表面肌電在腦癱康復中的應用進展

劉方,贠國俊,黃美歡,郭瑩瑩

腦性癱瘓(cerebral palsy,CP)是一組由于發育中胎兒或嬰幼兒腦部非進行性損傷,引起的運動和姿勢發育持續性障礙綜合征,運動障礙常伴有感覺、知覺、認知、交流及行為障礙,導致患兒活動受限,影響日常生活[1]。臨床上,患兒常表現為肌肉張力的增高或肌力低下,肌肉力量之間的不平衡導致患兒精細功能下降、走路姿勢的異常等,進而影響患兒的自理能力和生活質量。因此,解決神經肌肉功能的異常是患兒的首要目標,也是康復方案制定的主要內容。同時,對神經肌肉功能精準評估又是個性化方案制定的前提條件。目前用于評估CP的肌肉水平以及運動功能工具主要是臨床量表,其方法的評估結果存在一定的主觀性,不能客觀量化肌肉的功能水平。表面肌電圖(surface electromyography,sEMG)是在20世紀30～50年代針式肌電圖迅速發展的基礎上出現的,sEMG是利用電極貼片引導從肌肉表面記錄下來的神經-肌肉系統活動時的生物電信號,以無創、探測空間大、重復性好等優勢能夠對CP患兒肌肉功能異常作出客觀定量的評估和診斷[2-3]。本文主要從上肢功能、步態、吞咽等方面對sEMG在腦癱康復中的應用進行綜述,以探討sEMG在CP神經肌肉功能評估中的應用價值。

1 sEMG的信號來源

肌電信號主要來源于大腦皮層控制下的脊髓α運動神經元產生的生物電活動[4-5]。當人體處于軀體活動狀態時,由中樞神經控制下的脊髓神經產生動作電位并沿軸突傳遞,當傳遞至軸突末梢時,動作電位觸發接頭前膜Ca2+通道,釋放乙酰膽堿并激活終板膜中N2型乙酰膽堿受體陽離子通道,使運動終板處的離子通道發生變化,產生終板電位。當終板電位超過去極化閾值時,爆發動作電位并傳導至整個肌細胞膜,最后產生肌纖維動作電位,引起肌纖維收縮,產生肌肉力量[6,13]。肌肉收縮產生的電信號經皮下組織傳導,通過電信號采集設備檢測到的微弱電位差,即肌電信號[5]。其募集到的運動神經元越多,肌肉所產生的力量越大,肌電信號就越強烈。所采集到的肌電信號的強弱與活動時運動單位的數量、類型、放電頻率、運動單位活動同步化的程度、運動單位募集方式等有關。此外,測量性等因素與肌電信號的強度也有密切的關系[5,13]。

2 sEMG的分析方法

2.1 時域分析 時域分析是以時間為自變量,用來描述sEMG的振幅特征。常被用來實時反應肌肉的活動狀態[7]。其分析指標主要包括積分肌電值(integrate electromyography,iEMG)、均方根值(root mean square,RMS)、平均振幅(average amplitude,MA)等[8,46]。

2.2 頻域分析 頻域分析是將檢測到的肌電信號進行快速傅立葉轉換之后所獲得的肌電信號的頻譜或功率譜,常被用于反應肌肉活動時的疲勞程度[11]。有學者提出頻域分析相較于時域分析更加有意義。定量描述肌電信號的頻譜和功率譜特征的指標主要有平均功率頻率(mean power frequency,MPF)、中位頻率(mean freqency,MF)。MPF在反映肌肉活動狀態方面比MF更加敏感[12]。MPF是波譜曲線重心的頻率,其值的高低與運動方式和運動強度有關,當運動出現疲勞時,MPF下降。

2.3 時頻分析 時頻分析對于肌肉疲勞度的判斷以及肌肉生理變化的綜合信息非常重要,此分析方法解決了時域分析和頻域分析信號不穩定的問題[8]。目前,用于表面肌電信號的時頻分析方法中最常用的是小波分析[16]。小波分析是傅立葉轉換的一個新發展,可以聚焦到分析對象的任意細節,具有可變的時頻分析窗口,能夠同時提供關于時域和頻域兩方面的信息,并能夠以一種有效、穩定的方式對肌電信號進行提取[13]。

2.4 非線性分析 sEMG的非線性分析在提取特征分析時具有一定的降噪功能,常用于盲源信號的處理和分析。利用非線性動力學的方法用于分析肌電信號和特征值的提取已經成為了新的研究趨勢。主要參數包括:李雅普諾夫指數、熵、復雜度[8]。李雅普諾夫指數是指系統在相空間中相鄰軌道間收斂或發散的平均指數率。熵主要用于肌肉疲勞度的研究,并且在識別肌肉疲勞狀態的研究中,熵被證實可用于疲勞分類。復雜度主要用于分析肌肉在動態收縮條件下的表面肌電信號。

