微電子肌電橋技術對頸脊髓損傷患者橈側腕長伸肌運動功能康復的效果

王沖，杜良杰，王志功，李建軍，李軍，劉宏煒，叢芳，林歆

1.首都醫科大學康復醫學院，北京市 100068；2.中國康復研究中心北京博愛醫院，a.理療科；b.脊柱脊髓神經功能重建科，北京市 100068；3.中國康復科學所，神經損傷與康復北京市重點實驗室，北京腦重大疾病研究院神經損傷與修復研究所，北京市 100068；4.東南大學射頻與光電集成電路研究所，江蘇南京市210000

外傷、疾病等原因會導致脊髓損傷，頸脊髓損傷會導致嚴重的四肢感覺、運動以及二便障礙。上肢功能是頸脊髓損傷患者優先考慮改善的功能[1-3]。手功能可分為粗大和精細兩種，其中腕關節的主動背伸和手指主動屈伸是手功能的基礎。因此，腕背伸功能障礙是影響手功能恢復的主要原因，對于C5脊髓損傷患者來說，腕背伸功能的恢復會帶來手的被動抓握功能，也能為今后手功能重建手術創造良好的條件。目前用于手功能康復的方法大致包括物理運動、矯形器、普通的電刺激、功能性電刺激(functional electrical stimulation,FES)、肌電生物反饋(electromyographic biofeedback,EMGBF)和手術等，其中FES是目前常用的癱瘓肢體康復方法之一，其優勢在于使用電刺激的方法使得癱瘓肢體肌肉得到一定強度的康復訓練，但傳統的FES 信號來源單一，病患參與性較弱，目的性不強，得不到積極意義的反饋，往往僅能起到防止肌肉萎縮的作用。

本研究所涉及的“微電子肌電橋”(microelectronic electromyography bridge,EMGB)技術引入健康肢體控制癱瘓肢體的訓練機制，其信號來源于正常肢體，產生的信號與人體的肌肉收縮脈沖信號和諧度更高，且可以根據患側肌肉疲勞的程度隨時調整刺激的強度及刺激持續的時間。本研究觀察該技術對患者癱瘓的橈側腕長伸肌進行康復訓練的療效。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取2016 年3 月至2017 年3 月在北京博愛醫院脊柱脊髓神經功能重建科住院的男性C5完全性脊髓損患者，診斷依據脊髓損傷神經學分類國際標準(2011版)[4]。

納入標準：①男性；②臨床診斷確診的C5完全性脊髓損；③病程≤6個月；④簽署知情同意書。

排除標準：①帶有心臟起搏器等植入式電子裝置；②并發其他脊柱疾病，如脊髓腫瘤、強直性脊柱炎等；③手及腕關節被動活動明顯受限；④并發上肢骨折、骨化性肌炎、周圍神經損傷等損害；⑤認知功能障礙(簡易精神狀態檢查評分≤24 分)；⑥嚴重抑郁(漢密爾頓抑郁量表評分≥24 分)；⑦改良Ashworth 肌張力評分患側上肢肌張力≥2 級；⑧并發嚴重心、腦、肝、腎和造血系統等嚴重原發性疾病，全身情況較差；⑨肌肉明顯萎縮，對FES無反應。

剔除與脫落標準：①提前出院；②病情加重，不能繼續配合訓練；③不愿意繼續參與訓練。

共納入20例，隨機數字分組方法分為對照組和試驗組。兩組一般資料比較均無顯著性差異(P＞0.05)。見表1。

表1 兩組一般資料比較

本研究取得北京博愛醫院藥物臨床試驗機構倫理委員會批準(No.2015-4-48-1)。

1.2 方法

兩組均給予常規康復訓練，試驗組在常規康復訓練的基礎上增加EMGB康復訓練。

1.2.1常規康復訓練

①作業治療訓練：上肢及手部關節活動度的維持，生活自理能力訓練等。②肌力增強訓練：徒手抗阻活動，雙側本體感覺神經肌肉促進，易化、使用沙袋、啞鈴的漸進性抗阻訓練。③臥床訓練：以手部活動為主，充分訓練屈肘等未癱瘓上肢及背部肌的肌力，進而練習翻身、坐起等能力。④坐位訓練：練習長腿坐位及短腿坐位平衡。

