表面肌电图在脑卒中患者异常步态分析中的研究进展①

李芳，郑洁皎

·综述·

表面肌电图在脑卒中患者异常步态分析中的研究进展①

李芳，郑洁皎

脑卒中患者异常步态的形成主要与患侧下肢肌肉不同程度的力量下降和张力增高有关，而表面肌电图（sEMG）能客观定量反映神经肌肉的功能状态，对脑卒中患者的异常步态分析具有较高的应用价值。本文主要介绍步行的解剖学基础及sEMG特征、脑卒中患者的异常步态表现以及基于sEMG的脑卒中后异常步态分析，并重点从sEMG应用于分析异常步态相关肌肉活动的时序模式、激活特点和异常步态模式等方面阐述sEMG在脑卒中患者异常步态分析中的研究进展情况。

脑卒中；异常步态；表面肌电图；偏瘫步态；综述

［本文著录格式］李芳，郑洁皎.表面肌电图在脑卒中患者异常步态分析中的研究进展［J］.中国康复理论与实践，2016，22（10）：1159-1162.

CITEDAS：LiF，Zheng JJ.Application of surfaceelectromyography in abnormalgaitanalysis for stroke（review）［J］.Zhongguo Kangfu Lilun Yu Shijian，2016，22（10）：1159-1162.

步态异常是脑卒中患者的主要功能障碍，也是影响患者日常生活活动能力和生活质量的重要因素［1-2］。脑卒中后20%～30%的急性期存活者不能行走［3］；脑卒中后3个月，约1/3～1/2的患者不能恢复独立行走［4］；脑卒中后6个月，患者步行速度是年龄相匹配健康者步行速度的1/3，步行距离的40%［5-6］。文献报道，步态异常增加脑卒中患者跌倒的风险、失衡的发生以及社会参与程度的下降［3，7］。恢复脑卒中患者的正常步态已成为目前康复治疗的核心功能目标［8-9］。因此，对脑卒中患者异常步态的科学分析就显得尤为重要。

表面肌电图（surfaceelectromyography，sEMG）是指神经肌肉系统活动时产生的生物电变化，经表面电极引导、放大、显示和记录所获得的一维电压时间序列信号。sEMG检测具有无创性、实时性、多靶点测量等优点，可用于定量和定性分析各种运动状态（静态、动态）下的神经肌肉活动情况，近年来已在康复医学领域得到广泛应用［10］。有文献指出，sEMG在康复医学领域中应用最早最多的是步态分析［11］。本文就国内外sEMG应用于脑卒中后异常步态分析的研究进展情况进行综述。

1　步行的解剖学基础及sEMG特征

人的步行是在神经系统的调控下，下肢肌群收缩，以关节为支点牵拉骨，使骨的位置发生改变而产生。下肢肌是步行的能动部分，其活动在很大程度上决定了人的步行能力［12］。

1.1与步行运动相关的主要肌肉

步行是人类非常复杂的功能，由多个关节和肌肉的协调运动所产生［13］。摆动相需要髋关节屈曲、膝关节屈曲、踝关节背屈，而后膝关节伸展来完成；支撑相需要髋关节伸展和膝关节伸展来支撑体重［14］。因此，在大腿肌群中，与步行运动相关的主要肌肉是股直肌（rectus femoris，RF）、股内侧肌（vastusmedialis，VM）与股外侧肌（vastus lateralis，VL），作用是使膝关节伸展，其中股直肌还可使髋关节屈曲；半腱肌（sem itendinosus，ST）和股二头肌（biceps femoris，BF）作为股后肌群肌肉，主要负责屈膝伸髋［15-16］。在小腿肌群中，步行相关主要肌肉是胫骨前肌（tibialis anterior，TA），负责背屈踝关节，防止行走时脚掌拍地、脚尖拖曳，同时还起稳定踝关节、协助推动躯干向前的作用；腓肠肌内侧头（gastrocnem iusmedial，GM）与腓肠肌外侧头（gastrocnem ius lateral，GL）既有屈膝作用，又有踝跖屈作用，因其含有等量分布的快、慢肌纤维，故在跖屈中起主要作用，并为人类的行走提供动力；比目鱼肌（soleus，SOL）因含有80%的慢肌纤维，主要维持踝关节站立行走时的稳定性，在跖屈中起协同作用［16］。另外，Sung等的研究发现躯干肌群与步行功能之间具有相关性，其作用是提供与行走所需动态平衡相一致的稳定系统［9］。

