杜文靜李慧慧胡寶花王 磊談恩民

1（中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院 深圳 518055）2（深圳市低成本健康重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 深圳 518055）3（桂林電子科技大學(xué)電子工程與自動(dòng)化學(xué)院 桂林 541004）4（南昌航空大學(xué) 南昌 330063）

痙攣對(duì)雙癱型腦癱兒童下肢肌肉相關(guān)性的影響

杜文靜1，2，3李慧慧1，2胡寶花4王 磊1，2談恩民3

1（中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院 深圳 518055）2（深圳市低成本健康重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 深圳 518055）3（桂林電子科技大學(xué)電子工程與自動(dòng)化學(xué)院 桂林 541004）4（南昌航空大學(xué) 南昌 330063）

為了探究雙癱腦性癱瘓兒童下肢肌肉相關(guān)性，并分析痙攣特性對(duì)雙癱患者下肢肌肉相關(guān)性的影響，文章采用表面肌電信號(hào)作為信息來源。對(duì) 12 例腦癱患兒進(jìn)行下肢腓腸肌和脛骨前肌肌電信號(hào)采集以及肌張力測(cè)試。信號(hào)經(jīng)過 Acqknowledge 軟件進(jìn)行濾波處理，所得數(shù)據(jù)采用 SPSS 19.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，痙攣特性減弱了雙癱患兒下肢肌肉相關(guān)性。該研究為腦癱患兒的基礎(chǔ)研究及康復(fù)訓(xùn)練提供了參考依據(jù)。

雙癱；腦癱；相關(guān)性；痙攣；表面肌電信號(hào)

1 引 言

腦性癱瘓（簡(jiǎn)稱腦癱）是指出生前至出生后 1個(gè)月內(nèi)，因?yàn)楦鞣N致病因素所導(dǎo)致的非進(jìn)行性腦損傷綜合征［1］，主要表現(xiàn)為中樞性運(yùn)動(dòng)障礙及姿勢(shì)異常［2，3］。痙攣型腦癱是腦性癱瘓最常見的類型，占 60%～70%［4］，因肌張力高，常引起肌腱攣縮和關(guān)節(jié)變形，導(dǎo)致步行不能或步態(tài)不穩(wěn)，是兒童致殘的主要疾病之一。在痙攣型腦癱患兒中，最常出現(xiàn)痙攣的部位是踝趾屈肌群，這些肌肉的痙攣導(dǎo)致患兒站立以及行走模式的異常甚至導(dǎo)致不能獨(dú)站或者獨(dú)走［5］。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于腦癱的研究，主要側(cè)重患者步態(tài)分析、治療方法、評(píng)估方法以及康復(fù)訓(xùn)練方法的研究。而對(duì)于不同特性患者自身肌肉之間相關(guān)性的研究卻比較少，如高寶勤等［6］對(duì)痙攣特性腦癱患兒痙攣肌肉局部注射 A 型肉毒毒素來改善下肢肌張力障礙，有一定的療效，潛在的暗示了肌肉的異常與肌張力之間是有關(guān)系的，但這種關(guān)系是否顯著并未得到證實(shí)。但是熊鍵等［7］認(rèn)為痙攣特性跟肌張力障礙之間是有區(qū)別的，他們?cè)?004 年探究了是因?yàn)榀d攣特性導(dǎo)致的肌肉激活的異常模式，還是因?yàn)榧埩φ系K而導(dǎo)致的肌肉激活的異常模式。結(jié)果顯示，在被動(dòng)運(yùn)動(dòng)和腱反射過程中根據(jù)肌肉激活可以區(qū)分痙攣型和肌張力障礙型腦癱，但該研究并沒有探究痙攣特性跟肌張力之間是否有一定的相關(guān)性。之后，Hagglund等［8］探究了腓腸肌的痙攣與患兒踝關(guān)節(jié)角度之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)腓腸肌的痙攣導(dǎo)致踝關(guān)節(jié)背曲角度減小。Androwis 等［9］發(fā)現(xiàn)前庭刺激對(duì)股四頭肌和肱二頭肌的肌電信號(hào)有一定的影響，改善了患兒的運(yùn)動(dòng)模式。這些研究表明痙攣特性對(duì)肌肉是有影響的，對(duì)肌肉活動(dòng)能力的改善有助于患兒的康復(fù)，但并未說明痙攣特性的肌肉跟無痙攣特性的肌肉之間的關(guān)系。因此，本文探究腦癱患兒下肢肌肉之間的相關(guān)性，并分析痙攣特性對(duì)患者相關(guān)性的影響，為腦癱兒童選擇適合、有效的治療與康復(fù)訓(xùn)練方式提供參考依據(jù)。

