表面肌电图在步态分析中的应用

表面肌电图在步态分析中的应用

作为一种重要的运动分析手段之一，semg表面活性剂（semg）形成了一个完整的运动分析系统，该系统可以充分分析受试者的步行功能，并对测量时间距离参数进行评估。由于具有无创性、整体性、多导测量等优点,因此近年来它不仅被用于基础科学的研究,而且广泛应用于临床。国外已广泛地用于术前评估、手术方案的制订、术后随访。不仅用于成人,也用于儿童。例如人工关节置换术前后、脑瘫患儿矫正术前后的评定,假肢、矫形器(如踝足矫形器,anklefootorthosis,AFO)和其它辅助器具功效的评价,以及对运动损伤、偏瘫步态、足下垂步态等病理步态的评定等。胫前后肌群因对步行中踝关节的控制作用极为重要,而在很大程度上决定或影响步态的特征,所以步行中胫前后肌群的SEMG历来是这一领域研究的热点之一。1支撑期和摆动期运动(移动)必备的3个基本条件是:前进性(progression)、稳定性(stability)和适应性(adaptation)。前进性或移动性是通过腿部肌肉产生的节律性协调运动,以及躯干朝着目标方向移动身体而确保完成的。稳定性是产生并维持适合运动的姿势和要求具备移动身体的动态稳定能力的反映。适应性是指步态能够满足个人目标的需要,并与环境要求相适应的能力。人的步态可分为支撑期和摆动期,每个分期都必须完成这3个任务,才能实现成功地移动。在支撑早期,踝关节跖屈6-15°,胫前肌(tibialisanteriormuscle,TA)离心收缩对抗足跖屈,以防止脚掌拍击地面,确保下肢的稳定性,所以此时TA有第1个明显的活动高峰;从脚掌着地到支撑中、后期,踝关节从跖屈15°到背伸10°,腓肠肌和比目鱼肌离心收缩,对抗足背伸,以控制小腿前倾,故此时腓肠肌内侧头(medialheadofgastrocnemiusmuscle,MG)活动显著。从足跟离地到足趾离地,踝从背伸15°到跖屈20°,MG等胫后肌群继续充分收缩,使足跖屈,产生人体向前移动的推动力。而在摆动初期,踝关节背伸到中立位,TA再次收缩,以防止脚尖在地板上拖曳,保证前进性很好地完成,因而此时TA出现第2个小的活动高峰。从摆动中期(迈步中期)到末期,腿摆动的速度由快到慢,MG活动明显减弱或静止,以使足跟能够平稳地着地,这也是移动的稳定性与适应性的要求与体现。2正常状态下胫骨前后的semg特征和机制与胫前后肌群的正常活动相对应,步行中这2组肌群的表面肌电变化也极为规律。2.1正常步骤下的ta和mg特征2.1.1摆动终末期segm国外多数观点认为:TA等胫前肌群在支撑初期肌电活动最强,表现为第1个较大的活动高峰,对应的SEMG波幅最大;随后在支撑中末期活动完全消失,相应的SEMG处于电静息状态;进入摆动早期,TA活动再次轻度增强,表现为第2个较小的活动高峰,在摆动终末期,活动减弱或消失。而对于MG等多数胫后肌群,仅在支撑终末期,有很大的肌电活动,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SEMG为电静息表现,见图1、2a-b。2.1.2肌电活动的持续国内也有部分观点认为:胫前肌群在支撑中末期仍有很少量的肌电活动,因此相应的SEMG持续有很小波幅的波存在,其余看法同观点一,见图2a-b。2.1.3摆动期肌电活动我们在对5例青年健康受试者的10m自由步行测试中,从双侧TA、MG记录的SEMG原始图形(图3a-b,4a-b)明确显示:正常步态周期中,TA几乎持续存在肌电活动,仅在支撑末期可以出现约0.04-0.08s的短暂电静息,并且先后在支撑初期、摆动早期有2个活动高峰(前者较大,后者较小)。MG在摆动中末期,可记录到一个较小的梭形波,说明在正常步态的摆动中末期MG确实存在轻度的肌电活动。健康人步行时TA的肌电活动存在着优势侧与非优势侧较明显的差异,但总体看来,两侧胫前后肌群的收缩负荷比均等。此外,无论是积分肌电值(integratedEMG,IEMG),还是均方根值(rootmeansquare,RMS),TA的收缩负荷比都较MG大,表明正常人在自由行走过程中,TA的肌电活动较MG更活跃,因而也就更容易发生肌肉疲劳。