表面肌電圖在肌肉功能評估中的應用

曹繼忠，鄒文中，金新，王巧華，占超

（黃石市中醫醫院,湖北 黃石 435000）

0 引言

在醫學領域，神經電生理學取得了許多令人矚目的發展，神經學肌電圖（ Electromyography，EMG）、生物力學慣性傳感器、表面肌電圖（Surface electromyography，sEMG）、心腦血管病學心電圖（Electrocardiogram，ECG）、腦電圖（Electroencephalography，EEG）等在儀器評估方面提供了強大的定量方法。神經工程為醫學臨床、科研提供了大量研究技術和工具。在國際神經康復會議提供的進展和工具的視圖中，多為用于評估平衡、力量、耗氧量，以及肌肉活動的設備。表面肌電圖應用于肌肉活動的客觀測量、計劃治療以及治療前和治療后評估的臨床研究數量很大并且迅速增加。多肌肉 sEMG 記錄可提供有關肌肉募集與去募集能力、疲勞、協同激活、協同收縮的信息，并有助于證明康復計劃的有效性[1-2]。作為“肌肉激活測量工具”，sEMG 在過去40年中在神經康復中發揮了越來越重要的作用[3-4]。

1 表面肌電圖的檢測原理，各常用指標意義

常規臨床針肌電圖檢查為有創檢查，每次測試都會導致幾條肌肉纖維的破壞，需要患者可耐受一定程度的痛感，在檢測過程中疼痛耐受度不高的患者不能很好完成完整檢測部位，影響結果判斷，并可能存在細菌或病毒感染的風險。sEMG為無創性檢測，可有效避免上述影響因素及感染風險。

sEMG信號是通過皮膚表面記錄到的肌肉活動時神經肌肉系統產生的生物電變化信號，其不同信號指標可反映出肌肉的各種功能狀態[5]。sEMG信號目前大致可分為三個分析方向：信號幅度分析、頻譜分析以及傳播分析。

在信號幅度分析中平均肌電值（Average electromyography，AEMG）、積分肌電值（Integrate electromyography，IEMG）以及均方根值（Root mean square，RMS）為主要指標，因AEMG、IEMG、RMS均考慮時間對波幅的影響，所以又把它們歸為時域分析。iEMG反映肌電信號隨時間的強弱變化，反映一定時間內興奮肌肉參與活動的運動單位的放電總和，可一定程度上反映肌肉中參與工作的運動單位的數量和放電量，體現肌肉在單位時間內的收縮強度特性。RMS為一段時間內瞬間肌電圖振幅進行平方后再取其平均平方根值，為運動單位的放電有效值。AEMG則取一段時間內瞬間肌電圖振幅的平均值，是反映sEMG信號振幅變化的特征性指標。RMS與AEMG均主要反映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以及放電頻率的同步化情況[6-7]。旨在證明肌肉纖維的功能性損失。

頻譜分析指標主要指平均功率頻率（Mean frequency，MPF）和中位頻率（Median frequency，MF）。MPF表示功率譜曲線重心的頻率即平均值，其大小與運動單位類型、動作電位的傳導速度以及其同步化程度相關。MF則為肌肉收縮過程中肌纖維放電頻率的中間值。隨著運動肌疲勞的發生和發展，表面肌電信號的頻譜曲線可以發生不同程度的左移現象，并且導致描述頻譜曲線特征MPF和MF信號產生相應的下降，表明MPF和MF與肌肉疲勞狀態密切相關[8]。

傳播分析指標為肌纖維傳導速度（muscle fiber conduction velocity，MFCV），MFCV是通過測量兩測試點的距離以及潛伏期作比值得出單位為mm/s，可一定程度反映該肌肉纖維對生物電信號傳導能力，表現出該肌肉反映有效性與靈敏性。本指標測量外界因素控制需較為嚴格，測量空間室溫控制在28℃左右，患者皮溫28℃-30℃。

2 sEMG在各個領域的應用

總的肌電活動是來自所有活動纖維的單個電活動的空間和時間總和。時閾參數的使用可最大程度使檢測到的信號接近于實際上生成的信號。由于影響SEMG信號的變量數量巨大，若不協調空間和時間，比較個體可能會隨著時間的推移局部產生變化（如脂肪浸潤組織、結締組織的增殖等傳導體積中的改變），跟蹤同一個體則會比較困難。