2　脑卒中患者的异常步态表现

脑卒中患者常因平衡、负重、迈步三要素难以有机地结合而容易形成异常步态［9，21］。脑卒中患者典型的异常步态表现为：患侧膝关节因僵硬而于迈步相时屈曲活动范围减小，患侧踝关节跖屈、内翻；为了使患侧下肢向前迈步，迈步相时患侧肩关节下降，骨盆代偿性抬高，髋关节外展、外旋，使患侧下肢经外侧画一个半圆弧将患侧下肢向前迈出，故又称为划圈步态［22］。其特点有步行不对称性及耗能增加、稳定性下降等，以及患侧下肢单支撑相显著缩短，双支撑相延长，步宽加大，步长、步幅缩短，步频、步速降低等［23-24］。其主要影响因素有功能障碍的程度、平衡功能障碍、偏瘫异常运动模式、年龄以及脑卒中后抑郁等，其中脑卒中患者功能残疾程度是影响其独立步行能力恢复最主要的因素［25］。

3　基于sEMG的脑卒中后异常步态分析

3.1异常步态相关肌肉活动的时序模式

文献报道，脑卒中患者的下肢肌肉在步态周期中的活动时序发生了巨变［24］。

3.1.1肌肉活动持续时间改变

Otter等选择24例脑卒中偏瘫患者和14名正常对照者作为研究对象，用sEMG比较两组受试者的股二头肌、股直肌、胫骨前肌和腓肠肌内侧头在第一双支撑期（the firstdouble support phase，DS1）、单支撑期（the single support phase，SS）、第二双支撑期（the second double support phase，DS2）和摆动期（the sw ing phase，SW）这四个阶段中活动持续时间的差异。结果显示，与对照组相比，在大腿，SS阶段，脑卒中患者双侧股二头肌和股直肌的活动持续时间均明显延长，股二头肌-股直肌以及股直肌-腓肠肌内侧头协同活动持续时间均明显延长，股二头肌-腓肠肌内侧头活动持续时间明显增加；DS1阶段，患腿的股二头肌-股直肌协同活动持续时间也明显延长。在小腿，DS1阶段，脑卒中患者患侧的腓肠肌内侧头活动持续时间延长；患侧胫骨前肌在SW阶段的活动持续时间延长，但在SS阶段的活动持续时间缩短；脑卒中患者双侧比较，胫骨前肌和腓肠肌内侧头的活动持续时间均无明显统计学差异；脑卒中患者和对照组比较，以及脑卒中患者的患健侧比较，胫骨前肌-腓肠肌内侧头协同活动持续时间在上述的四个阶段中均无明显统计学差异［24］。该研究指出脑卒中患者患侧胫骨前肌在SS阶段活动持续时间较对照组明显缩短，可能是脑卒中偏瘫步行者平衡控制功能受损的反映［26-27］；患侧胫骨前肌在SW阶段持续时间明显延长，是为了克服SW阶段的踝跖屈障碍，以便患者能够向前行进［28］。

3.1.2肌肉活动起、止时间异常

Correa等一项随机对照试验，入选15例脑卒中患者和15名年龄相匹配的正常对照者，利用sEMG比较两组受试者在步行过程中的下肢肌肉活动情况。结果发现，相较于正常受试者，脑卒中患者的臀中肌、胫骨前肌、比目鱼肌、股直肌和腘绳肌在足跟触地时过早活动，而停止活动的时间又明显延迟。表明脑卒中患者膝、踝关节的主动肌和拮抗肌在支撑相时共同收缩过度［29］。Daly等利用sEMG发现，脑卒中偏瘫患者相较于正常人，股二头肌和股内侧肌的激活与失活潜伏期明显延长；在重复性步行运动中，股二头肌和股内侧肌激活潜伏期的一致性明显受损。他指出这些改变与脑卒中患者的下肢各关节之间协调性运动障碍以及异常步态密切相关［30］。

3.2异常步态相关肌肉的激活特点

从江苏省医疗卫生资源优化配置实证可知，通过双层目标优化模型求得的2016年江苏省现状年13个地区医疗卫生床位数与注册医生数，与现实的数据有差别。配置模型考虑了13个地区的人口、地理、经济、健康指标等多个公平指标，也考虑了投入与产出的效率指标，求解结果与现实的数据比较，也恰恰说明江苏省的医疗卫生资源向苏南、苏中等经济发达地区集中，而经济欠发达地区医疗卫生资源相对欠缺。这也说明江苏省医疗卫生资源存在配置不平衡现象。两者之间的数据差，给政府的医疗卫生资源宏观调控提供了依据[15]。