每次訓練30 min，每天1次，每周5 d。

1.2.2EMGB康復訓練

應用SQMN-1.0 雙通道癱瘓肢體運動功能重建儀(南京神橋醫療器械有限公司)進行康復訓練。該產品采用微處理器控制技術和肌電生物反饋電刺激技術，根據健康肢體運動時所產生的肌電信號，經過微處理器計算后啟動相應的動作模式程序，通過功能性神經電刺激作用于患側肢體，產生有效的刺激電流作用于癱瘓肢體并激發其運動，實現健康肢體控制癱瘓肢體運動練習。動作電位脈沖頻率1～50 Hz。

在安靜的環境中，將與上述儀器相連的探測電極貼附在健康研究者的橈側腕長伸肌肌腹收縮明顯處進行肌電信號采集，輸出電極貼附在試驗組患者雙側橈側伸腕肌刺激敏感部位；由患者主動發出抬腕指令，由研究者最大程度抬腕，輸出電極刺激患者雙側橈側腕長伸肌，使患者在直視下同步進行最大程度抬腕；每次在最大抬腕位堅持10 s，停止刺激，間歇10 s 后再次給予刺激；20 s 為1 個循環；每次治療20 min，每周5次，持續180 d。

1.3 評定方法

1.3.1表面肌電圖(surface electromyography,sEMG)

采用sEMG 肌電指標中的均方根值(root mean square,RMS)定量反映治療前后運動功能的改善，取等長收縮最大RMS 和平均RMS，其值越高，提示肌肉活動時運動單位激活的數量、參與活動的運動單位的類型越多，同步化程度越高，肌肉的運動功能越好[5-7]。

1.3.2徒手肌力檢查(Manual Muscle Test,MMT)

MMT 采用Lovett 分級法，包括0～5 級，級別越高，分值越高，肌力越強[8]。

1.3.3Wolf 運動功能評定量表(Wolf Motor Function Test,WMFT)

WMFT 由15 個項目組成，1～6 為簡單的關節運動，7～15為復合功能動作。對所有動作當場進行計時和動作質量打分(0～5分)，分值越高功能越好[9-11]。

1.3.4脊髓損傷獨立性量表(Spinal Cord Lesion Independence Measure,SCIM)

SCIM 評定包括自我照顧、呼吸和括約肌管理、移動能力3 個方面，共17 項。分值不統一，從0～1 分至0～15 分不等。最低分為0 分，總分為100 分。分值越高，患者日常生活自理能力越好[12-16]。

在治療前和治療180 d 后，分別采用以上方法評定患者上肢功能。

1.4 統計學分析

采用SPSS 20.0 統計軟件進行數據處理。所有試驗數據經單樣本Kolmogorov-Smirnov檢驗結果符合正態分布，以()表示。組內采用配對樣本t檢驗，組間采用獨立樣本t檢驗。顯著性水平α=0.05。

2 結果

2.1 sEMG

治療前，兩組RMS 值均無顯著性差異(P＞0.05)。治療后，兩組RMS 峰值和平均值均提高(P＜0.05)；試驗組左側RMS 峰值和平均值優于對照組(P＜0.05)，試驗組右側RMS 峰值優于對照組(P＜0.05)，而平均值與對照組比較無顯著性差異(P＞0.05)。見表2。

表2 兩組治療前、后橈側腕長伸肌sEMG的RMS比較(μV)

2.2 MMT評分

治療前，兩組MMT評分無顯著性差異(P＞0.05)。治療后，兩組MMT 評分均提高(P＜0.05)，且試驗組優于對照組(P＜0.05)。見表3。

表3 兩組治療前后橈側腕長伸肌MMT評分比較

2.3 WMFT評分

治療前，兩組WMFT 評分無顯著性差異(P＞0.05)。治療后，兩組WMFT 評分均明顯提高(P＜0.01)；兩組間比較無顯著性差異(P＞0.05)。見表4。

表4 兩組治療前后WMFT評分比較

2.4 SCIM評分

治療前，兩組SCIM評分無顯著性差異(P＞0.05)。治療后，兩組SCIM評分均顯著提高(P＜0.001)；兩組間比較無顯著性差異(P＞0.05)。見表5。

表5 兩組治療前后SCIM評分比較

3 討論

與既往對于患者自身sEMG 信號的研究不同，本研究是基于健康人肌電信號刺激訓練技術的研究。本研究顯示，EMGB 具有一定的康復作用；但兩組右手橈側腕長伸肌sEMG 均值、SCIM 評分和WMFT 評分無差異，考慮其可能原因為：①試驗組右手肌電RMS較對照組有所增高，但統計結果顯示其P值為0.054，略高于0.05，可能與樣本量較小、試驗時間較短有關，有待今后進一步研究；②患者SCIM 評分和WMFT評分與很多因素有關，如屈肘力量的加強、床上翻身動作的練習、個人自我認知、主動參與積極性的改善等，而伸腕肌肌力的恢復只能在一定程度上改善患者部分腕部功能，而提高日常生活自理能力的其他功能仍需要相應的康復訓練才能得到明顯提高。

