等速被动运动模式下脑卒中患者下肢痉挛肌群表面肌电信号的特征

郭京伟，葛瑞东，白硕，王家玺，吴帅，王乐

1.中日友好医院康复医学科，北京市 100029；2.太阳宫社区卫生服务中心康复医学科，北京市 100028；3.亦庄医院中医科，北京市 100176；4.北京中医药大学，北京市 100029

0 引言

中枢性瘫痪引起的痉挛是一种因牵张反射亢进而导致的以速度依赖性肌张力增高、肌肉僵直为特征的运动障碍，被动运动时肌梭受到的牵拉速度越快，肌张力越高[1]。既往的表面肌电图(surface electromyography,sEMG)研究认为，脑卒中患者痉挛肢体被动运动的角速度越快，被测肌肉的均方根值(root mean square,RMS)和积分肌电值(integrated EMG,iEMG)越高[2-4]。但是，不同肌张力水平的脑卒中患者是否都符合这一规律，以及角速度与RMS和iEMG 之间是否存在线性关系，尚未见报道。

本研究通过观察健康受试者和不同肌张力水平的偏瘫患者伸膝肌群在等速被动运动模式下不同角速度时sEMG 的变化，以期发现脑卒中患者下肢痉挛肌群sEMG 的特征规律，旨在为应用sEMG 参数量化评估脑卒中患者痉挛肢体的肌张力提供实验依据。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取2016 年10 月至2020 年7 月在中日友好医院康复医学科门诊或住院康复治疗的脑卒中偏瘫患者32例，并招募年龄匹配的患者家属11例作为对照组。

诊断标准：全国第四届脑血管病会议提出的脑血管病诊断标准[5]，并经颅脑CT或MRI确诊。

纳入标准：①生命体征平稳，并且神经缺失症状稳定；②格拉斯哥昏迷量表(Glasgow Coma Scale,GCS)评分>8 分，并且神志清楚，主动配合；③年龄18～80 岁；④偏瘫侧膝关节伸展肌群肌张力水平为改良Ashworth 量表(modified Ashworth Scale,MAS)分级≤ 1+级；⑤受试者知情同意。

排除标准：①双膝关节被动活动度小于114°；②双膝关节被动活动疼痛；③双下肢骨折、肿瘤、感染、动静脉血栓等不宜被动运动；④认知障碍；⑤贴表面电极部位有瘢痕、毛发过多或局部皮肤破溃。

据前期检验功效分析(f=0.4,alpha=0.05,power=0.8)计算所得：sEMG指标具有显著统计学差异至少需要的样本量为每组7 例，按照通常20%的样本脱落率，故选取每组至少9例样本。采用MAS评估偏瘫患者偏瘫侧伸膝肌群的肌张力，将32例偏瘫患者按照伸膝肌群的肌张力水平分为MAS 0 组、MAS 1 组、MAS 1+组。见表1。

表1 4组一般资料比较

本研究经中日友好医院伦理委员会审查通过(No.2016-72)。所有受试者均于测试前签署知情同意书。

1.2 方法

1.2.1 测试仪器

采用等速运动测力与训练系统(美国BIODEX 公司)进行等速被动运动，采用ME6000-T8 表面肌电图仪(芬兰MEGA公司)进行sEMG采集。

1.2.2 sEMG采集

肌电采集对象是偏瘫侧股直肌及股四头肌外侧头。近端电极分别置于股直肌及股四头肌外侧头的肌腹最高处，远端电极分别置于同一肌肉近端电极的远端并紧贴近端电极放置，同一肌肉的两电极中心相距1 cm，且与该肌肉的肌纤维走向平行，参考电极贴于近端、远端电极的中间外侧5 cm处。肉眼观察受试者的肌肉收缩或伸膝等长抗阻时触诊肌腹，以此校正电极贴附位置的准确性。测试前用酒精和细砂纸进行皮肤处理。采用ME6000-T8 的2 个通道，采样率≥ 1000 Hz，分辨率16 bits，频率10～500 Hz，共模抑制比110 dB，采用MegaWin软件进行数据处理。