3 sEMG在腦癱患兒中的應用

3.1 上肢功能評定 CP大多數都伴有上肢功能障礙,并且上肢功能障礙的發病率在57%～83%,最常見于痙攣型偏癱患兒。由于上肢屈肌張力增高,導致一側上肢功能受限,進一步出現雙側上肢活動不協調,日常生活能力下降等問題[14]。因此量化患兒上肢的運動質量是康復治療的基礎,同時也有利于深入了解患兒的損傷機制和病情程度[15]。有學者提出,在CP患者中,肘關節的伸展和腕關節肌肉與日常生活能力具有較高的相關性,腕關節的肌肉功能和手的活動對于上肢精細功能的發揮具有重要意義[17-18]。因此,腕關節的活動和肌肉的功能水平是患兒上肢正常活動的關鍵[20]。Rios和Xu等[17-18]利用sEMG研究了偏癱患兒在最大等長收縮的情況下腕屈肌和腕伸肌的肌肉活動狀態。研究表明,患兒在腕伸肌進行最大自主等長收縮(maximum isometric voluntary contraction,MVIC)狀態下,患側腕屈肌的iEMG和RMS均高于健側,表現出較高的協同收縮,表示腕伸肌在MVIC狀態下,腕屈肌存在較高的肌肉激活,進一步反映腕屈肌可能存在肌張力增高的問題[34]。因此,促進腕伸肌收縮,抑制腕屈肌激活,對于增加患兒上肢的運動協調能力,關節穩定性都是非常重要的。此外,CP是由于中樞神經調節機制受損導致的患兒運動功能障礙。Tong等[19]利用sEMG非線性分析多尺度熵(multi-scale entropy,MSE)量化分析了CP患兒上肢肌肉疲勞度的研究表明,當患兒肌肉出現疲勞時,MSE曲線下降的幅度將會減小,可能是由于肌纖維傳導的速度下降和運動單位同步化增加的結果。這可能有助于解釋CP患兒肌肉易疲勞背后的神經病理學變化,同時還可以提供客觀量化的證據,進一步提出針對性的解決方案。sEMG通過對患兒上肢肌肉的激活模式、協同收縮、疲勞度的研究,可客觀量化神經肌肉的功能異常,深入了解患兒上肢運動功能障礙的發生機制,在臨床的應用方面具有很大潛力。同時,基于sEMG的評價結果,制定針對性的臨床干預計劃,對CP患兒精細功能以及日常生活能力的提高具有關鍵性的意義。

3.2 步態分析 異常步態是CP常見的臨床癥狀,主要有剪刀步態、偏癱步態等,其主要原因是由于神經肌肉功能的異常導致部分肌肉出現肌張力增高、痙攣、肌力下降等問題,對患兒的生活質量和心理造成嚴重的影響[21,48]。基于sEMG量化性的評估方式,能夠對患兒肌肉在活動狀態下的激活,運動單位的募集、協同收縮等作出客觀評價[44,50]。因此sEMG所提供的量化客觀的評估結果,對于優化患兒治療方案,提高雙下肢運動功能具有重要意義。首先肌肉的正常激活才能夠保證患兒穩定且有效的行走,如果肌肉激活的時間過長或過短將會降低患兒行走的靈活性,增加關節的負荷和能量消耗,降低步行效率[22]。2019年Francesco 等[23]對16名偏癱患兒的研究結果顯示,由于患兒步行時脛骨前肌激活減少,導致踝背屈不足,從而量化了偏癱患兒步行時的不對稱行為。2020年Francesco[24]又進一步評估了偏癱患兒雙下肢sEMG的變異性,并首次使用變異性指數CV(患兒行走過程中肌肉激活的可變性)計算了CP患兒脛骨前肌和腓腸肌肌肉在行走過程中的變異性,發現CP患兒較正常兒童變異指數增加。利用sEMG觀察CP患兒在步行時下肢肌肉的激活程度可以發現,下肢肌肉激活程度的不同可能會影響患兒肌肉力量的產生,同時也可作為區別CP患兒與正常兒童的參考指標。因此,改善CP患兒主動肌和拮抗肌之間的肌肉激活,可能有助于肌群之間的力量協調,從而提高步行效率。此外,Wei等[25]利用sEMG對10名粗大功能分級I～III級的CP患兒進行了步態分析,提出平均絕對值和過零點值對CP患兒步態相位的識別具有較高的準確性,并根據患兒的步態相位提出了意圖驅動的機器人對于患兒異常步態的改善可能具有積極意義。因此,sEMG不僅可通過檢測CP患兒肌肉激活情況評價其步態行為并為進一步診斷提供理論依據,同時還可對患兒步態異常的原因作出解釋,從而提供針對改善此步態的康復方法。Yu等[26,44]通過對CP患兒進行的sEMG評估結合步態分析的研究結果也支持以上觀點。以上研究表明依據sEMG信號,能夠對CP患兒進行肌肉的評估、異常步態的分析、康復方案的制定提供參考依據。無論是對患兒異常步態的改善還是家長的配合度方面都有著較高的實用價值,但是目前關于sEMG在CP患兒中的應用,納入研究的患兒大多是粗大運動功能分級I～III級的患兒,具備一定的行走能力,針對嚴重程度較高患兒的研究還很少。