本研究還顯示，常規康復訓練和EMGB 訓練均對頸脊髓損傷患者的橈側腕長伸肌有增強作用，增加EMGB康復訓練可以獲得更好的康復療效。

王志功等[17-19]首次提出微電子神經橋(microelectronics neural bridge,MENB)的概念[17]，其原理為：在受損神經纖維的近端采集其微弱神經信號，再經前置放大器放大后，傳輸至濾波器等神經信號處理器；再利用所提取的神經信號控制FES 信號發生器；最后，在刺激電極上施加FES 信號，從而將信號傳遞給受損的遠端神經，并產生肢體的運動。在此基礎上，其團隊進一步提出EMGB的概念，其實質就是采集與癱瘓肢體相同部位的健康人的sEMG，應用射頻傳輸通信技術原理，經過加工處理后輸出以刺激癱瘓肢體的肌肉，實現癱瘓肢體與健康人肢體的同步運動[18-19]。在上述過程中，患者可看到肢體運動，可聽到自己或陪練者發出的運動指令，并可以隨著訓練進行最大程度的自主肌肉收縮運動[20]。其工作頻率為1～50 Hz，既屬于低頻電刺激范疇又與低頻電刺激有著很大差異。

低頻電刺激作為一種物理因子治療，其機制可能是電流刺激癱瘓肢體肌肉引起反復的被動運動，通過這種訓練，可增加肌肉的血液循環及營養代謝，促進神經興奮性及傳導功能恢復，加快運動功能的恢復[21]。持續的電刺激可以實現神經系統的結構重塑；同時也可以使處于休眠狀態的突觸被代償使用；還能通過將脊髓自發可塑性和訓練任務依賴性可塑性策略相結合[22-25]，達到改善肢體運動功能的目的。在既往的臨床康復中低頻電刺激對于偏癱患者的中樞結構和功能重塑發揮了重要作用[26]。

FES 已在臨床廣泛應用。第一代FES 只產生最簡單的波形，如雙相脈沖，完全人工的脈沖參數由醫生設定，患者完全被動，沒有任何主動參與。第二代FES 根據預定義的閾值，應用檢測到的患者自己的肢體sEMG 信號控制開關對肢體進行刺激。第三代FES應用sEMG 既控制開關狀態，又控制肌電信號的振幅，由脈沖發生器產生FES 脈沖對肢體進行刺激；然而其sEMG信號和FES脈沖信號之間沒有時序關系。

總之，傳統的低頻電刺激和FES 刺激信號與正常的肌肉收縮工作模式存在很大差異。本研究所采用的EMGB 不同于以往的低頻電刺激和FES，因為其信號來源并非人工設置，而是從健康人肢體相同部位肌肉的肌電信號“復制”而來，通過射頻傳輸通信技術處理，再通過輸出電極作用于癱瘓肢體，誘發出與健康肢體相同的肌肉運動；該技術可以模擬正常的自主收縮運動模式，其刺激信號與正常肌肉的電信號特征相符，與人體的肌肉收縮脈沖信號和諧度更高，且可以根據患側肌肉疲勞的程度隨時調整刺激強度及持續時間，以達到改善或者恢復被刺激肌肉或肌群功能的目的。既往研究證明[27]，該技術對偏癱患者腕、手運動功能的康復療效優于普通的FES，且不增加局部肌肉痙攣。王志功團隊[28]利用該技術提出一種可穿戴電刺激裝置，實現偏癱患者手部運動功能的實時控制，建立高精度的腕、手運動控制。本研究首次將該技術應用到脊髓損傷患者，證明其對于脊髓損傷患者伸腕功能的康復也有較為理想的作用。