近幾年，對(duì)于腦癱兒童研究的主要信息源為表面肌電圖、聲肌圖、足底壓力、關(guān)節(jié)角度信號(hào)等，而國(guó)內(nèi)外最為常見的即涵蓋肌肉的信息特征又為無創(chuàng)操作的研究方式，當(dāng)屬肌肉表面肌電信號(hào)。表面肌電信號(hào)（Surface Electromyographic，sEMG）是伴隨肌肉活動(dòng)的生物電活動(dòng)在皮膚表面的綜合效應(yīng)的反映，其中蘊(yùn)涵了肌肉活動(dòng)的各種信息，并且在測(cè)量上具有非侵入的優(yōu)勢(shì)［10-12］，因此被廣泛用于康復(fù)醫(yī)學(xué)運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。何慶華、劉洪濤、許晶莉等［12-14］先后探究表面肌電信號(hào)在腦癱患者療效評(píng)估及康復(fù)訓(xùn)練評(píng)估方面的應(yīng)用，表明表面肌電信號(hào)能較好地反映患者肌肉活動(dòng)能力。Siddiqi 等［15］和 Ju 等［16］也使用表面肌電信號(hào)來探究人體肌肉的運(yùn)動(dòng)模式，結(jié)果顯示表面肌電信號(hào)能反映肌肉的激活情況。因此，選擇表面肌電信號(hào)作為腦癱患兒下肢肌肉活躍程度的信息參數(shù)是有效的。

2 研究對(duì)象和方法

2.1 對(duì) 象

12 名腦癱受試者來自深圳市殘疾人康復(fù)中心，由中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院及低成本健康重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科研人員協(xié)助完成實(shí)驗(yàn)。12 名患者均滿足：（1）年齡 2～12 歲；（2）雙癱腦性癱瘓；（3）無其他歷史疾病而導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)動(dòng)能障礙；（4）步態(tài)異常；（5）無因其他疾病而導(dǎo)致手術(shù)；（6）可以獨(dú)立行走或進(jìn)行輕微的扶持。

表1 腦癱測(cè)試患者信息Table 1 The information of subjects with cerebral palsy

測(cè)試者中，男 11 名，女 1 名，年齡 5.4±1.9歲，體重 17.1±5.0 kg，身高 103.8±12.7 cm。根據(jù)臨床測(cè)試評(píng)估理論，所有患者分為具有痙攣特性雙癱患者（組 I）和無痙攣特性雙癱患者（組II），兩組患者年齡、身高、體重等信息如表 1。所有受試者家長(zhǎng)及本人均自愿參加此次測(cè)試，受試前 24 小時(shí)內(nèi)未做劇烈運(yùn)動(dòng)，以排除過度運(yùn)動(dòng)殘余疲勞的影響。

2.2 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地

腦癱患者在深圳市殘疾人康復(fù)中心的步態(tài)測(cè)試室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的測(cè)試。

