表面肌電信號的臨床應用——人體步態分析
導讀
表面肌電(surface electromyography，sEMG)是一種客觀反映神經肌肉系統生物電活動的檢測手段和方法，具有非損傷性、多靶點檢測以及肌電信號特征變化與內在生理病理改變一致性的特點。20世紀中期，加利福尼亞的一個研究小組(Inman，1981)首次在研究步行動作時加入了肌電信號的分析，之后的幾十年里，隨著肌電采集技術的發展，肌電信號已經成為人體步態分析中的重要信息。
表面肌電信號采集分析
一、步態分析基本概念
步行(walking)是指通過雙腳的交互動作移行機體的人類特征性活動。
步態(Gait)是人類步行的行為特征，涉及行為習慣、職業、教育、年齡及性別等因素，也受到多種疾病的影響。步行的控制十分復雜，包括中樞命令、身體平衡及協調控制，涉及下肢各關節和肌肉的協同運動，同時也與上肢和軀干的姿勢有關。任何環節的失調都可能影響步行和步態，而異常也有可能被代償或掩蓋。
步態周期和時相
步行周期(Gait Cycle)是指從一側足跟著地到該側足跟再次著地的時間過程，主要分為支撐相(Stance Phase)和擺動相(Swing Phase)兩個時相。支撐相主要包括足跟接地、足掌著地、支撐中期、足跟離地、足趾離地5個環節。擺動相由加速期、擺動中期、減速期這3個環節構成。在一個正常的步行周期中，支撐相約占60%的時間，其中 10%的時間為雙支撐相，擺動相約占40%的時間。
步態分析（gait analysis）是研究步行規律的檢查方法，旨在通過生物力學和運動學手段，揭示步態異常的關鍵環節及影響因素，從而指導康復評估和治療，也有助于臨床診斷、療效評估及機理研究等。
二、步態肌電參數分析
步態肌電活動參數主要為步行過程中下肢各肌肉的電活動，揭示肌肉活動與步態關系的肌肉電生理活動，是臨床步態分析必不可少的環節。目前多采用表面電極記錄步行時有關肌肉的電活動。表面肌電信號主要包括原始表面肌電信號和處理后的數據。
（1）表面肌電原始信號作為最直接的形式可顯示肌電活動的發生和靜息情況。
原始肌電信號的密集程度和幅度在一定程度上可反映收縮的幅度或力量，密集程度和幅度越高，表面肌電信號越強，則收縮越強。隨著步態，右左側股直肌、脛前肌、股二頭肌、腓腸肌內側的肌纖維運動單位的動作電位開始、結束，后出現一段時間的靜息電位而呈現肌電的活動與靜止周期性變化、右左側同名肌肉肌電信號的密集程度和幅度基本對稱并交替活動。
表面肌電信號采集原理
（2）處理后的數據由原始表面肌電信號通過信號處理中的全波整流、平滑和分析功能進行處理得出。
振幅：振幅變化主要反映肌肉活動時運動單位激活的數量、參與活動的運動單位類型以及其放電頻率同步化程度，與不同肌肉負荷強度條件下的中樞控制功能有關。
肌電積分值：肌電積分值是對所測得表面肌電圖信號進行整流平滑后單位時間內曲線下面積的總和，可以反映肌電信號隨時間進行的強弱，其值的高低反映運動時參與肌肉收縮的肌纖維數目的多少和每個運動單位的放電大小。
平均頻率：平均頻率表示的是過功率譜曲線重心的頻率。其高低與外周運動單位動作電位的傳導速度、參與活動的運動單位類型以及其同步化程度有關。
中位頻率：中位頻率是指骨骼肌收縮過程中肌纖維放電頻率的中間值，在正常情況下人體不同部位骨骼肌之間中位頻率值高低差異較大，主要受肌肉組織中的慢肌纖維（Ⅰ型纖維）和快肌纖維（Ⅱ型纖維）的組成比例的影響。
軟件處理后的表面肌電信號
三、常見異常步態
步態異常的常見分類有支撐相障礙和擺動相障礙。支撐相障礙主要包括支撐面異常、肢體不穩或軀干不穩等；擺動相障礙主要包括肢體廓清障礙、肢體行進障礙等。多數情況下，異常步態常合并存在，但也可以孤立存在。常見的異常步態主要分為以下幾種。
常見的異常步態
肌肉軟弱步態：周圍神經損傷或其他多種因素所致的部分肌肉選擇性軟弱，可導致特定典型的異常步態。
肌痙攣步態：上運動神經元損傷等原因所致的肌張力增高常常可以引起不同的步態變化。
關節攣縮步態：步行時，下肢髖、膝、踝關節產生一定的運動角度以維持正常的步態。下肢關節活動度縮小至一定角度時，可引起步態改變；關節攣縮時，步態改變更加明顯。
關節不穩步態：如髖關節脫位患者因髖關節不穩，導致患者在擺動期出現下肢控制障礙，出現步行時左右搖擺如鴨步等情況。
短腿步態：如一側下肢縮短3cm以上，在患肢支撐相可見同側骨盆及肩部下垂，常見患肢踮足代償性步行。
疼痛步態：患者患側疼痛時，常為了減輕疼痛而縮短患側支撐相，對側下肢擺動相速度加快、步長縮短，也稱為短促步。
共濟失調步態：患者因小腦或前庭功能受損，出現步行間距大小不一，步幅、步數不規則等情況，步行時全身不穩，又稱為醉酒步態。
帕金森步態：患者呈現短而急促、陣發性加速及不能隨意停止等步態，稱為慌張步態或前沖步態。