国外部分SEMG用于步态分析的相关研究,与我们记录的结果一致。Patricia等记录的1例右侧偏瘫患者平地行走中R-MG的SEMG原始图形显示:在大的梭形主波后的摆动中期内,有一个较小的梭形波存在,见图5a-b。Richard在大鼠慢速行走过程中,从大鼠腓肠肌记录到的摆动期的SEMG,也有类似波形,见图6。而在哺乳动物里,灵长目和啮齿目的亲缘关系极近,进而可以推知摆动中期的小腿后部伸肌肌群的轻度肌电活动,可能是哺乳类动物步行(尤其是缓慢步行)时共有的规律。2.2主动缩短和被动延长运动方式1973年,Goslow等对猫的步态周期的研究中,将每个步态周期的摆动期分成F期与E1期,把支撑期分为E2期与E3期,并分别对猫的髋、膝、踝屈、伸肌群在F期、E1期、E2期、E3期的肌肉活动方式的变化规律进行了阐述,踝跖屈肌群(MG为主),在摆动初期的F期为被动拉长(passivelengthening,PL),到E1期则转变为主动缩短(activeshortening,AS);进入支撑期的E2期又变为主动拉长(activelengthening,AL),而到E3期,重新变成AS。与之对应的踝背屈肌群(TA为主),则依次为AS、AL、PL、AL的运动方式,见表1及图7。进而可以推知:健康人步行时从MG记录到的摆动中期小的梭形波的SEMG,正是MG主动向心性收缩的反映,考虑该波与步行速度有关,当缓慢步行或自由步行时,由于摆动期的延长,而使TA的AL活动增强并且时间延长,与之对应的拮抗肌MG的AS遂得以充分显现,它实质上属于不必要的下肢肌肉的过度活动,在正常步态腓肠肌的SEMG中可以表现出来,也可不显示。3semg特征和机制3.1患侧mg支撑期波幅和收缩时间我们进一步对2例脑出血后遗症所致的偏瘫患者(1例右侧偏瘫,1例左侧偏瘫)步态进行研究发现,偏瘫患者10m自由步行同步记录的双侧胫前后肌群SEMG表现为患侧MG与TA同步收缩;患侧MG摆动期静息状态消失,代之以近乎连续的许多小波存在;患侧MG支撑期的波幅较正常显著减小,收缩时间缩短;患侧TA的2个肌电活动高峰均不明显;几乎在健侧MG的每个摆动中期均可见一个小的梭状波存在,也是健侧MG主动收缩的反映,说明健侧摆动期MG不必要的过度活动显著增多,可能与偏瘫患者的步行速度缓慢有关。患侧IEMG或RMS的收缩负荷比明显小于健侧。总之,偏瘫步态的SEMG主要表现为患侧MG与TA的正常拮抗收缩状态减弱或丧失,以及患侧MG过度活跃,同时伴有患侧TA的肌电活动减弱。国内、外有关偏瘫患者静态或动态运动条件下,下肢肌群的SEMG研究报告,与上述结果一致,大多认为偏瘫侧下肢拮抗肌群的协同收缩运动失调,为偏瘫步态的胫前后肌群的SEMG特征。3.2下肢伸肌群的变化偏瘫患者因脑的中枢性病变造成患侧上肢屈肌和下肢伸肌痉挛,而导致整个步态周期中,髋、膝伸直痉挛,髋内旋,足内翻下垂,行走时患肢沿弧线摆动经外侧回旋向前,形成典型的“回旋”步态,或“划圈”步态。所以步态的不对称性及MG等下肢伸肌群的过度活动是偏瘫步态的最主要特点。患者的偏瘫侧下肢拮抗肌群的协同收缩失调的规律,也势必会在SEMG上得以反映。4减轻肌电活动AFO一般可降低TA和MG的肌电活动,有利于2组肌群在步行中相对休息,减轻功耗与疲劳,减小各肌群的收缩差异,提高它们的协调性,改善足下垂患者的步态;而对于严重痉挛者,则促进它们的肌电活动,增加运动单位的募集,与一般情况有所不同。国内外相关文献认为:AFO可以改善患者两侧步态的协调性。5segm测试步行中胫前后肌群SEMG的检测作用有:①通过MG或TA自身特征性的表面肌电信号变化,可较准确地区分步态周期。②10m自由步行的双胫前后肌群的SEMG测试,可得出主要运动学参数。③量化双下肢对应的受试肌SEMG参数差异,判断协同收缩性和肌力。④通过客观、细致地评定受试者的步行功能,有利于指导和促进患者的康复治疗。6康复医学研究的展望可以预见,随着对SEMG的逐步深入研究,其在临床的应用将会