吳瓊，張通，叢芳，潘鈺，吳瑞斌

我國是全球卒中危險因子暴露水平較高國家之一，大約3/4腦卒中患者遺留有不同程度的偏側(cè)運動功能障礙，其中步行和下肢功能障礙比例高達(dá)80%[1]，步行能力的恢復(fù)是偏癱康復(fù)的重點和難點。類似生理負(fù)重狀態(tài)下垂直完成重復(fù)性模擬步態(tài)訓(xùn)練，如減重步行訓(xùn)練，有利于提高中樞神經(jīng)通路的傳遞效率，擴(kuò)大下肢運動區(qū)在大腦皮層的支配范圍，促進(jìn)神經(jīng)功能重塑和運動再學(xué)習(xí)[2]。水中平板步行訓(xùn)練(underwater treadmill training, UWTT) 是一種特殊形式的步行訓(xùn)練形式，是利用水及活動平板的特性，促進(jìn)下肢功能恢復(fù)的訓(xùn)練方法[3]。大量研究證實UWTT可改善腦卒中偏癱患者平衡功能、步行功能、心肺功能、下肢肌力以及日常生活活動能力[4-7]。然而由于水中環(huán)境的特殊性、復(fù)雜性，腦卒中偏癱患者UWTT訓(xùn)練過程中下肢步態(tài)特征、肌電活動等運動參數(shù)尚不明確。本研究將利用UWTT系統(tǒng)、便攜式三維運動步態(tài)和無線表面肌電系統(tǒng)檢測腦卒中偏癱患者完成UWTT或陸地步行過程中步態(tài)參數(shù)及肌電信號，獲取UWTT運動模式對腦卒中偏癱患者步行運動特征的影響。

1 資料與方法

1.1 一般資料 本研究于2015 年1 月～11 月在中國康復(fù)研究中心北京博愛醫(yī)院理療科水療室完成。招募25名腦卒中住院患者作為受試者。納入標(biāo)準(zhǔn)：首次卒中，偏側(cè)肢體功能障礙，經(jīng)頭顱CT或MRI證實；病情穩(wěn)定，病程1～6個月；具有一定平衡功能，Berg平衡量表(Berg balance scale,BBS)評分>40分，且約翰霍普金斯跌倒風(fēng)險評估量表(Johns Hopkins fall risk assessment scale，JHFRAS)評分<13分；具有一定步行能力，患側(cè)下肢Brunnstrom分期≥4期，功能性步行量表(functional ambulation category scale, FAC)≥3級，可平地獨立步行10m以上；能理解并完成動作性指令；體質(zhì)量指數(shù)(body mass index，BMI)：18.5～23.9 kg/m2。排除標(biāo)準(zhǔn)：合并其他神經(jīng)系統(tǒng)及下肢骨關(guān)節(jié)疾??；患側(cè)下肢各關(guān)節(jié)被動活動度受限或跟腱攣縮，患側(cè)下肢踝關(guān)節(jié)伸肌改良Ashworth分級(modified Ashworth scale,MAS)>I+級；合并癲癇、重要器官衰竭或傳染??；恐水及嚴(yán)重認(rèn)知、言語、精神、心理障礙，不能配合；受試前2h進(jìn)行過劇烈運動。本研究經(jīng)北京博愛醫(yī)院藥物臨床試驗機(jī)構(gòu)倫理委員會批準(zhǔn)[倫理號：(2015)K(025)]，并在http://www. chictr. org. cn 注冊(ChiCTR2000040112)。所有患者均在試驗前簽署知情同意書，排除不完整及信號質(zhì)量較差的數(shù)據(jù)，最終納入20名受試者的數(shù)據(jù)，受試者一般資料見表1。