3.3 吞咽功能評定 CP患兒的吞咽障礙是由于大腦皮質和皮質下神經調控障礙引起的功能性吞咽障礙,引起食物殘留或者不能順利送入胃內等問題。嚴重者將會出現營養不良、脫水、吸入性肺炎等并發癥,危及患兒生命[27-28]。2013年我國專家針對吞咽障礙人群制定了吞咽篩查評估流程,專家所提出的視頻透視吞咽檢查是評估吞咽困難的金標準。但是由于患兒年齡小,配合度差以及評估方式本身存在輻射、不能識別咽和喉的神經肌肉的異常等一系列問題,難以在臨床上實施[29-30]。近年來,sEMG以其可靠、簡便、無創、無輻射等優勢在CP患兒吞咽障礙的評估以及診療等領域得到了學者的認可[31]。2003年Vaiman等[32]首次確定了健康兒童在單次吞咽和不間斷飲水期間肌肉活動度和振幅的正常肌電值。這為識別和篩查吞咽異常的患兒提供了一個參考標準。此后,2013年Tseng等[33]針對CP吞咽障礙患兒的sEMG特征進行的研究表明,患兒在3ml和最大吞咽量時,頦下肌群和舌骨下肌群的表面肌電參數值均較對照組高,在3毫升吞咽容量下,最大振幅值是吞咽障礙患兒的最佳預測指標。2019年國內學者何金華也提出吞咽障礙患兒的頦下肌群和舌骨下肌群的iEMG均高于對照組,吞咽障礙的嚴重程度與iEMG呈正相關,可在一定程度上反映患兒的肌力與肌張力[29]。因此,在臨床評估中如果患兒頦下肌群和舌骨下肌群的振幅值和iEMG增高,提示患兒可能患有吞咽功能障礙[35]。最后,通過觀察患兒在飲水期間的sEMG可得出,sEMG的振幅值可作為輔助診斷CP患兒吞咽障礙的可靠參考指標。同時,通過iEMG量化患兒吞咽肌群肌力肌張力方面的價值還發現,iEMG對患兒吞咽功能障礙的CP患兒進行嚴重程度的分級具有較高的參考意義[33,31,51]。雖然sEMG能夠定性評估腦癱患兒吞咽肌群功能的異常,同時還能定量分析患兒異常肌群在不同狀態下的肌電信號變化,但是目前國內外關于sEMG在CP吞咽障礙中的研究還很少,需要進一步證實其方法在腦癱患兒應用中的信度和效度。

3.4 康復療效的評估 sEMG除了能夠用于評估CP患兒的神經肌肉功能狀態,解釋運動障礙的生理病理學機制以及對疾病進行診斷及分類之外,還能夠用于評價某一臨床干預手段的有效性。目前用于緩解CP患兒肌肉痙攣,增加肌肉力量的治療方式,已經趨于成熟。但是,針對治療方式對患兒治療效果的評價還未有客觀定量的標準。例如:傳統的運動療法以及外科手術治療等,大多利用量表和醫生的主觀經驗進行評價[49]。因此,迫切需要一種客觀的評估方式用于量化患兒的治療效果[37]。如Li等[36]采用sEMG對痙攣型腦癱患兒在手術治療前后進行了客觀量化了評估,通過測定患兒在行走時的關節活動度和6塊主要肌肉的均方根值,結果顯示經手術治療后患兒肌肉痙攣和肌力不足等問題得到了明顯改善。唐源敏等[38]采用sEMG的RMS和iEMG量化了患兒經復合手術治療后的肌肉的改善情況,表明患兒下肢肌張力得到了有效緩解,蹲伏步態和馬蹄足內翻有了顯著改善。國內學者陸祖韜等[39]通過研究離心收縮和約束誘導訓練降低患側肌張力的效果,依據sEMG的RMS表明,患兒治療后上肢屈肘肌群的痙攣狀態也有了明顯好轉。以上研究表明,CP患兒的肌張力和肌力與RMS具有高度相關性,并呈正相關性[40]。可得出,RMS能夠作為評價治療前后神經肌肉狀態的可靠指標,以此為依據可對某種治療方式的治療效果進行量化[41]。此外,Audrey等[42]就部分CP患兒在短時間步行訓練之后出現蹲伏步態惡化的現象進行研究表明,患兒股直肌的的MF下降,疲勞度顯著增加,并首次提出膝關節屈曲角度的增加可能與股直肌疲勞度的增加有關,同時,臀部肌肉力量的增加有助于改善患兒的蹲伏步態[43,47]。sEMG在康復療效的評估方面,凸顯了其獨特優勢,不僅能夠量化某種治療方式的療效,同時還能夠反映其治療方式背后的作用機制,對治療師進一步制定康復計劃提供參考依據。未來還需要深入探討表面肌電在定量評估康復療效中的應用價值,推動臨床的普及。

