基于表面肌电技术对卒中患者上肢运动时躯干肌用力疲劳程度的研究

张潇雅，郑海清，陈曦，马可，张璇，陈彦，于松

疲劳是卒中患者常见的症状之一。卒中后疲劳是指卒中患者在体力或脑力活动进行过程中，出现的一种早期乏力倦怠、缺乏能量、厌恶继续努力的感觉[1]。患者出现疲劳症状后会明显减缓其康复进程还会影响患者的生活质量[2]。

近年来，已有很多学者提出卒中后疲劳发生的相关因素，包括去适应作用、肢体瘫痪、习得性废用、睡眠障碍、抑郁状态、药物不良反应及认知状态等[3]，但针对患者卒中后用力疲劳的研究仍较少。本研究拟通过采用表面肌电图技术对卒中后躯干肌群的疲劳程度进行评估，并探讨表面肌电技术用于评估卒中患者疲劳情况的可行性。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象 前瞻性连续纳入2019年4-9月于中山大学附属第三医院康复医学科住院的卒中患者作为卒中组，并招募年龄、性别匹配的健康志愿者作为对照组参与本研究，健康志愿者不存在双上肢与躯干运动障碍，也无可能导致双上肢运动障碍的相关疾病史。卒中组纳入标准：①年龄20～80岁；②符合中华医学会脑血管病学术会议制定的卒中诊断标准[4]，并经CT或MRI证实；③上肢Brunnstrom分期＞Ⅱ期；④坐位平衡≥Ⅱ级；⑤MMSE评分≥24分；⑥卒中病情基本情况稳定。排除标准：①心血管系统、骨骼肌肉系统疾病导致的上肢运动功能障碍；②患者有明显焦虑、抑郁情绪；③有心脏起搏器；④患侧上肢两个及两个以上部位肌张力＞2级（改良Ashworth痉挛量表）。

1.2 研究流程 本研究使用木插板分别让卒中患者的健侧上肢和患侧上肢、健康志愿者利手侧（健康人利手侧和非利手侧肌肉在疲劳性任务过程中所产生的疲劳性变化和力量变化差异没有统计学意义[5]，故本研究健康志愿者只测量利手侧的数据）上肢进行反复前后向置物-返回运动。受试者在运动前后根据改良版Borg自觉用力程度量表对其自身疲劳程度进行评价，对比每组受试者运动前后的量表评分结果。利用表面肌电图采集前后向置物-返回运动时躯干肌（运动侧斜方肌、双侧腹直肌、双侧腹外斜肌、双侧胸段及腰段竖脊肌）的肌电频域指标平均功率频率（mean power frequency，MPF）平均值。分别比较卒中患者健侧、患侧运动时与健康志愿者肌肉MPF的差异。

本研究采用盲法设置，试验目的是引起受试者肌肉疲劳，受试者对此不知情，即受试者不会因知晓任务目的而引起肌肉紧张，从而影响试验结果。研究者中，治疗师不参与任何数据分析，而数据分析工程师也对数据进行盲法分析。

1.3 前后向置物-返回运动流程

1.3.1 运动测试准备 运动测试过程中配备1名有5年以上工作经验的治疗师负责向患者解释运动过程并指导患者完成运动测试。受试者独立坐在有靠背的椅子上，双脚着地，双侧大腿完全放置在椅面上；在可调高度的桌子上放置6×6的木插板，确保木插板在受试者手肘高度；木插板放置在桌子边，与受试者相距20 cm的位置，木插板的中点在受试者的中轴线上。

1.3.2 运动过程 每位受试者安静休息1 h后开始进行试验，每位受试者需要做前后向置物-放回运动15次，分3组完成，每组连续做5次，组间间隔30 s。试验开始前，治疗师向受试者讲解动作流程，受试者手握小木棒（对抓握能力差的受试者，使用绷带将小木棒固定于手掌内，如图1所示），将木棒从起始位置（图2A）凹槽取出，放置在指定终末位置（图2B），再原路返回，记为完成一次动作。若受试者无法平稳准确地将木棒一次性插入凹槽内，治疗师和数据观察员不会对受试者提供任何言语或肢体上的辅助，直至受试者最后将小木棒成功放进凹槽内。过程开始时，必须在数据观察员确认数据可用，并发出“开始”口令后再开始做出动作，每个来回完成后，马上开始下一个来回，中间间隔不得超过1 s，直至5个来回结束。健康志愿者使用利手侧上肢进行一次试验，卒中患者试验分两天进行，第一天进行患侧上肢运动试验，第二天进行健侧上肢运动试验。

图1 使用纱布将木棒固定于手掌内的方法

图2 受试者运动过程

1.4 表面肌电图测量方法 本研究设置1名工程师负责表面肌电图采集系统的操作和软件数据有效性观察。采用美国Noraxon公司的Ultium-EMG传感器系统对受试者躯干肌群表面肌电数据进行采集。