表1 受試者基本信息

1.2 方法 ①運動數(shù)據(jù)采集設(shè)備:采用HLKF-Reha Gait無線慣性步態(tài)分析系統(tǒng)及HLKF-sEMG表面肌電信號采集系統(tǒng)評估腦卒中受試者運動數(shù)據(jù)。將高性能嵌入式微處理數(shù)據(jù)采集傳感器(內(nèi)含加速度計、陀螺儀等慣性測量模塊)分別固定在受試者雙下肢股骨前側(cè)中點、脛骨近端內(nèi)側(cè)、足背以及骶骨處，采集步態(tài)參數(shù)[9]。對受試者雙側(cè)下肢關(guān)鍵肌肌腹進(jìn)行皮膚處理(包括刮除汗毛，局部使用砂紙及酒精擦拭等)，具體包括股直肌(rectus femoris，RF)、脛前肌(anterior tibial，TA)、腓腸肌外側(cè)(lateral gastrocnemius，LGA)、股二頭肌(biceps femoris，BF)。將表面肌電傳感器沿肌纖維走向，貼于肌腹最高點，將采集頻率設(shè)置為1000 Hz，記錄運動過程中肌電信號變化[10-11]。步態(tài)分析系統(tǒng)及表面肌電系統(tǒng)信號采集范圍均為50 m，系統(tǒng)間通過GaitWatch步態(tài)同步軟件(廣州章和)連接進(jìn)行數(shù)據(jù)同步采集。②UWTT設(shè)備：采用HM-200T型Aquamill 水中步行運動系統(tǒng)(日本酒井醫(yī)療株式會社)進(jìn)行測試。該系統(tǒng)具有不銹鋼浴槽，可自動循環(huán)換水，調(diào)節(jié)水溫。通過浴槽側(cè)方的超大雙層夾膠鋼化玻璃可清楚直觀地觀察受試者步態(tài)、平衡情況。根據(jù)受試者身高調(diào)整放水量，水深調(diào)節(jié)范圍為0～120cm。電腦控制電動平板步行速度及方向，具有前、后方噴流功能，平板運行速度范圍為6～133m/min。浴槽設(shè)有安全扶手及緊急停止按鈕，扶手高度距平板1m。

1.3 評價標(biāo)準(zhǔn) ①臨床評價及數(shù)據(jù)采集：采用改良版Borg自覺用力程度量表測量受試者運動中的主觀疲勞程度(rating of perceived exertion, RPE)。該量表將抗阻運動中的主觀感受分為10個等級，其中0表示非常輕松，2表示輕松，4表示較為輕松，6表示較為吃力，8表示很吃力，10表示相當(dāng)吃力且?guī)缀醪荒芡瓿伞Ｔ趯嶒為_始前，向受試者解釋各等級的標(biāo)準(zhǔn)含義[12]。陸地步行(land walk, LW)數(shù)據(jù)采集：受試者暴露雙下肢，室溫25℃左右，進(jìn)行適應(yīng)性活動(包括站立、步行)3～5 min后正式開始步行測試。囑患者以自感輕松地用力程度(RPE：2級)沿直線行走，記錄此時受試者步行速度，并要求其保持步行3～5 min，選取較為穩(wěn)定的連續(xù)1 min步態(tài)片段進(jìn)行分析[13]。測試過程中治療師在受試者身旁1m范圍內(nèi)進(jìn)行保護(hù)，并記錄其可能發(fā)生的氣促、胸痛等不適；如受試者者出現(xiàn)不適或體力難支可及時給予保護(hù)并暫?；蚪K止測試。UWTT步行數(shù)據(jù)采集：傳感器及數(shù)據(jù)傳送器表面使用醫(yī)用防水敷料(美國3M)進(jìn)行初步防水覆蓋。受試者穿好定制全身連體防水服完成二次防水，進(jìn)入HM-200T型Aquamill 水中步行運動系統(tǒng)，水位調(diào)整至劍突水平，水溫30～33℃。受試者進(jìn)入水槽后首先適應(yīng)性活動(包括站立、步行)3～5 min。隨后電動活動平板以0.1 m / s的速度逐漸增加，直到受試者可以自感輕松地用力程度(RPE：2級)進(jìn)行步行。記錄此時的平板運行速度，并要求受試者以此速度步行3～5 min，選取較為穩(wěn)定的連續(xù)1 min步態(tài)片段進(jìn)行分析。測試過程中治療師通過側(cè)窗觀察受試者步行安全性，并記錄其可能發(fā)生的氣促、胸痛等不適；如受試者者出現(xiàn)不適或體力難支可隨時通過UWTT水槽內(nèi)的扶手保持安全，并通過緊急停止按鍵暫停或終止測試。同一受試者在完成陸地測試后進(jìn)行UWTT測試，兩次測試之間至少間隔30 min。數(shù)據(jù)處理：從步態(tài)及肌電分析測試系統(tǒng)導(dǎo)出原始數(shù)據(jù)，導(dǎo)入Matlab 7.0 軟件完成信號歸一化、降噪、平滑、濾波、抽樣、采集、疊加、繪圖等步驟，獲得腦卒中患者步態(tài)周期時空參數(shù)以及測試肌肉的主要運動信號特征，并進(jìn)行統(tǒng)計處理。②主要觀察指標(biāo)：觀察兩種環(huán)境下腦卒中受試者步態(tài)周期時空參數(shù)、表面肌電參數(shù)以及健側(cè)-患側(cè)下肢之間的差異(以下簡稱為差值)。時空參數(shù)包括步行周期、步長、步速、步頻、雙側(cè)下肢擺動相百分比(percentage of swing phase，SP%)以及差值。表面肌電參數(shù)包括受試者健側(cè)及患側(cè)RF、TA、LGA、BF表面肌電參數(shù)，具體為每塊肌肉在平均單個步行周期內(nèi)的積分肌電值(integral electromyography, iEMG)以其差值[14-15]。

