杜文靜李慧慧胡寶花王 磊談恩民

1（中國科學院深圳先進技術(shù)研究院 深圳 518055）2（深圳市低成本健康重點實驗室 深圳 518055）3（桂林電子科技大學電子工程與自動化學院 桂林 541004）4（南昌航空大學 南昌 330063）

痙攣對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（中國科學院深圳先進技術(shù)研究院 深圳 518055）2（深圳市低成本健康重點實驗室 深圳 518055）3（桂林電子科技大學電子工程與自動化學院 桂林 541004）4（南昌航空大學 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作為信息來源。對 12 例腦癱患兒進行下肢腓腸肌和脛骨前肌肌電信號采集以及肌張力測試。信號經(jīng)過 Acqknowledge 軟件進行濾波處理，所得數(shù)據(jù)采用 SPSS 19.0 軟件進行統(tǒng)計學分析。實驗結(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)研究及康復訓練提供了參考依據(jù)。

雙癱；腦癱；相關(guān)性；痙攣；表面肌電信號

1 引 言

腦性癱瘓（簡稱腦癱）是指出生前至出生后 1個月內(nèi)，因為各種致病因素所導致的非進行性腦損傷綜合征［1］，主要表現(xiàn)為中樞性運動障礙及姿勢異常［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，這些肌肉的痙攣導致患兒站立以及行走模式的異常甚至導致不能獨站或者獨走［5］。

國內(nèi)外對于腦癱的研究，主要側(cè)重患者步態(tài)分析、治療方法、評估方法以及康復訓練方法的研究。而對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。但是熊鍵等［7］認為痙攣特性跟肌張力障礙之間是有區(qū)別的，他們在2004 年探究了是因為痙攣特性導致的肌肉激活的異常模式，還是因為肌張力障礙而導致的肌肉激活的異常模式。結(jié)果顯示，在被動運動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)腓腸肌的痙攣導致踝關(guān)節(jié)背曲角度減小。Androwis 等［9］發(fā)現(xiàn)前庭刺激對股四頭肌和肱二頭肌的肌電信號有一定的影響，改善了患兒的運動模式。這些研究表明痙攣特性對肌肉是有影響的，對肌肉活動能力的改善有助于患兒的康復，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、有效的治療與康復訓練方式提供參考依據(jù)。

近幾年，對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)角度信號等，而國內(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，當屬肌肉表面肌電信號。表面肌電信號（Surface Electromyographic，sEMG）是伴隨肌肉活動的生物電活動在皮膚表面的綜合效應(yīng)的反映，其中蘊涵了肌肉活動的各種信息，并且在測量上具有非侵入的優(yōu)勢［10-12］，因此被廣泛用于康復醫(yī)學運動醫(yī)學等領(lǐng)域。何慶華、劉洪濤、許晶莉等［12-14］先后探究表面肌電信號在腦癱患者療效評估及康復訓練評估方面的應(yīng)用，表明表面肌電信號能較好地反映患者肌肉活動能力。Siddiqi 等［15］和 Ju 等［16］也使用表面肌電信號來探究人體肌肉的運動模式，結(jié)果顯示表面肌電信號能反映肌肉的激活情況。因此，選擇表面肌電信號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 研究對象和方法

2.1 對 象

12 名腦癱受試者來自深圳市殘疾人康復中心，由中國科學院深圳先進技術(shù)研究院及低成本健康重點實驗室科研人員協(xié)助完成實驗。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致運動動能障礙；（4）步態(tài)異常；（5）無因其他疾病而導致手術(shù)；（6）可以獨立行走或進行輕微的扶持。

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

測試者中，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)臨床測試評估理論，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。所有受試者家長及本人均自愿參加此次測試，受試前 24 小時內(nèi)未做劇烈運動，以排除過度運動殘余疲勞的影響。

2.2 實驗場地

腦癱患者在深圳市殘疾人康復中心的步態(tài)測試室進行實驗內(nèi)容的測試。

2.3 實驗儀器

儀器為美國 BIOPAC 公司生產(chǎn)的 MP150型多導 sEMG 肌電記錄儀，TEL100C-RF 四通道無線遙測系統(tǒng)（遙測距離 75 米）。操作軟件Acqknowledge，4.2 版本。可在放大器上選擇增益，采樣率自由設(shè)定，MP150 型最大可以達到400 000 點/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)護電極。電極粘附區(qū)直徑 52 mm；導電區(qū)直徑 10 mm。