1.4.1 电极片贴附位置与方法 本研究按照表面肌电图采集推荐标准[6]，共采集躯干9块肌肉的肌电信号，分别是：运动侧斜方肌、双侧胸段竖脊肌、双侧腰段竖脊肌、双侧腹外斜肌、双侧腹直肌。电极表面材料为氯化银，采样电极与感应电极间距为2 cm，电极方向与肌肉纤维平行。采样电极放置位置如下：①左侧和右侧胸部竖脊肌的表面电极放置在第10胸椎棘突左右旁开3 cm；②左侧和右侧腰部竖脊肌的表面电极放置在第3腰椎棘突左右旁开3 cm；③左侧和右侧腹直肌的表面电极放置在肚脐左右旁开2 cm；④左侧和右侧腹外斜肌的表面电极放置在肚脐左右旁开15 cm；⑤斜方肌的表面电极放置在斜方肌降部肌腹（图3）。使用酒精擦拭电极贴附处的皮肤以降低皮肤阻抗。

1.4.2 表面肌电图平均功率频率值测定和数据处理 受试者进行15次上肢前后向木插板运动过程中，测量其肌肉的MPF。每块肌肉的MPF取15次运动的平均值。采用16通道的Ultium-EMG感应器系统对患者的上肢和躯干肌肉电信号原始数据进行采集，分辨率24 bit，采样频率为2000 Hz，振幅范围100～5000 μV，频带10～500 Hz，共模抑制比＜-100 dB，使用matlab软件处理器3处理数据。

1.5 统计学方法 采用SPSS 21.0版统计软件进行数据分析，非正态分布的计量资料采用中位数（四分位数）表示，组内比较采用Wilcoxon检验，组间比较采用Mann-Whitney-U检验。两组间年龄采用独立样本t检验进行组间统计；两组间性别采用χ2检验。P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 基本情况 最终纳入受试者34例，其中卒中组17例，平均年龄55.1±12.9岁，男性13例（76.5%）；对照组17例，平均年龄54.4±11.2岁，男性12例（70.6%）。二组间年龄（t=0.170，P=0.866）、性别（χ2=0.311，P=0.577）等基线资料对比差异无统计学意义。

2.2 前后向置物-返回运动前后Borg自觉用力程度量表评分比较 对照组健康志愿者运动前后改良版Borg自觉用力程度量表评分差异无统计学意义（P＞0.05)，卒中组患侧和健侧上肢运动后改良版Borg自觉用力程度量表评分均较运动前升高，差异有统计学意义（表1）。

2.3 上肢进行前后向置物-返回动作过程中躯干肌表面肌电分析 卒中组在使用患侧上肢进行前后向置物-返回动作中，与对照组相应肌肉MPF相比，健侧腹直肌、患侧腹直肌、健侧腹外斜肌、患侧胸段竖脊肌的MPF均较低，差异具有统计学意义（均P＜0.05），而患侧斜方肌、患侧腹外斜肌、健侧胸段竖脊肌、健侧腰段竖脊肌和患侧腰段竖脊肌MPF与对照组相比，差异无统计学意义（均P＞0.05)（表2）。

卒中组在使用健侧上肢进行前后向置物-返回动作中，与对照组相应肌肉MPF相比，健侧腹直肌、患侧腹直肌、健侧腹外斜肌、患侧胸段竖脊肌的MPF均较低，差异具有统计学意义（均P＜0.05），而健侧斜方肌、患侧腹外斜肌、健侧胸段竖脊肌、健侧腰段竖脊肌和患侧腰段竖脊肌MPF与对照组相比，差异无统计学意义（均P＞0.05)（表3）。

3 讨论

本次试验结果显示卒中患者进行前后向置物-返回运动前后自觉疲劳程度有明显变化：与对照组相比，卒中患者上肢运动时，无论健侧还是患侧，均存在躯干双侧腹直肌、健侧腹外斜肌和患侧胸段竖脊肌肌肉疲劳情况。

图3 躯干肌表面电极片放置位置

表1 Borg自觉用力程度量表评分比较结果（单位：分）

表2 卒中组患侧上肢进行前后向置物-返回动作过程中平均功率频率与对照组比较结果（单位：Hz）

表3 卒中组健侧上肢进行前后向置物-返回动作过程中平均功率频率与对照组比较结果（单位：Hz）

既往人体运动学[7]、躯干动力学和躯干运动肌电模型的研究表明，双侧腹直肌负责躯干腰段前屈动作，一侧腹外斜肌负责向对侧旋转动作，胸段及腰段竖脊肌分别负责胸段及腰段伸直动作[8-9]。有研究使用运动学方法对卒中患者患侧上肢取杯饮水动作进行分析，发现患者躯干出现过度前屈和轴向旋转[10]，而本文中双侧腹直肌和健侧腹外斜肌疲劳的研究结果也印证了该文献的研究结果，其可能的原因是受试患者上肢仍未能完全发展出分离运动。健康人在向前置物时，使用肩前屈-肘伸直的运动策略向前运送物体，而向后原路返回时，使用肩后伸-肘屈曲动作向后运送物体，然而，卒中患者存在上肢屈曲共同运动模式，无法或只能部分完成肩前屈-肘部伸直、肩关节后伸-肘关节屈曲的分离动作，导致躯干多次使用前屈、向患侧旋转动作进行代偿，多次的代偿动作导致躯干相应肌肉疲劳程度增加。这提示在今后的临床实践中，为避免加重卒中患者用力疲劳度，应使用正确的上肢运动训练减少躯干代偿。