2 結(jié)果

2.1 步態(tài)參數(shù) 在自感輕松地用力狀態(tài)下，腦卒中患者UWTT過程中步頻、步速、健側(cè)步長、患側(cè)步長、雙側(cè)步長差異均顯著降低于LW(均P<0.05)，步行周期顯著高于LW(P<0.05)；各步態(tài)時相在步行周期的百分比方面，患側(cè)下肢SP%顯著降低于LW(P<0.05)；健側(cè)SP%及SP%差值未見顯著性差異。見表2。

表2 不同步行環(huán)境下腦卒中患者步態(tài)參數(shù)

2.2 sEMG特征 在自感輕松地用力狀態(tài)下，腦卒中患者UWTT過程中，無論健側(cè)、患側(cè)還是健患側(cè)差值BF、RF、TA的iEMG值均顯著低于LW(均P<0.05)；在UWTT狀態(tài)下，無論健側(cè)或患側(cè)LGA，iEMG值較LW均未見顯著差異，但LGA的健側(cè)患側(cè)iEMG差異顯著低于LW(P<0.05)。見表3。

表3 不同步行環(huán)境下腦卒中患者iEMG值 M(P25，P75)

3 討論

腦卒中患者發(fā)病后，損傷腦區(qū)的皮質(zhì)脊髓下行通路受損，極大依賴間接的、腦干介導(dǎo)的下行傳導(dǎo)束以及網(wǎng)狀脊髓束，運動恢復(fù)以軀干及肢體近端為主、缺乏準(zhǔn)確性、對稱性，步行方面表現(xiàn)為典型的偏癱步態(tài)[16]。大量研究證實了UWTT具有改善腦卒中偏癱患者運動功能的作用，尤其是《腦卒中水中運動治療中國循證臨床實踐指南(2019版)》明確提出推薦利用水中運動治療[7]，包括UWTT對腦卒中患者進(jìn)行平衡功能、步行功能、心肺功能、下肢肌力以及日常生活活動能力訓(xùn)練[17-19]。

本研究采用便攜式三維運動采集分析系統(tǒng)和無線表面肌電系統(tǒng)采集腦卒中偏癱患者UWTT過程中實時的步態(tài)及表面肌電圖特征，其目的不在于比較患者康復(fù)治療效果，而是以陸地步行為參考，探索UWTT狀態(tài)下腦卒中患者的運動特征，為深入研究腦卒中后步行功能恢復(fù)神經(jīng)機(jī)制，改進(jìn)UWTT處方奠定基礎(chǔ)。這種針對腦卒中患者UWTT過程中實時、同步、多運動參數(shù)采集的研究在國內(nèi)外尚屬首次。本研究結(jié)果提示，在自感輕松的用力狀態(tài)下，與陸地步行相比，當(dāng)水深為劍突水平時腦卒中患者UWTT過程中總體表現(xiàn)為步速慢、步長短而較為對稱；與之相對應(yīng)，雙下肢大部分肌肉活動減少、健/患側(cè)差異縮??；至于雙側(cè)腓腸肌，雖然肌電活動無明顯下降，但也顯現(xiàn)健/患側(cè)差異縮小的特點。以上運動特征的形成可能源于平板步行運動及水中環(huán)境特性的融合。