3.2.1单纯性下肢肌肉激活改变

步行过程中，正常人下肢在向前摆动时可以引出从远端到近端的肌肉激活模式，潜伏期为80～120ms［31］。而脑卒中偏瘫患者表现出从远端到近端的肌肉激活顺序模式正常存在，但潜伏期延长［32］。Kirker等的一项研究纳入17例可以独立行走的脑卒中偏瘫患者和16名正常对照者，应用sEMG记录两组受试者在步行过程中髋外展肌和内收肌的活动情况。结果发现，与对照组相比，在步行起始阶段重心开始转移时，脑卒中患者患侧肌肉活动的振幅下降，潜伏期延迟，但患侧肌肉激活模式与正常对照组相似［33］。

Sekiguchi等的一项随机对照试验，利用sEMG分析不同步态时相中脑卒中患者和健康受试者的肌肉激活差异。结果显示，在DS1阶段，脑卒中患者的双侧腓肠肌内侧头激活度明显高于健康受试者，比目鱼肌激活度患侧最明显；在SS阶段，健康受试者的腓肠肌内侧头激活度最剧烈，脑卒中患者的患侧比目鱼肌激活度低于健康受试者；但在DS1和SS阶段，脑卒中患者的患侧、健侧和健康受试者胫骨前肌的激活度均无明显差异［34］。

3.2.2受上肢运动影响的下肢肌肉激活改变

Stephenson等利用sEMG研究10例高功能脑卒中患者和10名健康对照者在活动平板上行走时上肢运动对下肢肌肉激活的影响。结果显示，脑卒中患者的股直肌在支撑相早期和摆动相初期的活动均为无支撑的上肢运动强于有支撑的上肢运动，这种差异在健康受试者中不存在；两组受试者在无支撑的上肢运动条件下，半腱肌在支撑相早期和摆动相末期的活动最剧烈；健康受试者胫骨前肌的活动在支撑相早期和摆动相初期均不受上肢运动的影响，脑卒中患者患腿胫骨前肌的活动在支撑相早期亦不受上肢运动的影响，但脑卒中患者健腿胫骨前肌在支撑相早期的活动为无上肢运动强于有支撑的上肢运动，脑卒中患者的双腿胫骨前肌在摆动相初期在无支撑的上肢运动条件下活动最强烈；两组受试者的比目鱼肌在支撑相早期的活动为有支撑的上肢运动强于无上肢运动，而在无支撑的上肢运动条件下活动更剧烈，健康受试者的比目鱼肌在支撑相后半期的活动为无上肢运动略强于有支撑的上肢运动，但脑卒中患者不存在这种差异［35］。该研究为上肢和下肢肌肉激活模式偶联存在提供了证据，并指出上肢运动是通过改变姿势的稳定性而影响下肢肌肉的激活［35-36］。

3.3异常步态模式

脑卒中患者通常遗留有步态模式障碍，脑卒中患者的步态模式以异常的肌肉共同收缩为特点，并在姿势稳定性被打破时尤为明显［37］。Reynard等的一项随机对照试验，入选20例伴有足内翻的脑卒中偏瘫患者和16名年龄相匹配的正常对照者，利用sEMG记录胫骨前肌、趾长伸肌（extensor digitorum longus，EDL）、腓肠肌内侧头和比目鱼肌在SW阶段的肌电活动。结果显示，相较于正常者，偏瘫患者的腓肠肌内侧头和比目鱼肌过早活动、胫骨前肌-趾长伸肌之间活动的持续时间和sEMG振幅均不对称；偏瘫患者的胫骨前肌在整个SW阶段正常活动、sEMG振幅略微下降［38］。2001年Burridge等的研究［39］也有类似发现。该研究表明，脑卒中偏瘫患者在SW阶段，足内翻畸形主要与小腿后肌群的过早活动以及胫骨前肌-趾长伸肌之间活动的不均衡性有关。而后者可以用sEMG所示的趾长伸肌活动时间缩短、振幅下降解释。同时该研究亦指出在SW阶段，趾长伸肌的活动对在额状面稳定足的位置很重要［39］。Chow等的研究利用sEMG发现在双支撑相阶段，伴有肌张力增高的脑卒中患者的患侧胫骨前肌-腓肠肌内侧头的共激活程度增加，健侧胫骨前肌-腓肠肌内侧头的共同活动持续时间延长。这表明患侧胫骨前肌-腓肠肌内侧头共激活度增加虽然限制了踝关节的活动，但有助于在支撑相维持踝关节的稳定，这是一种卒中后产生的适应性改变；健侧胫骨前肌-腓肠肌内侧头共同活动持续时间延长有助于维持患踝在SW阶段的稳定性［40］。

