表面肌电信号的临床应用——人体步态分析
导读
表面肌电(surface electromyography，sEMG)是一种客观反映神经肌肉系统生物电活动的检测手段和方法，具有非损伤性、多靶点检测以及肌电信号特征变化与内在生理病理改变一致性的特点。20世纪中期，加利福尼亚的一个研究小组(Inman，1981)首次在研究步行动作时加入了肌电信号的分析，之后的几十年里，随着肌电采集技术的发展，肌电信号已经成为人体步态分析中的重要信息。
表面肌电信号采集分析
一、步态分析基本概念
步行(walking)是指通过双脚的交互动作移行机体的人类特征性活动。
步态(Gait)是人类步行的行为特征，涉及行为习惯、职业、教育、年龄及性别等因素，也受到多种疾病的影响。步行的控制十分复杂，包括中枢命令、身体平衡及协调控制，涉及下肢各关节和肌肉的协同运动，同时也与上肢和躯干的姿势有关。任何环节的失调都可能影响步行和步态，而异常也有可能被代偿或掩盖。
步态周期和时相
步行周期(Gait Cycle)是指从一侧足跟着地到该侧足跟再次着地的时间过程，主要分为支撑相(Stance Phase)和摆动相(Swing Phase)两个时相。支撑相主要包括足跟接地、足掌着地、支撑中期、足跟离地、足趾离地5个环节。摆动相由加速期、摆动中期、减速期这3个环节构成。在一个正常的步行周期中，支撑相约占60%的时间，其中 10%的时间为双支撑相，摆动相约占40%的时间。
步态分析（gait analysis）是研究步行规律的检查方法，旨在通过生物力学和运动学手段，揭示步态异常的关键环节及影响因素，从而指导康复评估和治疗，也有助于临床诊断、疗效评估及机理研究等。
二、步态肌电参数分析
步态肌电活动参数主要为步行过程中下肢各肌肉的电活动，揭示肌肉活动与步态关系的肌肉电生理活动，是临床步态分析必不可少的环节。目前多采用表面电极记录步行时有关肌肉的电活动。表面肌电信号主要包括原始表面肌电信号和处理后的数据。
（1）表面肌电原始信号作为最直接的形式可显示肌电活动的发生和静息情况。
原始肌电信号的密集程度和幅度在一定程度上可反映收缩的幅度或力量，密集程度和幅度越高，表面肌电信号越强，则收缩越强。随着步态，右左侧股直肌、胫前肌、股二头肌、腓肠肌内侧的肌纤维运动单位的动作电位开始、结束，后出现一段时间的静息电位而呈现肌电的活动与静止周期性变化、右左侧同名肌肉肌电信号的密集程度和幅度基本对称并交替活动。
表面肌电信号采集原理
（2）处理后的数据由原始表面肌电信号通过信号处理中的全波整流、平滑和分析功能进行处理得出。
振幅：振幅变化主要反映肌肉活动时运动单位激活的数量、参与活动的运动单位类型以及其放电频率同步化程度，与不同肌肉负荷强度条件下的中枢控制功能有关。
肌电积分值：肌电积分值是对所测得表面肌电图信号进行整流平滑后单位时间内曲线下面积的总和，可以反映肌电信号随时间进行的强弱，其值的高低反映运动时参与肌肉收缩的肌纤维数目的多少和每个运动单位的放电大小。
平均频率：平均频率表示的是过功率谱曲线重心的频率。其高低与外周运动单位动作电位的传导速度、参与活动的运动单位类型以及其同步化程度有关。
中位频率：中位频率是指骨骼肌收缩过程中肌纤维放电频率的中间值，在正常情况下人体不同部位骨骼肌之间中位频率值高低差异较大，主要受肌肉组织中的慢肌纤维（Ⅰ型纤维）和快肌纤维（Ⅱ型纤维）的组成比例的影响。
软件处理后的表面肌电信号
三、常见异常步态
步态异常的常见分类有支撑相障碍和摆动相障碍。支撑相障碍主要包括支撑面异常、肢体不稳或躯干不稳等；摆动相障碍主要包括肢体廓清障碍、肢体行进障碍等。多数情况下，异常步态常合并存在，但也可以孤立存在。常见的异常步态主要分为以下几种。
常见的异常步态
肌肉软弱步态：周围神经损伤或其他多种因素所致的部分肌肉选择性软弱，可导致特定典型的异常步态。
肌痉挛步态：上运动神经元损伤等原因所致的肌张力增高常常可以引起不同的步态变化。
关节挛缩步态：步行时，下肢髋、膝、踝关节产生一定的运动角度以维持正常的步态。下肢关节活动度缩小至一定角度时，可引起步态改变；关节挛缩时，步态改变更加明显。
关节不稳步态：如髋关节脱位患者因髋关节不稳，导致患者在摆动期出现下肢控制障碍，出现步行时左右摇摆如鸭步等情况。
短腿步态：如一侧下肢缩短3cm以上，在患肢支撑相可见同侧骨盆及肩部下垂，常见患肢踮足代偿性步行。
疼痛步态：患者患侧疼痛时，常为了减轻疼痛而缩短患侧支撑相，对侧下肢摆动相速度加快、步长缩短，也称为短促步。
共济失调步态：患者因小脑或前庭功能受损，出现步行间距大小不一，步幅、步数不规则等情况，步行时全身不稳，又称为醉酒步态。
帕金森步态：患者呈现短而急促、阵发性加速及不能随意停止等步态，称为慌张步态或前冲步态。