平板步行訓(xùn)練是一種典型的任務(wù)導(dǎo)向性訓(xùn)練，在完整的步態(tài)周期內(nèi)，通過反復(fù)、節(jié)奏性、強(qiáng)制使用患側(cè)肢體輔助步態(tài)訓(xùn)練。對于腦卒中偏癱患者，平板步行訓(xùn)練產(chǎn)生的下肢運動感覺可觸發(fā)脊髓中樞模式發(fā)生器(central pattern generators，CPG)活動。CGP產(chǎn)生節(jié)律性活動控制，如在站立相，通過加強(qiáng)伸肌活動抑制邁步；在站立相末，通過反饋降低載荷，啟動邁步，維持站立相到邁步相的轉(zhuǎn)換；并通過接收皮膚感覺調(diào)整步伐，以適應(yīng)不同的地面及障礙物。此外，活動平板對于下肢的帶動作用以及恒定的步行節(jié)律性可以補償患側(cè)下肢力弱、改善蹬地推動力、減少邁步的不對稱性，從而改善步態(tài)，減少耗能。不僅如此，CPG 的持續(xù)激活有助于整個中樞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的廣泛重組，對腦卒中后運動恢復(fù)有積極影響[20-21]。大量研究顯示，平板步行及減重平板步行訓(xùn)練有助于緩解腦卒中偏癱患者下肢痙攣、提高下肢肌肉活動、平衡功能、步行耐力及步態(tài)時空參數(shù)的對稱性[22]。而當(dāng)腦卒中患者采用CPG模式的外骨骼機(jī)器人進(jìn)行站立時，其雙下肢比目魚肌、RF的平均iEMG顯著降低，股外側(cè)肌和RF的肌電信號對稱性也獲得明顯改善[23]。另一方面，水中環(huán)境也會對腦卒中患者步態(tài)造成影響。當(dāng)水位位于劍突水平時，受試者下肢負(fù)荷為陸地步行時的30%[24-25]，使患者可進(jìn)行減重步行訓(xùn)練。不僅如此，水中運動時，浮力的支托效應(yīng)會顯著增加受試者屈髖幅度[26-27]，彌補伸膝肌群肌力不足導(dǎo)致的膝關(guān)節(jié)屈曲或過伸模式[28]。此外，在本研究中，受試者在陸地和UWTT環(huán)境未采取相同的步行速度，而以相同的用力程度作為步行參數(shù)。這是因為同樣步行速度下，水中運動時黏滯阻力的抗阻效應(yīng)與運動速度顯著相關(guān)，因此UWTT時運動強(qiáng)度和難度會顯著增加。尤其對于存在步行障礙的腦卒中偏癱患者，在首次接觸UWTT系統(tǒng)時即采用與陸地步行相同的步行速度進(jìn)行測試，容易造成動作變形，難以反映受試者的自然步態(tài)特征[29]。

UWTT與水中步行也有明顯不同，這些差異主要在于平板運動對步行模式的影響。UWTT過程中，傳送帶以穩(wěn)定速度不斷向后運動，促使受試者髖關(guān)節(jié)伸展，增加屈髖肌群離心收縮張力，輔助屈髖動作產(chǎn)生；同時牽拉腓腸肌，增加踝關(guān)節(jié)跖屈及對地面的推進(jìn)力。尤其對于腦卒中偏癱患者，雙下肢交替邁步可阻止患者依賴健肢，防止獲得性失用。此外相較于水中步行，UWTT模式還具有易于觀察受試者完整步態(tài)周期運動表現(xiàn)，無需吊帶或漂浮物輔助，運動參數(shù)易于控制及安全性好的特點。值得注意的是，本研究結(jié)果顯示，腦卒中患者UWTT過程中腓腸肌肌電活動與陸地步行時類似?？赡艿脑蚴?，一方面前進(jìn)過程中矢狀位黏滯阻力抵消了部分浮力的減重作用，腓腸肌的活動并沒有顯著下降。另一方面，平板的輔助作用降低了步行運動的難度，使健側(cè)與患側(cè)肌電活動差距縮小。 在這種運動模式下，腦卒中偏癱患者步行訓(xùn)練完成難度相對降低，有助于形成良好的步態(tài)特征，避免異常模式的形成。但以上結(jié)果的出現(xiàn)需要嚴(yán)格控制訓(xùn)練參數(shù)，如果水中步行速度加快、增加湍流或噴流、或者水深有較大變化，可能導(dǎo)致明顯差異。

本研究存在一些不足：首先，由于研究過程中傳感器及電極脫落，信號質(zhì)量差等情況，導(dǎo)致樣本量較小，數(shù)據(jù)脫落量較大；其次，笨重的連體乳膠防水服可能會對步態(tài)及肌電信號產(chǎn)生影響；然后，iEMG指標(biāo)并不能提供肌電活動周期性及峰值等信息。最后，本研究步態(tài)參數(shù)僅涉及時空參數(shù)，缺乏關(guān)節(jié)角度、足底壓力及動量分析；另外，UWTT訓(xùn)練模式豐富，還可以結(jié)合天軌懸吊系統(tǒng)進(jìn)行雙重減重步行訓(xùn)練[30]，不同訓(xùn)練模式對受試者步態(tài)、肌電活動影響巨大，尚需進(jìn)一步研究。本研究結(jié)果提示，在自感輕松地用力狀態(tài)下，腦卒中患者UWTT過程中表現(xiàn)為步態(tài)及下肢肌電活動對稱性提高，有助于改善其及步態(tài)對稱性。下一步需要在此基礎(chǔ)上改進(jìn)研究方案，擴(kuò)大樣本量，進(jìn)行不同運動模式下水中關(guān)節(jié)角度、動量分析與表面肌電相關(guān)性的研究。UWTT治療模式的運動生理學(xué)、神經(jīng)控制機(jī)制以及對腦卒中患者的康復(fù)效果尚需進(jìn)一步研究。