脑卒中患者小腿三头肌肌张力的表面肌电特征

刘莉，高润，程欣欣，刘婉，刘梦瑶，俞佳雯，陆晓

脑卒中患者丧失的诸多功能中，移动能力是核心。偏瘫步态作为中枢损伤后随意运动在肌肉、关节处的失调表现，往往具有特有的病理性运动模式，其表现特征之一即为足下垂。以往研究显示，卒中后小腿三头肌张力增高是痉挛性足下垂的主要成因[1]，因此，小腿三头肌的张力对力量产生及步态的影响机制有待进一步研究。目前临床上最常用的评估小腿三头肌痉挛的方法是传统的改良Ashworth(MAS)量表，此评分是通过临床医师感知被动关节活动的阻力来进行打分，而有研究者[2]提出MAS分辨率低，即使同一分数下也可能会包含不同的痉挛患者，从而有必要对MAS更为量化的必要性。近年来，表面EMG(sEMG)作为临床上运动肌肉检测的常用方法，为临床研究者提供了类似肌肉听诊器般成熟的检测技术。其中时域分析参数-均方根振幅(RMS)反映了单位时间内骨骼肌放电总量，是评价和分析肌肉在单位时间内张力状态的重要可量化指标[3-6]。小腿三头肌不同体位下激活不一样，本研究通过分析患侧和健侧不同体位被动牵伸和步行时小腿三头肌三块肌肉的RMS值来定量评估小腿三头肌在不同状态时的张力，进一步分析研究痉挛、力和步态三者间的关系，为脑卒中后步态功能的康复提供理论基础。

1 对象与方法

1.1 对象 选取2018年1月至2019年8月在南京医科大学附属脑科医院康复医学科住院的首次脑卒中恢复期并存在小腿三头肌痉挛的患者30例，其中男性17例，女性13例；脑出血18例，脑梗死12例；年龄范围32～78岁；病程3个月～1年，右侧偏瘫12例，左侧偏瘫18例。纳入标准：(1)头颅CT、MRI提示一侧脑组织损伤，临床表现为单侧肢体瘫痪；(2)偏瘫侧小腿三头肌MAS评分1级及以上；(3)可独立保持坐位(坐位平衡Ⅱ～Ⅲ级)，病情稳定；(4)Holden步行功能3级及以上；(5)MMSE测试评分20分以上，可配合完成试验；(6)愿意参与试验。排除标准：(1)意识不清、认知功能严重障碍；(2)完全性和感觉性失语；(3)因外伤、骨折、组织损伤、挛缩等导致患侧膝关节、踝关节活动受限。

1.2 实验仪器 加拿大Thought technology Ltd公司生产的SA7550型十通道表面肌电分析系统(FlexComp Infiniti System)。技术参数：共模抑制比≥100 dB；输入阻抗>50 MΩ；输入噪声<1 μV；模数输出率14比特。数据光纤传输技术：数据传输速率达4 000 Mb/S。表面电极采用上海励图医疗器材有限公司生产的型号LT302型一次性使用心电电极(银/氯化银)。

1.3 方法

1.3.1 sEMG采集前的准备工作 在室温25 ℃的安静环境下，嘱患者仰卧位，并在其双侧膝关节和踝关节处放置一块软垫，使得患者小腿距离床面3～5 cm，暴露双下肢小腿三头肌，用酒精棉签和打磨砂纸进行备皮、脱脂，要求患者完成足部背屈动作，观察小腿三头肌(腓肠肌外侧头、腓肠肌内侧头、比目鱼肌)肌腹，结合肌肉体表定位方法(腓肠肌外侧头：定位于腘横纹外侧末端与外踝尖连线上三分点；腓肠肌内侧头：腘横纹内侧末端与内踝尖连线上三分点；比目鱼肌：腘横纹内侧末端与内踝尖连线下三分点)于肌腹最丰满处与肌纤维平行的方向上粘贴电极并固定传感器；若患侧无法完成脚背屈动作，可进行双侧对比，确定采样肌采样位置。

1.3.2 数据采集 (1)采集患者小腿三头肌在伸膝、屈膝位两种体位下静息状态和牵伸态的sEMG数据值：伸膝位状态下，先采集患者健患侧的内外腓肠肌及比目鱼肌10 s静息状态时的sEMG变化；然后治疗师分别在健患侧做三次踝关节被动背屈牵伸，每次牵伸3 s，间歇1 min，同时采集健患侧的腓肠肌及比目鱼肌sEMG变化。屈膝位状态下，先采集患者健患侧的内外腓肠肌及比目鱼肌10 s静息状态时的sEMG变化；然后治疗师分别在健患侧做三次踝关节被动背屈牵伸，每次牵伸3 s，间歇1 min，同时采集健患侧的内外腓肠肌及比目鱼肌sEMG变化。(2)采集患者小腿三头肌行走5个步行周期的sEMG数据值：嘱患者于无障碍通道中行走5个步行周期，采集行走状态下支撑相和摆动相健患侧内外腓肠肌及比目鱼肌sEMG变化，同步记录患者步态视频。