3.5 sEMG與其他評估方式 目前臨床上用于評估CP患兒神經肌肉功能的工具除了sEMG,還有改良Ashworth痙攣評定量表、改良Tardieu量表等臨床評估量表以及剪切波彈性成像(shear wave elastography,SWE)和磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)等影像學方法也被廣泛應用。首先,臨床量表的評估方式一般不受病情、環境等的影響,同時具有操作簡便、價格低廉等優勢,在臨床上具有較高的實用性,但是評估結果往往伴隨評估醫師的主觀性經驗,缺乏對患兒肌肉功能的客觀性評價。其次,影像學的評估方式在一定程度上改善了傳統量表的局限性,能夠在很大程度上對患兒肌肉硬度、肌肉體積等肌肉參數作出客觀定量的評價,進一步反映患兒的肌肉功能狀態,但是研究發現,SWE存在超聲探頭位置的擺放以及二維超聲圖像的參數提取等方面的問題,還未得到解決。MRI也存在設備龐大、檢查費用高、檢查禁忌癥較多等一系列問題,同時,臨床量表和影像學檢查在評估時都是在患兒靜止或者被動狀態下進行的,缺乏患兒在神經肌肉活動狀態下的檢測和評估,因此,限制了在臨床上的使用。sEMG能夠獲取患兒在主動活動狀態下肌肉激活和失活的時刻,評價主動肌和拮抗肌的協調性以及肌肉的疲勞狀態,對CP患兒神經肌肉功能作出更加全面精確的評估。但是,sEMG的評估對環境要求較高,容易受到鄰近肌肉的影響,還存在對深層和脂肪較厚區域的肌肉檢測不準確等局限性。Gennisson等[52]將sEMG與SWE相結合,研究了肱二頭肌的肌電信號與硬度之間的關系,結果顯示健康受試者肱二頭肌肌電信號的RMS與肌肉剪切模量之間存在線性關系。樊留博等[53]將改良Ashworth痙攣評定量表、sEMG和SWE等評估方式相結合共同評價了基于Bobath理念的強化膝關節控制訓練在痙攣型偏癱患者中的療效。經6周干預后的評價結果顯示,其方法能夠顯著改善患者的步行功能。基于以上研究發現,sEMG與其他評估方式相結合,不僅能夠解決各評估方法存在的問題,同時還能發揮各個評估方法的優勢,在最大程度上對CP患兒的神經肌肉功能作出精準的評價。因此,在臨床上,針對CP患兒神經肌肉的評價,采用多種評估方法相結合的方式,對于腦癱患兒日后的康復將起著關鍵性的作用。

4 小結與展望

本文主要綜述了sEMG在CP中的應用,探討了sEMG在客觀評估和診斷CP神經肌肉異常所引起運動功能障礙的可行性和可靠性。sEMG通過量化患兒的肌肉功能水平,為進一步解釋患兒神經肌肉的病理生理機制提供新思路,也為臨床醫生優化患兒的康復方案提供參考依據。雖然已經有大量研究證實了sEMG可作為輔助診斷CP的實用性工具。但是在評估過程中,患兒采取什么樣的姿勢以及確切的評估指標,還缺乏統一的參考標準。此外,sEMG主要應用于具備一定認知能力且粗大運動功能分級I-III級的患兒,在臨床或者實驗納入患兒的標準方面存在一定的局限性。因此,制定統一的評估參考指標增加在CP康復中的實用性是今后研究的重點方向。