束傳導通路受損情況，由此可推測本試驗之所以出現(xiàn)軀干肌肉疲勞的結果可能是因為患者患側皮質脊髓束受損也增加了患者雙側軀干肌出現(xiàn)用力疲勞的風險。此外，F(xiàn)odor等[12]研究顯示，小鼠在衰老過程中，肌肉量減少和體力活動的減少會導致肌肉力量的部分喪失和疲勞性的增加，Derksen等[13]研究也表明，肌肉流失對研究對象疲勞程度有明顯的影響，而卒中患者普遍存在的肌肉骨骼流失現(xiàn)象[14]。本研究中，卒中患者無論健側還是患側運動時，均出現(xiàn)部分軀干肌用力疲勞癥狀，其原因之一可能是卒中患者普遍存在的肌肉骨骼流失現(xiàn)象。

對于卒中患者來說，疲勞癥狀定義并不統(tǒng)一，且沒有專門針對卒中后疲勞情況的評估量表[15]。目前，常用于評價卒中患者疲勞癥狀的量表，例如疲勞嚴重程度量表（fatigue severity scale，F(xiàn)SS）等均為對患者癥狀的主觀性評分，缺乏客觀評估手段。肌肉表面肌電信號頻率代表了動作電位的傳導速度，而動作電位的傳導速度則與局部肌肉的疲勞程度直接相關[16]。已有研究者使用表面肌電圖對患有神經(jīng)性疾病的患者疲勞程度進行客觀評價，Marusiak等[17]的研究結果顯示，和正常人相比，帕金森患者在其癥狀發(fā)作階段表面肌電MPF更低。然而，將表面肌電圖技術應用于卒中患者肌肉用力疲勞評價的研究較少，Shahar等[18]在2019年發(fā)表的文章中，使用表面肌電圖技術對卒中患者進行任務特異性活動和機器輔助性活動時上肢肌肉活動與疲勞問題進行研究，結果顯示任務特異性活動中肱三頭肌等肌肉出現(xiàn)肌電頻率左移，代表肌肉出現(xiàn)疲勞，這與本文用于評判肌肉疲勞的標準一致。使用表面肌電圖對卒中患者疲勞程度進行評估不僅可以對患者動態(tài)運動過程中肌電變化進行實時監(jiān)測，且可以定量化評估肌肉的疲勞程度，為患者進一步訓練計劃制訂和再評估提供客觀標準。

良好的軀干控制是四肢運動的基礎。Shin等[19]于2016年發(fā)表的一篇研究站立位下雙上肢運動對軀干的影響研究顯示，雙上肢運動可以改善軀干控制功能。然而Alhwoaimel等[20]的文章指出，仍沒有證據(jù)可證實卒中患者軀干訓練是否影響上肢功能。本文結果顯示，卒中患者軀干肌會隨著雙側上肢運動出現(xiàn)疲勞情況，這為臨床工作中，將耐力訓練納入卒中患者軀干運動訓練提供了理論依據(jù)，也為進一步研究卒中患者軀干運動表現(xiàn)對上肢運動功能影響提供試驗依據(jù)。

本次試驗的不足之處：①納入樣本量較小，應開展大樣本、多中心的隨機對照試驗；②未對入組患者的睡眠和抑郁情緒等可能對患者主觀疲勞感覺和肌肉疲勞狀態(tài)造成影響的因素進行系統(tǒng)評估；③未對入組患者病程加以限定，未來可對處于急性期、亞急性期和慢性期的患者分別進行研究。

綜上所述，使用表面肌電圖技術可客觀有效評價卒中患者用力疲勞，卒中患者雙上肢活動中均存在軀干肌疲勞情況，患者上肢前后向置物-返回動作過程中，雙側腹直肌、健側腹外斜肌和患側胸段豎脊肌更易疲勞。

【點睛】本文使用表面肌電圖技術定量測量卒中患者上肢運動時的軀干肌肉疲勞情況，為臨床訓練方案設計提供理論基礎。