2.3 實(shí)驗(yàn)儀器

儀器為美國(guó) BIOPAC 公司生產(chǎn)的 MP150型多導(dǎo) sEMG 肌電記錄儀，TEL100C-RF 四通道無線遙測(cè)系統(tǒng)（遙測(cè)距離 75 米）。操作軟件Acqknowledge，4.2 版本?？稍诜糯笃魃线x擇增益，采樣率自由設(shè)定，MP150 型最大可以達(dá)到400 000 點(diǎn)/秒，16 位模數(shù)轉(zhuǎn)換［17］。

電極采用該公司生產(chǎn)的一次性銀/氯化銀心電監(jiān)護(hù)電極。電極粘附區(qū)直徑 52 mm；導(dǎo)電區(qū)直徑 10 mm。

脂肪主要提供脂類和必需脂肪酸，提供能量并幫助機(jī)體對(duì)脂溶性維生素的吸收。整個(gè)孕期孕婦平均增加體脂2～4千克。這是可調(diào)節(jié)重量，如果孕前體重比較重，可相應(yīng)減少孕期體脂的增重量，如果孕前體重比較輕，就應(yīng)該增加這部分的增加量。另外，胎兒儲(chǔ)備的脂肪是其體重的5%～15%。脂質(zhì)還是腦及神經(jīng)系統(tǒng)的重要成分，腦細(xì)胞組織脂肪中約1/3為亞油酸和亞麻酸，亞麻酸對(duì)髓鞘和細(xì)胞膜的生成更為重要，因此孕婦膳食中應(yīng)含有足夠的脂肪以提供飽和與多不飽和脂肪酸。

2.4 實(shí)驗(yàn)方法

受試者暴露雙下肢腓腸肌與脛骨前肌，室溫 25℃ 左右，電極定位，記錄電極與參考電極兩者中心連接方向與采樣肌肉纖維的長(zhǎng)軸方向平行，兩電極中心間距 20 mm。測(cè)試肌肉：左側(cè)腓腸肌、右側(cè)腓腸肌、左側(cè)脛骨前肌和右側(cè)脛骨前肌。受試者佩戴好測(cè)試儀器后，在步態(tài)測(cè)試平臺(tái)上靜止站立 1 分鐘后，開始沿著規(guī)定軌道以自己最為舒適的姿勢(shì)和步速在 5 米步態(tài)測(cè)試平臺(tái)上自由行走，利用 MP150 無線肌電采集儀的 4 個(gè)通道同時(shí)測(cè)試左右腓腸肌和左右脛骨前?。ㄍǖ?1采集左腿腓腸肌，通道 2 采集右腿腓腸肌，通道9 采集左腿脛骨前肌，通道 10 采集右腿脛骨前?。鐖D 1。每個(gè)人測(cè)試 3～5 次，每次試驗(yàn)前患者休息 2～3 分鐘，以避免肌肉疲勞，記錄每次測(cè)試結(jié)果，信號(hào)采集率為 1 000 Hz。

圖1 1 名腦癱患者的肌電信號(hào)采集過程Fig. 1 The procedure of collecting sEMG for a child with cerebral palsy

此外，康復(fù)醫(yī)師進(jìn)行了平衡能力及三頭肌張力測(cè)試，用于評(píng)估患者下肢運(yùn)動(dòng)能力［18］。

2.5 數(shù)據(jù)處理方法

將 MP150 表面肌電采集分析系統(tǒng)記錄的表面肌電原始波形消噪后，用 Acqknowledge 軟件進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和 Root-Mean-Square（RMS）處理，信號(hào)進(jìn)行 RMS 處理后，對(duì)每個(gè)波峰值進(jìn)行平均，再將每次平均后的值進(jìn)行平均，得到測(cè)試參數(shù)。

2.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

用 Excle 2013 進(jìn)行最大幅值計(jì)算，用 SPSS 19.0 軟件對(duì)不同肌肉表面肌電信號(hào)進(jìn)行 Pearson單側(cè)相關(guān)性分析，檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)采用 P＜0.05 為有顯著性意義［3］。