3.4其他

4　小结

步态分析的方法多种多样，对脑卒中后异常步态进行全面地分析，才能客观评估脑卒中患者的病理性步态特点［17］，进而找出异常步态原因并矫正异常步态。sEMG作为一种安全、操作简便、无创的量化神经肌肉状态的检测手段［10］，目前越来越多地应用于临床患者的步态研究。步态分析时sEMG记录到某块肌肉的电活动，说明某块肌肉参与步行活动；sEMG活动的起止时间表示该肌肉参与步行运动的协同性；sEMG活动的振幅和时程表示肌肉参与步行运动的合理性［11］。因此我们可以利用sEMG提供的客观数据，找出脑卒中患者的异常步态特征，针对异常步态制定相应的康复治疗方案，以便最大限度提高脑卒中患者的步行能力。

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Application of Surface Electrom yography in AbnormalGaitAnalysis for Stroke（review）

LIFɑng，ZHENG Jie-jiɑo
The Rehabilitation Departmentof Huadong HospitalAffiliated to Fudan University，Shanghai200040，China
Correspondence to ZHENG Jie-jiɑo.E-mail：zjjcss@163.com

The abnormal gait after strokewasmainly related to the decreasing strength with increasing tension of paretic lower limb muscles.Surface electromyography（sEMG）can respond to the neuromuscular function，that is valuable for abnormal gait analysis for stroke patients.This papermainly introduced the anatom icalbasiswith sEMG featuresofwalking，the performance of abnormalgaitand abnormal gaitanalysisbased on sEMG.It focused on the advances of sEMG in the analysis of temporal patternsand activating characteristics ofmusclesassociated with abnormalgait，aswellasabnormalgaitpattern.

stroke；abnormalgait；surface electromyography；hem iplegic gait；review

10.3969/j.issn.1006-9771.2016.10.010

R743.3

A

1006-9771（2016）10-1159-04

1.上海市卫生计生委重大推广项目（No.2013SY002）；2.上海市科委重大项目-2013年度“科技创新行动计划”（No.13411951101）。

复旦大学附属华东医院，上海市200040。作者简介：李芳（1990-），女，汉族，山东苍山县人，硕士研究生，主要研究方向：脑卒中、表面肌电图。通讯作者：郑洁皎，女，教授，E-mail：zjjcss@163.com。

1.2正常步态相关肌肉sEMG的变化

正常步态中下肢肌群sEMG信号变化呈现出周期性的活动段以及左右侧同名肌肉交替活动的规律［12］。

1.2.1大腿肌群

正常成年人步行时股四头肌群在足跟着地后有最大肌电活动，主要是吸收振荡，保持膝关节一定的屈曲，对抗重力和惯性；股直肌和股内侧肌在支撑相后期膝关节屈曲时肌电活动明显，目的是使小腿加速向前［17］。2004年，Nene等通过sEMG确认正常成年人在步行时股直肌与其他股四头肌的作用不同，仅仅在由支撑相到摆动相的过渡期间，即髋关节后伸时才有活动［18］。股二头肌在支撑相和摆动相只有轻微的收缩，肌电信号较弱，作用是保持一定的紧张度［17］。

1.2.2胫前后肌群

现在多数观点认为［17，19-20］，胫骨前肌等胫前肌群在支撑初期肌电活动最活跃，因它要保持足背伸使足跟先着地，故形成第1个较大的活动高峰，对应的sEMG波幅最大；随后在支撑中末期胫骨前肌等亦有少量的活动，与胫后肌群协同作用使足在内、外方向上稳定，因此相应的sEMG持续有很小波幅的波存在；进入摆动早期，胫骨前肌等活动再次轻度增强，表现为第2个相对较小的活动高峰，以使足趾提离地面；在摆动终末期，胫骨前肌等活动减弱或消失。而对于腓肠肌等胫后肌群，虽在人类行走与站立方面起重要作用，但仅在支撑终末期，有明显的肌电活动，以便将人体重心推向前上，相对应的sEMG为一个时间较长且波幅很高、较大的梭状波形；其余阶段都未进行活动，相应的sEMG为电静息状态。

（2016-02-28

2016-03-24）