观察4组在静止(基线)及4种角速度等速被动运动下偏瘫侧股直肌和股四头肌外侧头的RMS、iEMG。

1.2.3 等速被动运动测试

受试者在等速运动测力与训练系统座椅上取端坐位，躯干固定于座椅靠背，保持屈髋90°。检查者先采用MAS 徒手进行伸膝肌群的肌张力测定，根据MAS 评估结果将受试者分为MAS 0 级组、MAS 1 级组和MAS 1+级组。将受试者被测下肢远端(脚踝上方)固定在等速运动测力与训练系统动力臂的固定件上，保证被测下肢膝关节运动轴心与等速运动测力与训练系统动力臂旋转轴心位于同一水平线上，嘱受试者被测下肢放松。正式测试时，选用等速运动测力与训练系统的等速被动运动模式(角速度相等)，膝关节活动范围设置为0°～屈膝114°，先后采用90°/s、150°/s、210°/s和270°/s 4种角速度进行测试，每一种角速度重复被动运动8次，中间休息1 min。同步采集等速被动运动过程中股直肌和股四头肌外侧头的sEMG 信号。所有受试者的测试过程均由同一检查者完成。

1.3 统计学分析

采用SPSS 19.0 进行统计分析。计量资料符合正态分布，以()表示，组内比较采用单因素重复测量方差分析。显著性水平α双侧=0.05。

2 结果

对照组、MAS 0 组股直肌和股四头肌外侧头在基线和4 种角速度下的RMS、iEMG 比较均无显著性差异(P>0.05)。MAS 1 组股直肌和股四头肌外侧头在270°/s 角速度下的RMS、iEMG 分别大于基线和其他三种角速度(P<0.05)，其余角速度间比较无显著性差异(P>0.05)。MAS 1+组股直肌和股四头肌外侧头在基线和4 种角速度下的RMS、iEMG 比较均有显著性差异(P<0.05)。见表2～表5。

表2 4组股直肌RMS比较 单位：μV

表3 4组股直肌iEMG比较 单位：μV·s

表4 4组股四头肌外侧头RMS比较 单位：μV

表5 4组股四头肌外侧头iEMG比较 单位：μV·s

3 讨论

痉挛是一种典型的上运动神经元损伤的阳性体征，常见于脑卒中、脊髓损伤、颅脑损伤和帕金森病等中枢神经系统疾病，其主要表现有肌张力增高、肌肉僵硬、肌肉抽搐等。严重的痉挛往往造成患者运动障碍、日常生活活动困难和护理困难等一系列问题，如脑卒中后肌肉痉挛可严重制约运动控制功能，并可能进而导致不可逆的关节挛缩。因此，定量评估肌肉痉挛是神经康复领域的重要课题之一。然而，痉挛是肌肉的一种病理状态的神经生理表现，较难直接量化评估，因此成为神经康复领域的一个棘手问题。本研究在等速被动运动模式下，模拟临床上常用的MAS评估法中快速被动关节活动测定肌张力的方法，通过sEMG 记录患者痉挛肌肉的某些特征性的肌电信号，旨在找到一种在康复临床上切实可行的，并具有较高信度、效度和敏感度的全新的痉挛定量评估方法。

国内外对于痉挛及痉挛评估的研究已开展多年，并已发展出主观、客观两大类痉挛评估方法。主观评估法指检查者依靠观察及徒手操作主观判断痉挛程度，常用方法如Ashworth 量表法(Ashworth Scale for Spasticity,ASS)和MAS。上述评估法均属于徒手检查法，因其操作简便，现已发展为临床中痉挛评估最常用的方法。但检查者的主观判断能力及对痉挛的辨别能力均使其敏感度、检查者间信度等受到一定限制。另外，从统计意义上看，实测评分有向中间级别(2～4级)集中的趋势，评估的敏感性受到一定影响[6-7]。

客观评估痉挛的方法可大致分为传统神经电生理评估法、生物力学方法和sEMG 评测法三类。前两种各自存在一些难以用技术手段弥补的缺陷。痉挛的机制可能不仅是神经活性和传导特性的改变，而涉及更复杂的多方面因素，故神经电生理指标只能从一个侧面反映痉挛的程度[8]。生物力学方法最主要问题是无法区分被记录的阻力力矩中反射成分和非反射成分，反射成分由牵张反射的高兴奋所造成，非反射成分由上位运动神经元损伤继发的肌肉挛缩、纤维化等肌肉组织、结缔组织生物力学特征变化所致[9]。