圖2 腦癱患兒下肢肌肉相關(guān)性比較Fig. 2 Comparison the relationship between lower-limb muscles and muscles from children with cerebral palsy

3 結(jié) 果

為了使數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，將三位數(shù)據(jù)處理人員所得數(shù)據(jù)進(jìn)行 t 檢驗(yàn)，結(jié)果顯示三組數(shù)據(jù)間無顯著性差異（P＞0.01）。每位測(cè)試者重復(fù)測(cè)試 3～5 次，同一人每次實(shí)驗(yàn)圖形相似，每次的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)取平均。根據(jù)患者下肢輕重程度，將患者下肢分為輕側(cè)與重側(cè)。將數(shù)據(jù)輸入 SPSS 軟件進(jìn)行 pearson 單側(cè)相關(guān)性分析，相關(guān)系數(shù)為 r，結(jié)果顯示如下所述。

3.1 肌肉與肌肉之間相關(guān)性比較

兩組腦癱患兒下肢腓腸肌與脛骨前肌肌肉相關(guān)性如圖 2 所示。組 I 腦癱兒童的下肢僅重側(cè)腓腸肌與重側(cè)脛骨前肌相關(guān)性較高（r=0.771）。組II 患兒的下肢重側(cè)腓腸肌與重側(cè)脛骨前肌顯著相關(guān)（r=0.877），而且輕側(cè)腓腸肌不僅與重側(cè)腓腸肌之間顯著相關(guān)性（r=0.832），還與重側(cè)脛骨前肌顯著相關(guān)（r=0.972）。

3.2 肌肉與三頭肌張力之間相關(guān)性比較

小腿三頭肌是小腿后部強(qiáng)有力的淺表羽狀肌，起屈踝、屈膝的作用，參與站立、行走、跑和跳。站立時(shí)，能固定踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)，以防止身體向前傾斜［19］。肌張力反映了肌肉的活躍水平，三頭肌張力影響著人體下肢肌肉電信號(hào)，導(dǎo)致表面肌電信號(hào)幅值變化。肌張力大小分為 5 種等級(jí)（從 0～4 級(jí)，依次由好到差）。

圖3 腦癱患兒下肢三頭肌張力與腓腸肌之間相關(guān)性比較Fig. 3 Comparison the relationship between the muscle tension of tricep and gastrocnemius from children with cerebral palsy

兩組腦癱兒童腓腸肌與三頭肌張力相關(guān)性如圖 3。結(jié)果顯示，組 I 患者輕側(cè)三頭肌張力與輕側(cè)腓腸肌肌肉之間相關(guān)性較高（r=0.822），組 II重側(cè)三頭肌張力與重側(cè)腓腸肌肌肉之間相關(guān)性顯著（r=0.887）。

3.3 肌肉與平衡能力之間相關(guān)性比較

平衡能力在人體日?；顒?dòng)能力中扮演著重要角色，尤其對(duì)下肢異常的腦癱兒童，平衡能力水平的高低直接決定著患兒下肢的行走能力。因此，對(duì)平衡能力的測(cè)試有助于評(píng)估異常下肢的活動(dòng)能力。腦癱兒童平衡能力測(cè)試評(píng)估即 Berg 測(cè)試，根據(jù)患者完成 14 項(xiàng)測(cè)試內(nèi)容的情況給出評(píng)分，每項(xiàng)測(cè)試內(nèi)容根據(jù)完成標(biāo)準(zhǔn)得分，范圍為0～4 分，總分 56。本研究以百分比系數(shù) RB（ratio of berg/56）來表示患者的平衡能力水平，如公式（1）。平衡率（RB）越大，平衡能力越好。

兩組患者平衡能力與肌肉之間相關(guān)性如圖 4所示。組 II 腦癱兒童輕側(cè)脛骨前肌與平衡能力之間相關(guān)性顯著（r=0.965）。

圖4 組 II 患者輕側(cè)脛骨前肌與平衡能力之間的線性關(guān)系Fig. 4 The relationship of balance ratio and tibialis anterior of less-dysfunctional legs of subjects without spasticity in group II