1.3.3 采集相关数据指标 采集3次所测sEMG的RMS值，其中步行数据分为5个步行周期(图1)处理，结合步行周期视频对患侧支撑和健侧支撑行分别统计(图2、3)，并据此计算各块肌肉的贡献度[(该肌肉的RMS值/三块肌肉的RMS值之和)×100%]。

图1 左侧偏瘫患者五个步行周期表面肌电原始图 蓝色红色分别代表左右侧下肢，A/C/E通道分别为左侧腓外、腓内、比目鱼肌；B/D/F通道分别代表右侧三块肌肉。步行周期以患侧支撑始

图3 患侧支撑相表面肌电原始图(左侧偏瘫)

2 结 果

2.1 患者一般情况 本研究共入组患者30例，其中男性17例，女性13例，平均年龄(54.43±12.07)岁，病程(6.84±3.00)个月，Holden步行评分(3.45±0.51)分，MAS评分Ⅰ级8例、Ⅰ+级15例、Ⅱ级7例，无Ⅲ、Ⅳ级患者。

2.2 静息状态下各块肌肉的RMS值比较 见表1。静息状态下，健患侧内外腓肠肌以及比目鱼肌的RMS值均<5 μV。小腿三头肌各块肌肉的RMS值患侧与健侧相比差异无统计学意义，患健侧各块肌肉的RMS值伸膝位与屈膝位差异也无统计学意义。

2.3 牵伸态下各块肌肉的RMS值比较 见表2、表3、表4。被动牵伸状态下，患侧内外侧腓肠肌的RMS值伸膝位明显高于屈膝位(均P<0.05)，而患侧比目鱼肌以及健侧各块肌肉的RMS值伸膝位与屈膝位相比差异无统计学意义。患侧内外腓肠肌以及比目鱼肌的RMS值在伸膝位以及屈膝位下均明显高于健侧(均P<0.05)；被动牵伸状态下，各块肌肉在屈膝位下的RMS值差异无统计学意义；伸膝位下的RMS值差异有统计学意义(P<0.01)，且内侧腓肠肌的RMS值明显高于外侧腓肠肌和比目鱼肌(均P<0.01)。

2.4 步行周期基本情况、各块肌肉的RMS值以及肌肉贡献度比较 见表5、表6、表7。 患者步行周期的平均时长为(2.04±0.89)s，患侧支撑平均时长为(0.81±0.28)s，健侧支撑平均时长为(1.14±0.60)s，且患侧支撑时长明显低于健侧支撑时长(P<0.01)。步行周期中，支撑相时内外腓肠肌的RMS值患侧明显小于健侧(均P<0.01)，比目鱼肌差异无统计学意义；摆动相时内外腓肠肌以及比目鱼肌的RMS值患侧明显小于健侧(P<0.05)。完成步行支撑动作时，支撑相时比目鱼肌的贡献度患侧明显高于健侧(P<0.05)；而外侧腓肠肌的贡献度健侧明显高于患侧(P<0.05)。支撑相患侧各块肌肉的贡献度差异有统计学意义(P<0.05)，且比目鱼肌的贡献度明显高于内侧腓肠肌和外侧腓肠肌(均P<0.05)。

表1 静息态下小腿三头肌各块肌肉RMS值(x±s)外侧腓肠肌伸膝位屈膝位内侧腓肠肌伸膝位屈膝位比目鱼肌伸膝位屈膝位患侧2.15±1.681.94±1.071.70±1.361.86±1.601.90±0.271.56±0.67健侧1.80±0.891.68±0.411.60±0.771.31±0.831.42±0.431.29±0.27

表2 牵伸态患侧小腿三头肌各块肌肉RMS值(x±s)外侧腓肠肌内侧腓肠肌比目鱼肌伸膝位9.61±4.37*13.79±5.70*8.15±6.70屈膝位6.82±2.769.25±3.508.00±7.30 注:与屈膝位比较*P<0.05

表3 牵伸态健侧小腿三头肌各块肌肉RMS值(x±s)外侧腓肠肌内侧腓肠肌比目鱼肌伸膝位2.73±1.502.93±1.562.63±1.43屈膝位2.22±0.902.50±1.132.07±1.41