神經功能存在一定的恢復潛力。脊髓損傷后，脊髓灰質周圍長傳導束可以不全損傷，骨折脫位節段的神經根可以不全損傷并能夠不同程度地恢復；因此，對于C5完全性脊髓損傷患者來說，仍具有C6神經根功能恢復的潛力；而C6神經根的功能恢復的結果就是伸腕功能的恢復。大量臨床實踐證明，很多完全性脊髓損傷的患者都具備運動平面下降的可能[29-30]；而對頸脊髓損傷患者來說，即使運動平面下降一個節段，對手功能恢復也常常具有很大的意義[31-32]。脊髓損傷后，脊髓具有自發可塑性(損傷誘導的可塑性)和訓練任務依賴性可塑性兩種類型的可塑性[33]；這些神經恢復的潛力是患者伸腕功能恢復的基礎[34-35]。

運動再學習是上世紀80年代初由Carr等[36]提出的一種運動療法，它把中樞神經系統損傷后運動功能的恢復訓練視為一種再學習或再訓練過程，強調患者的主動參與性。本研究應用EMGB技術進行癱瘓肢體的運動功能訓練。在康復訓練中由患者發出抬腕指令，健康研究者做出抬腕動作，其肌電信號經過儀器采集、加工、輸出后作用于患者的橈側腕長伸肌，患者同時努力做出主動抬腕動作，二人幾乎同時完成抬腕；該過程中患者可以實現主動參與運動再學習。在此康復訓練過程中，也可以結合作業療法進行患肢的運動再學習，如讓患者抬腕的同時完成抓握水杯的任務。研究表明[37]，主動訓練及其不斷強化訓練有益于神經重塑和運動功能的恢復；如能夠結合作業療法，增加患肢在日常生活中的使用，進行目標導向性及任務特異性的訓練，則能促進中樞神經的重塑，并獲得更好的運動再學習的效果[38-40]。

目前康復訓練中常用的生物反饋技術包括視覺反饋和聽覺反饋等多種形式；其中視覺反饋訓練因其直觀和有效等優點而備受關注[41]。鏡像神經元(mirror neurons)是一類特殊的神經元，可在人類執行某種動作時或當觀察到其他同類執行某種動作(如言語刺激)時被激活。分布于不同腦區的所有鏡像神經元構成了鏡像神經元系統。視覺反饋訓練可通過鏡像神經元系統的激活，促使大腦發生可塑性改變和功能重組，進而促進運動功能恢復，因此可稱其為基于鏡像神經元理論的康復療法[42-43]。視覺反饋激活鏡像神經元是目前研究的熱點。Dohle 等[44]證實基于鏡像神經元的視覺反饋訓練有助于提高腦卒中患者的日常生活能力及上肢功能。國內朱美紅等[45]的研究也證明了視覺反饋訓練有助于促進腦卒中偏癱患者上肢的運動功能恢復。在目標運動時，鏡像反饋能夠增強同側皮質脊髓束的興奮性[46-48]。本研究由患者發出共同抬腕指令，在特殊儀器幫助下，實現了健康研究者與患者的同步全關節范圍的伸腕活動；整個過程可視可聽，為患者構建了一個豐富的視覺反饋和聽覺反饋環境；如此反復訓練就能夠激活鏡像神經元系統，從而促進患者運動功能的恢復。

綜上所述，EMGB 技術能夠提高C5完全性脊髓損患者橈側腕長伸肌的運動功能；具有刺激信號同源、刺激信號模式與健康肌肉工作模式一致的優勢；能夠充分調動患者的主動參與性；且在康復訓練中能夠調動視覺反饋和聽覺反饋；激發鏡像神經元康復活力；對于脊髓損傷后的肢體功能具有較好的康復作用，也為今后臨床康復提供了一個較好的發展方向。

本研究屬于臨床研究，受到較多因素的干擾。①患者本身受傷程度、手術方式、既往健康狀況以及訓練積極性的差異均會在一定程度上影響研究結果；②患者住院期間并發癥的產生亦會影響患者的整體狀況以及康復訓練的進程。③因肌肉疲勞間歇時間的調整亦會給試驗結果帶來一定的差異性。④可能存在其他影響試驗結果的未知因素，如人文因素、社會因素和經濟因素等。

本實驗屬于小樣本研究，亦受研究時間、地點的限制，下一步希望進行大樣本、多中心的研究，亦可進行腦部或脊髓功能磁共振，進一步深入探索中樞的可塑性。

利益沖突聲明：所有作者聲明不存在利益沖突。