4 結(jié)果分析

相關(guān)性在下肢中主要反映的是運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性，正常人體下肢肌群之間具有較高的協(xié)調(diào)性［20］。如圖 2 所示，兩組測(cè)試者肌肉相關(guān)性的共性表現(xiàn)在，重側(cè)腓腸肌肌肉活躍程度隨著重側(cè)脛骨前肌肌肉活躍程度的增高而增高；存在的差異性也較為顯著，只有無痙攣特性雙癱患者輕側(cè)腓腸肌不僅與重側(cè)腓腸肌之間有較高的正相關(guān)性，還與重側(cè)脛骨前肌之間顯著相關(guān)。體現(xiàn)了兩組腦癱患兒下肢肌肉之間具有一定的相似性與差異性。三頭肌張力異常導(dǎo)致患者下肢姿勢(shì)異常，而三頭肌與腓腸肌之間有密切的協(xié)同作用。由圖 3 所示，有痙攣特性腦癱患者輕側(cè)腓腸肌與其輕側(cè)三頭肌張力相關(guān)性顯著，三頭肌張力隨著腓腸肌肌電信號(hào)幅值的增大而增高；無痙攣特性患兒重側(cè)腓腸肌與重側(cè)三頭肌張力顯著相關(guān)。表明痙攣型雙癱患兒，小腿三頭肌張力增高，使得其站立困難，踝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性能力降低，出現(xiàn)膝過伸展，尖足等，從而影響患兒的步態(tài)，給治療帶來困難。平衡能力測(cè)試得分，是患者身體協(xié)調(diào)性的外在表現(xiàn)。異常的肌肉活動(dòng)、異常的行走姿勢(shì)都會(huì)導(dǎo)致身體平衡能力下降。而對(duì)于腦癱患兒，其肌肉的萎縮，降低了肌肉本來的肌能，長(zhǎng)期以來導(dǎo)致步態(tài)發(fā)生變化。圖 4 表明，無痙攣特性患者輕側(cè)脛骨前肌與平衡能力之間相關(guān)性較高，而痙攣特性患者相關(guān)性不顯著。這暗示著，痙攣特性使得肌張力過高或過低，肌肉肌能發(fā)生異常，異常的肌肉不能較好地控制身體進(jìn)行姿態(tài)的變化，使得肌肉與平衡能力之間的協(xié)調(diào)性降低。這些特性有助于腦癱患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練時(shí)采用更適當(dāng)、更有效的康復(fù)訓(xùn)練方式。例如金彩君等［21］對(duì)痙攣特性腦癱患兒采用感覺統(tǒng)合訓(xùn)練，結(jié)果表明感覺統(tǒng)合訓(xùn)練更有利于痙攣特性患者步態(tài)訓(xùn)練，而電刺激療法往往對(duì)偏癱特性的患者有較好的作用［22］。

通過以上研究分析可知：（1）無痙攣特性患者下肢肌肉協(xié)調(diào)性比痙攣型患者下肢協(xié)調(diào)性好；（2）無痙攣特性患者平衡能力與下肢肌肉之間相關(guān)性顯著，而痙攣型患者平衡能力與下肢肌肉之間無顯著相關(guān)性；（3）痙攣型三頭肌張力與腓腸肌關(guān)系密切，無痙攣特性患者三頭肌與腓腸肌關(guān)系不顯著。因此，痙攣特性減弱了雙癱腦癱患者下肢肌肉相關(guān)性。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)腦癱兒童臨床治療及康復(fù)訓(xùn)練也有參考價(jià)值。