2.1 信號幅度分析

在上述指標中最常用的參數是iEMG、RMS和AEMG。Onishi H等[6]研究表明RMS、 iEMG與肌力呈正相關，而RMS通常是首選，因為它與sEMG信號的電功率直接相關，因此具有更直接的物理意義。Muro M等[9]在健康受試者、肌源性和神經源性患者中進行了肱二頭肌不同水平的等長和等張收縮期間的肌電信號特征評估。結果表明，神經肌肉疾病的電生理特征可以通過表面肌電MPF、IEMG和IEMG斜率系數分析來揭示，從而可以獲得臨床有用的信息。Milner-Brown HS等[10]計算了20名正常受試者肌肉性能的五個參數：神經肌肉效率（力/募集的iEMG）、等長自主收縮期間施加的最大肌肉力量的MF值、力-時間積分-力-時間圖下的面積（耐力）、疲勞指數（FI，即MF 減少百分比）和恢復時間（Recovery Time，RT）得出參考值，并用于評估負重訓練對神經肌肉疾病患者的影響。

Lindeman E等[11]記錄腓骨肌萎縮癥（Charcot-Marie-Tooth，CMT）亦稱為遺傳性運動感覺神經病（HMSN）患者和健康對照者的近端腿部肌肉表面肌電圖的RMS、疲勞參數的功率譜的耐力（秒）和MF。發現患者的最大自主收縮（Maximum voluntary contraction，MVC）降低；與RMS 值之間的比值增大。表明增加力量測量可能有助于研究疾病的進展和干預措施的效果。Linssen WH等[12]對4名患有以 100% Ⅰ型纖維為主的先天性肌病患者和 26 名健康志愿者進行了等長缺血間歇性肱二頭肌運動試驗（在最大自愿收縮水平的80%時，每分鐘收縮30次）。發現Ⅰ型肌纖維的力量產生能力比Ⅱ型肌纖維低四倍。sEMG 幅度表明，與對照組相比，100% Ⅰ型纖維的患者每單位力需要更多的RMS值。Orizio C等[13]為研究評估sEMG、機械肌動圖（Mechanomyogram，MMG：主動運動單位的肌肉纖維的尺寸變化會產生的個信號） 的均方根RMS及其關系（Electromechanical coupling efficiency，EMCE：機電耦合效率）是否與受強直性營養不良影響的患者的臨床階段有關，選取強直性營養不良較少累及的肘屈肌與較常累及的手指屈肌進行記錄分析。發現在相同的相對力下，強直性營養不良MMGRMS和 EMG-RMS顯著低于健康對照組，肘屈肌的強直性營養不良組和健康對照組的EMCE幾乎相同，但手指屈肌的EMCE顯著降低。表明由于營養不良過程導致的EMCE變化可以通過這種新的非侵入性技術進行監測，且和臨床結果的良好一致性。

2.2 頻譜分析

細胞組織的（正常或病變）發育改變了肌內和肌周組織的電阻和電容，從而產生顯著的信號源與現場之間的信號衰減的變化。這些影響也顯著改變信號的頻譜密度。然而，與在時域中獲得的相對均勻的結果相比，在譜域中的結果差異很大。Srivatsan S等在不同水平的等長收縮力期間記錄腦卒中患者健側及患側MF值，結果表明，三名受試卒中受試者的卒中和對側之間的MF值差異有統計學意義。Zwarts MJ等[14]為了研究短暫性麻痹，分別記錄分析隱性先天性肌強直患者、強直性肌營養不良患者和 健康對照患者的肱二頭肌5次最大自主收縮的力量、MF和MFCV。對照組與強直性肌營養不良組的功率譜的MFCV和MF在所有5次連續收縮中均增加，而先天性肌強直組MFCV的急劇下降，伴隨著MF向較低頻率的轉移。證實短暫性麻痹與先天性肌強直中具有臨床相關性。