本研究结果还显示卒中患者健侧上肢运动时，也存在部分躯干肌疲劳状况，这可能与人体躯干肌神经支配相关。一方面，人体的一侧躯干肌受到来自端脑的双侧皮质脊髓束支配，即当患者健侧上肢运动时，其躯干肌肉也受到患侧病灶影响而出现运动障碍；另一方面，有研究表明，患者卒中后用力疲劳症状的发生与基底节和内囊梗死[25]或后循环损伤（脑干或丘脑损伤）有关[11]，而皮质脊髓束则正是经内囊后肢、大脑脚底中间部、桥底传导至延髓锥体，和上述文献描述位置高度重合，且本次受试的卒中患者均存在皮质脊髓束传导通路受损情况，由此可推测本试验之所以出现躯干肌肉疲劳的结果可能是因为患者患侧皮质脊髓束受损也增加了患者双侧躯干肌出现用力疲劳的风险。此外，Fodor等[12]研究显示，小鼠在衰老过程中，肌肉量减少和体力活动的减少会导致肌肉力量的部分丧失和疲劳性的增加，Derksen等[13]研究也表明，肌肉流失对研究对象疲劳程度有明显的影响，而卒中患者普遍存在的肌肉骨骼流失现象[14]。本研究中，卒中患者无论健侧还是患侧运动时，均出现部分躯干肌用力疲劳症状，其原因之一可能是卒中患者普遍存在的肌肉骨骼流失现象。

对于卒中患者来说，疲劳症状定义并不统一，且没有专门针对卒中后疲劳情况的评估量表[15]。目前，常用于评价卒中患者疲劳症状的量表，例如疲劳严重程度量表（fatigue severity scale，FSS）等均为对患者症状的主观性评分，缺乏客观评估手段。肌肉表面肌电信号频率代表了动作电位的传导速度，而动作电位的传导速度则与局部肌肉的疲劳程度直接相关[16]。已有研究者使用表面肌电图对患有神经性疾病的患者疲劳程度进行客观评价，Marusiak等[17]的研究结果显示，和正常人相比，帕金森患者在其症状发作阶段表面肌电MPF更低。然而，将表面肌电图技术应用于卒中患者肌肉用力疲劳评价的研究较少，Shahar等[18]在2019年发表的文章中，使用表面肌电图技术对卒中患者进行任务特异性活动和机器辅助性活动时上肢肌肉活动与疲劳问题进行研究，结果显示任务特异性活动中肱三头肌等肌肉出现肌电频率左移，代表肌肉出现疲劳，这与本文用于评判肌肉疲劳的标准一致。使用表面肌电图对卒中患者疲劳程度进行评估不仅可以对患者动态运动过程中肌电变化进行实时监测，且可以定量化评估肌肉的疲劳程度，为患者进一步训练计划制订和再评估提供客观标准。

良好的躯干控制是四肢运动的基础。Shin等[19]于2016年发表的一篇研究站立位下双上肢运动对躯干的影响研究显示，双上肢运动可以改善躯干控制功能。然而Alhwoaimel等[20]的文章指出，仍没有证据可证实卒中患者躯干训练是否影响上肢功能。本文结果显示，卒中患者躯干肌会随着双侧上肢运动出现疲劳情况，这为临床工作中，将耐力训练纳入卒中患者躯干运动训练提供了理论依据，也为进一步研究卒中患者躯干运动表现对上肢运动功能影响提供试验依据。

本次试验的不足之处：①纳入样本量较小，应开展大样本、多中心的随机对照试验；②未对入组患者的睡眠和抑郁情绪等可能对患者主观疲劳感觉和肌肉疲劳状态造成影响的因素进行系统评估；③未对入组患者病程加以限定，未来可对处于急性期、亚急性期和慢性期的患者分别进行研究。

综上所述，使用表面肌电图技术可客观有效评价卒中患者用力疲劳，卒中患者双上肢活动中均存在躯干肌疲劳情况，患者上肢前后向置物-返回动作过程中，双侧腹直肌、健侧腹外斜肌和患侧胸段竖脊肌更易疲劳。

【点睛】本文使用表面肌电图技术定量测量卒中患者上肢运动时的躯干肌肉疲劳情况，为临床训练方案设计提供理论基础。