脂肪主要提供脂類和必需脂肪酸，提供能量并幫助機體對脂溶性維生素的吸收。整個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，腦細胞組織脂肪中約1/3為亞油酸和亞麻酸，亞麻酸對髓鞘和細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 實驗方法

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軸方向平行，兩電極中心間距 20 mm。測試肌肉：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。受試者佩戴好測試儀器后，在步態(tài)測試平臺上靜止站立 1 分鐘后，開始沿著規(guī)定軌道以自己最為舒適的姿勢和步速在 5 米步態(tài)測試平臺上自由行走，利用 MP150 無線肌電采集儀的 4 個通道同時測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 采集右腿脛骨前肌），如圖 1。每個人測試 3～5 次，每次試驗前患者休息 2～3 分鐘，以避免肌肉疲勞，記錄每次測試結(jié)果，信號采集率為 1 000 Hz。

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

此外，康復醫(yī)師進行了平衡能力及三頭肌張力測試，用于評估患者下肢運動能力［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 軟件進行模數(shù)轉(zhuǎn)換和 Root-Mean-Square（RMS）處理，信號進行 RMS 處理后，對每個波峰值進行平均，再將每次平均后的值進行平均，得到測試參數(shù)。

2.6 統(tǒng)計學分析

用 Excle 2013 進行最大幅值計算，用 SPSS 19.0 軟件對不同肌肉表面肌電信號進行 Pearson單側(cè)相關(guān)性分析，檢驗標準采用 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)準確，將三位數(shù)據(jù)處理人員所得數(shù)據(jù)進行 t 檢驗，結(jié)果顯示三組數(shù)據(jù)間無顯著性差異（P＞0.01）。每位測試者重復測試 3～5 次，同一人每次實驗圖形相似，每次的對應(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，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，導致表面肌電信號幅值變化。肌張力大小分為 5 種等級（從 0～4 級，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?；顒幽芰χ邪缪葜匾巧?，尤其對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，對平衡能力的測試有助于評估異常下肢的活動能力。腦癱兒童平衡能力測試評估即 Berg 測試，根據(jù)患者完成 14 項測試內(nèi)容的情況給出評分，每項測試內(nèi)容根據(jù)完成標準得分，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動協(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。三頭肌張力異常導致患者下肢姿勢異常，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、異常的行走姿勢都會導致身體平衡能力下降。而對于腦癱患兒，其肌肉的萎縮，降低了肌肉本來的肌能，長期以來導致步態(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行康復訓練時采用更適當、更有效的康復訓練方式。例如金彩君等［21］對痙攣特性腦癱患兒采用感覺統(tǒng)合訓練，結(jié)果表明感覺統(tǒng)合訓練更有利于痙攣特性患者步態(tài)訓練，而電刺激療法往往對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。該實驗結(jié)果對腦癱兒童臨床治療及康復訓練也有參考價值。

5 結(jié)束語

本文將表面肌電信號與肌張力，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雙癱患者下肢相關(guān)性的影響，為腦癱患兒在康復訓練時采用適當、有效的訓練方式提供了幫助。

本次研究也存在一些不足之處：一是患者年齡較小，認知、自控能力較差，對測試者發(fā)出的請求未能得到較好地實施，影響了測試信號的準確度與可信度，例如小孩未能聽從醫(yī)生，按規(guī)定平臺軌道行走，總是走出軌道；二是實驗的測試方法，以及實驗過程中未能及時調(diào)整不足之處，導致測試數(shù)據(jù)的不可用及未采集到肌電信號，比如實驗過程中電極脫落、松動未得到及時調(diào)整，很多信號未采集到，或采集的信號不準確；三是測試患者數(shù)量較少，影響了結(jié)果的可靠性與有效性。今后實驗設(shè)計，將吸取上述經(jīng)驗，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

國家自然科學青年基金項目（61401454）；國家 863 計劃（2012AA02A604）；廣東省創(chuàng)新團隊（2011S013，GIRTF-LCH-T）；國家科技重大專項新一代寬帶無線移動通信網(wǎng)（2013ZX03005013）；廣東省科技計劃國際合作項目（2012B05020004）

杜文靜，碩士研究生，研究方向為人體運動及生物醫(yī)學圖像處理；李慧慧（通訊作者），助理研究員，研究方向為生物醫(yī)學工程，E-mail：hh.li@siat.ac.cn；胡寶花，碩士研究生，研究方向為人體運動及生物醫(yī)學圖像處理；王磊，研究員，研究方向為生物醫(yī)學工程；談恩民，教授，研究方向為計算機輔助測試，電路可測性設(shè)計。