Li X等[15]分析腦卒中患者外展食指來進行等長自主收縮時的MPF值，與對側肌肉相比，麻痹肌肉的MPF顯著降低，但對對iEMG功率譜上的力因子的檢查并未證實 MPF與任一手的收縮力之間存在顯著相關性。頻譜差異與Fugl-Meyer 或Chedoke評分或麻痹和對側MVC的比率之間沒有相關性。文獻[9]則提出神經肌肉疾病的電生理特征可以通過表面肌電MPF分析來揭示，從而可以獲得臨床有用的信息。MPF在不同疾病中與肌肉功能的相關性可進一步研究。

2.3 傳播分析

肌肉纖維傳導速度（MFCV） 可用作疲勞或病理過程中可能發生的結構或功能改變的指標。Zwarts MJ.等[16]分別用針肌電圖與sEMG測量誘發肱二頭肌肌纖維動作電位的潛伏期。比較了兩種測量肌纖維傳導速度（MFCV）的技術。發現兩種方法的平均值之間存在明顯的相關性。在MFCV整體降低的肌病中，這兩種方法具有同等價值。在一些長期肌炎的病例中，針肌電圖可檢測到一些非常緩慢的傳導纖維，而sEMG無法檢測到這些纖維的信號特征。但在檢測MFCV的過程中，針肌電圖具有較大變異性，sEMG則相對穩定。G Drost 等使用新型126通道高密度sEMG技術研究了全身性肌強直患者肌纖維膜的電生理特性。患者在隨意收縮的短暫麻痹期間MFCV的下降，說明了膜功能障礙。瞬態麻痹的力量下降期間多通道sEMG顯示從終板到肌腱的運動單位動作電位的峰峰值幅度降低。這種干擾隨時間和地點而增加，表明膜功能惡化，并在幾秒鐘內完全阻斷傳播。從而提出暫時性麻痹是由肌肉膜功能障礙解釋的，最終導致傳導阻滯和麻痹。這一貢獻表明，通過高密度sEMG獲得的肌電信息可一定程度反映肌肉膜功能狀態。Hilfiker P等[17]分析了在正常狀態和進行性肌營養不良癥肌病條件下肱二頭肌等長自主肌肉收縮過程中運動單位動作電位的傳播。發現與17名健康受試者MFCV(4.42+/-0.37m/s)相比，5名肌營養不良癥且肱二頭肌僅中度損傷的患者的平均MFCV降低(2.81+/-0.34m/s)。此外部分代表性研究，如患有杜氏肌營養不良癥[18-20]、強直性營養不良、低鉀性周期性麻痹、麥卡德爾病或先天性肌病。通過sEMG檢測肱二頭肌的平均MFCV。結果顯示上述患者的平均MFCV均降低。

3 討論

與傳統針肌電圖相比，sEMG能檢測更多源肌肉運動單位電信號，更能綜合反映被觀察肌肉或協同肌群的功能狀態。且sEMG在如觀察肌束震顫等需要長時間檢測的疾病方面更具有優勢。sEMG的相應參數指標（幅度分析、頻譜分析、傳播分析）在腓骨肌萎縮癥、先天性肌病、強直性營養不良、低鉀性周期性麻痹、腦卒中等肌源性、神經源性疾病中的評估應用具有臨床指導意義。腦卒中，又稱腦血管意外(cerebrovascular accident CVA)，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。在發病早期由于錐體束突然中斷，使肌肉牽張反射被抑制而致肌力、肌張力低下或消失，臨床將這一時期稱為軟癱期。現代醫學認為腦卒中患者軟癱期的主要原因為肌張力減退和喪失，治療應以易化方法促進肌張力產生和增強，實際上是通過增強外周感覺的輸入，使γ運動神經元興奮，易化脊髓低位中樞，反射性誘發肌張力產生和增強，而肌張力增強是肌肉運動產生肌力的前提[21]，表面肌電圖可實時檢測患者肌張力及肌力變化情況，其iEMG反映興奮肌肉參與活動的運動單位的放電總和，體現肌肉在單位時間內的收縮強度。RMS反映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以及放電頻率的同步化情況，二者可體現經治療干預后腦卒中軟癱期患者肌肉激活狀態[22]，因此在本團隊后續研究中，將選取此兩項指標作為腦卒中患者肌肉功能狀態的主要客觀檢測指標，以探討循經推拿對早期腦卒中患者肌肉功能的影響。