表4 牵伸态不同体位下健患侧小腿三头肌各块肌肉RMS值(x±s)外侧腓肠肌伸膝位屈膝位内侧腓肠肌伸膝位屈膝位比目鱼肌伸膝位屈膝位患侧9.61±4.37*6.82±2.76*13.79±5.70*9.25±3.50*8.15±6.70*8.00±7.30*健侧2.73±1.502.22±0.902.93±1.562.50±1.132.63±1.432.07±1.41 注:与健侧比较*P<0.05

表5 步行中支撑相小腿三头肌各块肌肉RMS值(x±s)外侧腓肠肌内侧腓肠肌比目鱼肌患侧23.13±20.28*26.40±15.98*33.95±32.44健侧48.49±29.9252.04±29.55 47.58±27.73 注:*与健侧比较有差异(P<0.01)

表6 步行中摆动相小腿三头肌各块肌肉RMS值(x±s)外侧腓肠肌内侧腓肠肌比目鱼肌患侧16.41±12.96*21.31±19.94*21.89±28.66*健侧34.91±13.4043.19 ±21.4138.96±17.72 注:*与健侧比较有差异(P<0.05)

表7 步行中支撑相小腿三头肌各块肌肉贡献度(x±s)外侧腓肠肌内侧腓肠肌比目鱼肌患侧27%±12%*32%±10%41%±13%*健侧33%±9%35%±10%32%±8% 注:*与健侧比较有差异(P<0.05)

2.5 牵伸态下患侧小腿三头肌各肌肉的RMS值与MAS评分相关分析 牵伸态下患侧小腿三头肌各块肌肉的RMS值与MAS评分相关分析结果(图4)显示，患侧小腿三头肌各块肌肉在屈膝位以及伸膝位两种不同体位下的RMS值均与MAS评分呈正相关(P<0.05)，提示RMS值越高，痉挛等级越高。

图4 牵伸态下患侧小腿三头肌各块肌肉RMS值与MAS评分相关分析散点图 A：屈膝位患侧外侧腓肠肌RMS值与MAS评分相关分析散点图；B：伸膝位患侧外侧腓肠肌RMS值与MAS评分相关分析散点图；C：屈膝位患侧内侧腓肠肌RMS值与MAS评分相关分析散点图；D：伸膝位患侧内侧腓肠肌RMS值与MAS评分相关分析散点图；E：屈膝位患侧比目鱼肌RMS值与MAS评分相关分析散点图；F：伸膝位患侧比目鱼肌RMS值与MAS评分相关分析散点图

3 讨 论

小腿三头肌痉挛导致的足下垂是影响脑卒中后患者步行能力的最常见的原因，也是制约患者整体运动恢复的重要因素。足下垂的发生机制包括中枢机制(亦即反射介导机制)和外周机制(亦即非反射介导机制)两部分[7-8]。其中，中枢机制反应了脊髓牵张反射为基础的调控障碍和神经肌肉控制缺失；外周机制则以本体感觉输入障碍、运动单位募集紊乱(即肌肉张力失控、肌肉力量减弱、肌肉反应时序延迟)、姿势控制异常及肢体远端易发生的反射性交感神经营养不良、神经血管萎缩等因素为特点，最终表现为踝关节的足下垂，又名“痉挛性足下垂”。

本研究旨在通过sEMG技术来探讨小腿三头肌肌张力对偏瘫患者步态的影响机制，研究结果表明：(1)静息时小腿三头肌各块肌肉的RMS值患侧和健侧相比无差异，伸膝位和屈膝位相比亦无差异。(2)被动牵伸时小腿三头肌各块肌肉的RMS值患侧均高于健侧，体位变化时内外侧腓肠肌RMS值，伸膝位高于屈膝位，而比目鱼肌则无变化。伸膝位时，内侧腓肠肌RMS值最高，进行相关分析结果表明，患侧小腿三头肌在伸膝位及屈膝位的RMS值均与MAS评分呈正相关，且内侧腓肠肌的相关系数最高、比目鱼肌的相关系数最低，结果说明，体位改变对比目鱼肌张力没有影响。(3)步行时患侧支撑时长低于健侧支撑时长，支撑相时比目鱼肌的贡献度患侧则高于健侧，而外侧腓肠肌的贡献度健侧则高于患侧。