四、異常步態的表面肌電評估
常見的異常步態分類較多，可由肌肉痙攣、肌肉軟弱或關節攣縮等因素所致，對這些異常的肌肉收縮情況進行表面肌電評估分析，明確不同肌肉活動與步態周期時相之間的關系，為異常步態成因查找、疾病的評估和治療方案的制訂提供更多有利的信息。
（1）偏癱患者步態的表面肌電研究
腦卒中后偏癱患者最主要的功能障礙之一就是步行能力的下降。偏癱患者因中樞性病變造成患側上肢屈肌和下肢伸肌痙蠻，而導致敕個步態周期中髖、膝伸直痙蠻，髖內旋，足下垂及內翻，易出現足外側或足前部著地導致廓清障礙，行走時患肢沿弧線擺動經外側回旋向前，形成典型的“畫圈”步態。所以步態的不對稱性及脛后肌群等下肢伸肌群的過度活動是偏癱步態的最主要特點。
雖然每個偏癱步態患者的步態模式不固定，每個患者有特定的步態特點，但仍然存在著一些共性的肌電活動，且偏癱步態患者不僅僅在患側下肢存在肌電活動的異常，健側下肢往往也存在著一定的肌肉激活改變。早期經過適當的干預方法和治療后，異常的步態模式不僅在運動學或生物力學上達到一定的改變，而且能在肌肉激活程度及模式上也能得到一定的糾正。
（2） 腦癱患者步態的表面肌電研究
腦癱患者常出現運動功能尤其是粗大運動功能的障礙，如步行障礙。痙攣型腦癱患兒因跖屈肌牽張反射亢進、腓腸肌痙攣，導致在支撐相早期足尖或足掌首先著地，患兒重心前移機制受損，站立相時間延長，步速減小，股四頭肌痙蠻筆情況所致控制能力減弱，出現膝關節過伸；在支撐相晚期，腦癱患兒因路屈肌群痙攣及跖屈角度受限，所致小腿三頭肌蹬地動作發力減小；在擺動相，髖、膝、踝關節的屈曲角度減小及足下垂等原因可產生足趾拖地甚至絆倒等可能，也使其在步長、步速下降的同時增加步行能耗。
然而，腦癱按照臨床表現不同進行分類，不僅有痙攣型，還有不隨意運動型、共濟失調型、肌張力低下型、強直型和混合型等分型。因此，腦癱患兒步行時的下肢表面肌電表現個體差異較大，也使臨床上對此類患兒下肢的步態分析變得尤為復雜。
（3） 帕金森患者步態的表面肌電研究
帕金森病患者主要有靜止性震顫、肌強直、動作遲緩、姿勢不穩及步態障礙等臨床表現。其中，步態障礙作為帕金森病主要的臨床功能缺損之一，可出現起步困難、轉向困難、步行時支撐相延長、步幅縮短等特征，俗稱“凍結步態”，常出現在Hoehn-Yarh分級3級的惠者中，與疾病嚴重程度有著一定的關系。
雖然帕金森患者的凍結步態可存在步行啟動和停止機制，但常存在步行階段肌群肌肉協調性差而導致的控制能力減弱，目步態凍結常常突然發生，故常導致患者跌倒等損傷發生。因此，明確帕金森病患者步態異常的原因及步行時下肢肌肉的激活模式特征，對于康復訓練的指導和步態的改善有著重要的作用。
Pourmoghaddam等在最新的研究中采用了表面肌電非線性分析方法SYNERGOS對帕金森病患者進行分析發現,非線性指標可以很好地區別服藥及未服藥時不同步行速度下帕金森病患者下肢肌肉激活的變化情況,但非線性等指標在帕金森病的評估研室中還外干探索階段。
（4）膝關節骨性關節炎患者步態的表面肌電研究
膝關節骨性關節炎患者常因疼痛而導致關節運動角度等參數發生改變，使步態周期中支撐期所占時間延長。Lewek等研究了膝關節炎患者的步態和下肢肌群表面肌電特征發現，膝關節炎患者不僅存在額狀面上的不穩，而且下肢股直肌-腓腸肌的協同收縮時間較正常人明顯增加，提示膝關節炎患者存在特定的下肢肌群肌肉激活模式。Hubley等研究了43例膝關節炎患者在膝關節置換前1周和置換后1年膝下肢步行時的肌肉激活情況，發現膝關節置換后患者大腿前后肌群的肌電波幅整體降低，支撐中晚期肌肉激活減少，而腓腸肌在支撐相后期激活明顯增加，從而證實了膝關節置換術后下肢肌肉的激活模式更接近于正常人。
（5）表面肌電的標準化
雖然大多數的下肢肌群表面肌電研究采取肌肉激活起始或結束時間、肌肉激活持續時間等參數，但也有些研究需對不同肌肉的激活程度進行分析。然而，每個患者的原始肌電值并不具備個體之間的可比性，故我們需要對患者的每塊肌肉進行標準化計算，以獲得肌肉的激活程度，從而方便個體之間的對比。肌電的標準化即將每塊肌肉測試時所獲得的表面肌電值除以該肌肉最大等長收縮時所獲得的表面肌電值后，獲得肌肉激活程度。
下肢肌群常見的最大等長收縮測試動作
表面肌電研究的臨床意義
步態異常的表面肌電分析是整個復雜的步態分析系統中重要的一部分評估內容，可以為步行過程中下肢肌群的動態活動提供實時的信息參考。目前，針對正常人以及許多偏癱、腦癱、帕金森病等步態異常明顯的疾病患者步行時下肢動態表面肌電變化特征分析已較為廣泛。
步態分析是一個復雜的分析系統，每一個步行周期在時間控制、角度變化和肌肉激活上都有著或多或少的差異，不可能完全重復。因此，一個相對標準的評估方案可以盡量減小步行中不穩定因素對檢測的影響，從而提高步態分析的準確性。