四、异常步态的表面肌电评估
常见的异常步态分类较多，可由肌肉痉挛、肌肉软弱或关节挛缩等因素所致，对这些异常的肌肉收缩情况进行表面肌电评估分析，明确不同肌肉活动与步态周期时相之间的关系，为异常步态成因查找、疾病的评估和治疗方案的制订提供更多有利的信息。
（1）偏瘫患者步态的表面肌电研究
脑卒中后偏瘫患者最主要的功能障碍之一就是步行能力的下降。偏瘫患者因中枢性病变造成患侧上肢屈肌和下肢伸肌痉蛮，而导致敕个步态周期中髋、膝伸直痉蛮，髋内旋，足下垂及内翻，易出现足外侧或足前部着地导致廓清障碍，行走时患肢沿弧线摆动经外侧回旋向前，形成典型的“画圈”步态。所以步态的不对称性及胫后肌群等下肢伸肌群的过度活动是偏瘫步态的最主要特点。
虽然每个偏瘫步态患者的步态模式不固定，每个患者有特定的步态特点，但仍然存在着一些共性的肌电活动，且偏瘫步态患者不仅仅在患侧下肢存在肌电活动的异常，健侧下肢往往也存在着一定的肌肉激活改变。早期经过适当的干预方法和治疗后，异常的步态模式不仅在运动学或生物力学上达到一定的改变，而且能在肌肉激活程度及模式上也能得到一定的纠正。
（2） 脑瘫患者步态的表面肌电研究
脑瘫患者常出现运动功能尤其是粗大运动功能的障碍，如步行障碍。痉挛型脑瘫患儿因跖屈肌牵张反射亢进、腓肠肌痉挛，导致在支撑相早期足尖或足掌首先着地，患儿重心前移机制受损，站立相时间延长，步速减小，股四头肌痉蛮笔情况所致控制能力减弱，出现膝关节过伸；在支撑相晚期，脑瘫患儿因路屈肌群痉挛及跖屈角度受限，所致小腿三头肌蹬地动作发力减小；在摆动相，髋、膝、踝关节的屈曲角度减小及足下垂等原因可产生足趾拖地甚至绊倒等可能，也使其在步长、步速下降的同时增加步行能耗。
然而，脑瘫按照临床表现不同进行分类，不仅有痉挛型，还有不随意运动型、共济失调型、肌张力低下型、强直型和混合型等分型。因此，脑瘫患儿步行时的下肢表面肌电表现个体差异较大，也使临床上对此类患儿下肢的步态分析变得尤为复杂。
（3） 帕金森患者步态的表面肌电研究
帕金森病患者主要有静止性震颤、肌强直、动作迟缓、姿势不稳及步态障碍等临床表现。其中，步态障碍作为帕金森病主要的临床功能缺损之一，可出现起步困难、转向困难、步行时支撑相延长、步幅缩短等特征，俗称“冻结步态”，常出现在Hoehn-Yarh分级3级的惠者中，与疾病严重程度有着一定的关系。
虽然帕金森患者的冻结步态可存在步行启动和停止机制，但常存在步行阶段肌群肌肉协调性差而导致的控制能力减弱，目步态冻结常常突然发生，故常导致患者跌倒等损伤发生。因此，明确帕金森病患者步态异常的原因及步行时下肢肌肉的激活模式特征，对于康复训练的指导和步态的改善有着重要的作用。
Pourmoghaddam等在最新的研究中采用了表面肌电非线性分析方法SYNERGOS对帕金森病患者进行分析发现,非线性指标可以很好地区别服药及未服药时不同步行速度下帕金森病患者下肢肌肉激活的变化情况,但非线性等指标在帕金森病的评估研室中还外干探索阶段。
（4）膝关节骨性关节炎患者步态的表面肌电研究
膝关节骨性关节炎患者常因疼痛而导致关节运动角度等参数发生改变，使步态周期中支撑期所占时间延长。Lewek等研究了膝关节炎患者的步态和下肢肌群表面肌电特征发现，膝关节炎患者不仅存在额状面上的不稳，而且下肢股直肌-腓肠肌的协同收缩时间较正常人明显增加，提示膝关节炎患者存在特定的下肢肌群肌肉激活模式。Hubley等研究了43例膝关节炎患者在膝关节置换前1周和置换后1年膝下肢步行时的肌肉激活情况，发现膝关节置换后患者大腿前后肌群的肌电波幅整体降低，支撑中晚期肌肉激活减少，而腓肠肌在支撑相后期激活明显增加，从而证实了膝关节置换术后下肢肌肉的激活模式更接近于正常人。
（5）表面肌电的标准化
虽然大多数的下肢肌群表面肌电研究采取肌肉激活起始或结束时间、肌肉激活持续时间等参数，但也有些研究需对不同肌肉的激活程度进行分析。然而，每个患者的原始肌电值并不具备个体之间的可比性，故我们需要对患者的每块肌肉进行标准化计算，以获得肌肉的激活程度，从而方便个体之间的对比。肌电的标准化即将每块肌肉测试时所获得的表面肌电值除以该肌肉最大等长收缩时所获得的表面肌电值后，获得肌肉激活程度。
下肢肌群常见的最大等长收缩测试动作
表面肌电研究的临床意义
步态异常的表面肌电分析是整个复杂的步态分析系统中重要的一部分评估内容，可以为步行过程中下肢肌群的动态活动提供实时的信息参考。目前，针对正常人以及许多偏瘫、脑瘫、帕金森病等步态异常明显的疾病患者步行时下肢动态表面肌电变化特征分析已较为广泛。
步态分析是一个复杂的分析系统，每一个步行周期在时间控制、角度变化和肌肉激活上都有着或多或少的差异，不可能完全重复。因此，一个相对标准的评估方案可以尽量减小步行中不稳定因素对检测的影响，从而提高步态分析的准确性。