RMS值所有结果的比较都要以静息态比较没差异为基础，本研究的结果符合该标准。被动牵伸态的结果表明小腿三头肌的RMS值越高，相应的肌张力越高，这与既往的研究相符[9-10]。本研究结果也显示，小腿三头肌在不同体位下的RMS值患侧均高于健侧，因为入组的偏瘫患者患侧小腿三头肌都属于高张力状态，这也进一步验证了RMS值的增高与张力的增高有关。通过比较三块肌肉的RMS值表明在伸膝位时内侧腓肠肌的RMS值最高，而相关系数也高，比目鱼肌的RMS值最低，而相关系数也最低，此结果表明了内侧腓肠肌是偏瘫患者小腿三头肌痉挛的主要影响因素，而比目鱼肌的影响相对最小。此外腓内、外肌的RMS值伸膝位比屈膝位显著增大，而比目鱼肌在两种体位下无显著性差异，此结果说明比目鱼肌受体位影响相对较小。由于腓肠肌是跨关节肌群，直接受体位影响，且由Ⅱ型快肌纤维构成，卒中后的制动和增龄均可造成Ⅱ型肌纤维大量萎缩，而比目鱼肌则由Ⅰ型肌纤维构成的单关节肌，不仅有氧耐力强且对卒中后的制动和增龄变化影响较小[11-13]。相关研究也显示，脑卒中后的中枢损伤对关节肌肉的影响程度不尽相同，越复杂、越精细的动作控制越依赖中枢的调控，共同运动、联合反应对下肢的跨关节肌影响更大[14-15]。

正常步态中，步行周期的支撑相约占整个周期的60%。小腿三头肌作为正常人体步行中的重要肌肉，腓肠肌主要起跖屈作用，比目鱼肌主要维持踝关节站立行走时的稳定性，起到协同腓肠肌的作用[16]。支撑相早期到中期，足部脚掌着地，小腿三头肌离心收缩，稳定踝关节及小腿。支撑相后期到摆动相前期，足部足趾离地，小腿三头肌向心收缩，产生前进推动力[17-18]。在偏瘫患者的步行中，既有共性的外在模式，也有肌电的内在差异。本研究结果显示，脑卒中偏瘫患者步行周期存在周期时长过长、过度依赖健侧支撑的问题，且存在患侧支撑相时，腓内、外肌部分功能由比目鱼肌代偿，这与文献报道一致[19]。吴月峰等[20]通过fMRI 研究发现,恢复较好的脑卒中患者运动任务激活脑区范围基本接近正常对照组,而那些运动功能较差者参与运动任务脑区较正常对照组激活更强、范围更广泛并且多呈双侧分布。相应的在步行中,健侧下肢肌肉也会因健侧激活脑区范围扩大而产生健侧关键肌过度激活现象，患侧下肢腓肠肌产生过早激活现象。因此，偏瘫侧下肢运动过程中存在双侧不平衡及健侧代偿，这也是导致失平衡、失协调和失稳定的成因。

贡献度作为了解某一块肌肉在完成一特定动作时的平均肌电值与所有肌肉的平均肌电值总和的百分比值(或称为肌肉做功百分比)[21]。本研究结果显示，患侧支撑相时，比目鱼肌的贡献度患侧高于健侧，腓外肌的贡献度健侧高于患侧，且比目鱼肌的贡献度最高，提示脑卒中后偏瘫患者患侧小腿三头肌收缩功能下降的同时，小腿三头肌各肌肉的贡献度亦发生改变，正常时在踝跖屈运动时起协同作用的的比目鱼肌，代偿了腓肠肌明显降低的功能，成为主要的踝跖屈主动收缩肌，在偏瘫患者的步行中起主要作用，这与窦祖林等[22]学者的研究结果基本一致。

目前，有关痉挛性足下垂的治疗中，除了一些常规的康复治疗手法，肉毒毒素用于肌肉痉挛的治疗被广泛验证并应用[23-24]。研究[25]发现，注射A型肉毒毒素可以有效地降低对抗肌的拮抗，淡化跖屈肌肉的激活作用，缓解小腿三头肌的痉挛。目前常规的肉毒素治疗小腿三头肌痉挛大都采用同时注射三块肌群，往往限制了小腿三头肌动力作用的发挥[25-26]。本研究结果显示，腓肠肌在小腿三头肌痉挛中所起的作用更为重要，可以说它是造成小腿三头肌痉挛性足下垂的主要责任肌，而在步行时，患侧支撑相比目鱼肌的做功更多，可以说它部分代偿了腓肠肌的功能，成为主要的踝跖屈主动收缩肌。因此，痉挛性足下垂患者应用肉毒素治疗时，是否可以采取单纯针对腓肠肌的肉毒素注射，并在康复中保留并增强比目鱼功能，从而更有效地提高患者的步行能力，这可能是今后值得探索的方向。

本研究主要使用sEMG时域指标进行统计比较，在分析步态周期过程中存在两侧支撑相的原始肌电图信号时空叠加及转换过程中的伪迹出现，影响实验数据的精确性。近年来很多学者肯定了小波分析在肌电信号分析、解读上的优势。随着技术的不断改进sEMG在康复领域大有可为，期待步态周期结合小波分析为任务态sEMG技术带来开创性的研究成果，在康复的临床、科研领域中体现更大的实用价值。