5 結(jié)束語

本文將表面肌電信號(hào)與肌張力，以及與平衡能力相結(jié)合，首次量化性地探究了雙癱患兒下肢肌肉之間，肌肉與三頭肌張力之間，以及肌肉與平衡能力之間的相關(guān)性，并且探究了痙攣特性對(duì)雙癱患者下肢相關(guān)性的影響，為腦癱患兒在康復(fù)訓(xùn)練時(shí)采用適當(dāng)、有效的訓(xùn)練方式提供了幫助。

本次研究也存在一些不足之處：一是患者年齡較小，認(rèn)知、自控能力較差，對(duì)測(cè)試者發(fā)出的請(qǐng)求未能得到較好地實(shí)施，影響了測(cè)試信號(hào)的準(zhǔn)確度與可信度，例如小孩未能聽從醫(yī)生，按規(guī)定平臺(tái)軌道行走，總是走出軌道；二是實(shí)驗(yàn)的測(cè)試方法，以及實(shí)驗(yàn)過程中未能及時(shí)調(diào)整不足之處，導(dǎo)致測(cè)試數(shù)據(jù)的不可用及未采集到肌電信號(hào)，比如實(shí)驗(yàn)過程中電極脫落、松動(dòng)未得到及時(shí)調(diào)整，很多信號(hào)未采集到，或采集的信號(hào)不準(zhǔn)確；三是測(cè)試患者數(shù)量較少，影響了結(jié)果的可靠性與有效性。今后實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，將吸取上述經(jīng)驗(yàn)，以求完善。

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The Influence of Spasticity on the Relationship of Muscle of Lower-Limb in Cerebral Palsy Children with Diplegia

DU Wenjing1， 2， 3LI Huihui1，2HU Baohua4WANG Lei1， 2TAN Enmin3
1（ Shenzhen Institutes of Advanced Technology， Chinese Academy of Sciences， Shenzhen 518055， China ）2（ Shenzhen Key Lab for Low-cost Healthcare， Shenzhen 518055， China ）3（ Electronic Engineering and Automation， Guilin University of Electronic Technology， Guilin 541004， China ）4（ School of Information Engineering， Nanchang Hangkong University， Nanchang 330063， China ）

In order to explore the correlation of lower-limb muscle of children with diplegia cerebral palsy， and analyze the influence of spasticity on lower-limb muscle relevance of those children， surface electromyography （SEMG） was used as the source of information. In experiment， both SEMG acquisition and muscle tension test of lower limbs gastrocnemius and anterior tibial muscle of twelve cerebral palsy children were carried out. Then，signals were filtered and root-mean-square disposed by Acqknowledge software， and statistical analysis about those obtained data was carried out using SPSS 19.0. The results show that spasticity bate the relevance of lowerlimb muscle of children with diplegia cerebral palsy. This research may provide a reference for basic research andrehabilitation training of cerebral palsy children.

diplegia； cerebral palsy； relationship； spasticity； surface electromyographic

R 742.3

A

2015-03-31

2015-06-01

國(guó)家自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目（61401454）；國(guó)家 863 計(jì)劃（2012AA02A604）；廣東省創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)（2011S013，GIRTF-LCH-T）；國(guó)家科技重大專項(xiàng)新一代寬帶無線移動(dòng)通信網(wǎng)（2013ZX03005013）；廣東省科技計(jì)劃國(guó)際合作項(xiàng)目（2012B05020004）

杜文靜，碩士研究生，研究方向?yàn)槿梭w運(yùn)動(dòng)及生物醫(yī)學(xué)圖像處理；李慧慧（通訊作者），助理研究員，研究方向?yàn)樯镝t(yī)學(xué)工程，E-mail：hh.li@siat.ac.cn；胡寶花，碩士研究生，研究方向?yàn)槿梭w運(yùn)動(dòng)及生物醫(yī)學(xué)圖像處理；王磊，研究員，研究方向?yàn)樯镝t(yī)學(xué)工程；談恩民，教授，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)輔助測(cè)試，電路可測(cè)性設(shè)計(jì)。