sEMG 是一种非创伤性检查方法，应用方便。sEMG 信号分析因其能够在一定程度上反映运动单位募集和同步化等中枢控制因素，以及肌肉兴奋传导速度等外周因素的共同作用，且上述因素与脑卒中状态下中枢神经控制功能障碍关系密切，故采用sEMG 信号分析技术评估脑卒中后神经肌肉系统功能状态成为近年来神经康复研究的一个重要课题[10]。随着sEMG在临床和基础研究中应用的深入，国内外出现一些将sEMG 作为一种痉挛评估方法的研究。有研究测试脑卒中后偏瘫侧股直肌的13种sEMG 信号指标，进而比较徒手肌力测试、ASS 与sEMG 信号指标的相关性，结果发现，ASS 和静息下股直肌RMS 呈正相关[3]。国外研究证实，肌肉静力收缩时的iEMG 与肌力和肌张力一定程度上呈正相关[11]。国内也有学者观察A 型肉毒毒素注射治疗痉挛型双瘫患儿前后sEMG 的变化，发现治疗后相关肌肉的iEMG 值下降，iEMG 与MAS的相关性分析亦发现iEMG与MAS呈线性相关，证实iEMG 可以较好地评估痉挛[12]。另外，相较等速被动测试，采用sEMG 评估痉挛的另一个重要优势是可以一定程度鉴别痉挛及挛缩。痉挛肌肉的iEMG 上升，而挛缩肌肉的iEMG 无明显变化[13]。另外，已有研究将等速运动与sEMG 结合，观察持续踝关节等速被动运动对脑卒中患者下肢sEMG 及肌痉挛的影响，研究显示实验组在等速被动运动前患侧腓肠肌的RMS 显著高于对照组，证实RMS 增高可一定程度反映肌纤维收缩时张力的异常上升[14]。由此可见，应用sEMG的一些时域指标，如RMS和iEMG 可以反映静态和动态时的肌肉张力水平。但是，将sEMG 作为一种定量评估痉挛程度的检测方法，还需要进一步明确肌肉在被动运动时RMS和iEMG指标的变化规律。

Biering-Sørensen 等[15]指出，ASS 和MAS 因其简便，在临床应用方面依然有价值；生物力学方法和神经电生理学评估方法都有其各自的优势与不足，找到一种将它们结合起来，并有较高的信度和效度的新的痉挛评估方法将是今后研究的方向[15]。本研究将等速被动模式与sEMG 结合，观察不同肌张力水平的偏瘫患者的股直肌和股四头肌外侧头在不同被动运动角速度下肌电参数的变化，结果发现脑卒中患者痉挛肢体被动运动的角速度与被测肌肉的RMS、iEMG 之间并不完全是线性正相关的关系。痉挛程度较低(MAS 1级)的患者在较低角速度(90°/s～210°/s)下被动活动肢体，其肌张力水平不会增高，只有在较高的角速度下被动活动，才能诱发牵张反射。提示我们在使用sEMG 作为评估肌张力的检测方法时，要在较高的角速度下被动活动患者的被测肢体，并利用等速设备的被动模式，才能确保评估结果的准确和可靠。

本研究还评测患者同一肌群股直肌和股四头肌外侧头对评测结果的影响。尽管它们都属于伸膝肌群的一部分，但股直肌同时跨越髋关节和膝关节，股四头肌外侧头则只跨越膝关节。所以，被动运动时髋关节的屈伸角度可能对股直肌的张力产生影响。结果显示，在坐位(屈髋90°)时，被动运动引起的股直肌和股四头肌外侧头的肌张力变化的规律是一致的。由于MAS 2 级及以上的患者数量过少，本研究暂未纳入此类患者，重度痉挛肌群的sEMG 特征将在今后进一步研究。

综上所述，sEMG 各项参数中，RMS 与iEMG 在不同肌张力水平的偏瘫患者中呈现出不同的随着角速度变化的规律；在同一肌张力水平的患者中测得的RMS 和iEMG 随角速度变化的规律一致；肌张力正常的偏瘫患者与健康受试者无论在低速还是高速被动运动时的RMS 和iEMG 均无变化。因此，RMS 和iEMG可以反映痉挛程度，等速被动运动模式下sEMG 量化评估痉挛的方法可用于评估脑卒中下肢痉挛，该方法的信度、效度和敏感度仍需进一步研究。

利益冲突声明：所有作者声明不存在利益冲突。