表面肌电图在骨科康复中的应用

表面肌电图应用于康复医学的目的，是进行肌肉运动学分析，判断肌肉组织的状态正常与否。即从肌电图中可以判断肌肉是否活动及活动程度，活动是否过于敏捷或过于弛缓，各个肌肉的活动关系如何以及肌肉是否疲劳等。利用肌电图可以评价肌肉骨骼组织疾病、中枢神经系统疾病所致肌肉动作模式变化，指导治疗方案并评价治疗效果。在控制引导异常肌肉动作向正常状态转化的过程中，肌电图把肌肉活动用视觉、听觉信号体现出来，也就是把它变换成图像和声音信号，进行生物反馈治疗。

在骨科康复中，目前多应用于下腰痛、腰椎间盘突出症、骨关节炎、脊髓损伤等疾病的研究。

1．下腰痛 下腰痛（low back pain，LBP）在临床很常见，主要症状是腰背疼痛和运动功能障碍，多数病因不明确。目前LBP的诊断主要依靠患者主诉和物理检查。影像学检查有助于明确特异性腰痛病因如椎间盘突出、软组织疾病等，但腰背肌的运动功能的评价缺少客观指标。近年来，许多学者选用表面肌电图对LBP患者进行研究，取得一定的成果。

（1）LBP诊断和疗效评定

①屈曲-松弛现象：是发现于正常人群的肌电现象，即腰椎最大屈曲时竖脊肌肌电活动与静息状态下相似。Neblett等应用sEMG和ROM（range of movement）对正常受试者和慢性LBP患者进行研究。应用平均sEMG、总sEMG和腰骶ROM作为指标。发现所有正常受试者都有屈曲松弛现象，而大多数慢性LBP患者不存在屈曲松弛现象。众多研究均证明屈曲-放松肌电测试能够将下腰痛患者和正常人群准确区分开来，通过进行多种方式的测试可以提高sEMG的敏感性和特异性。进一步研究的方向需要确定联合测试方案法以便高效、可靠、准确地进行LBP的诊断。

②王健等研究慢性非特异性LBP患者腰部肌肉活动的sEMG信号特征及主动运动治疗对sEMG信号特征的影响效应。正常对照组和非特异性LBP患者主动运动治疗前后依次完成“等长-动态-等长”运动负荷试验，采集双侧L5～S1sEMG信号，计算比较平均肌电（AEMG）、平均功率频率（MPF）等指标变化情况。发现动态运动负荷过程中LBP患者MPF均值明显低于正常人，主动运动治疗前后患者MPF值均增高。认为运动负荷试验过程中LBP患者腰部肌肉sEMG指标有多种不同于正常人的信号特征，这些特征有望成为LBP诊断和疗效评定的有效指标。

（2）肌肉疲劳的评估：肌肉的收缩调节依靠运动单位的募集数量和放电频率，因此决定了肌电信号的幅值和频率。临床上常用表面肌电图来评估和检测肌肉疲劳，最常用的分析方法是频率和波幅分析。频率分析的指标有中位频率（MF）、平均功率频率（MPF）及其各自的斜率，而波幅分析的指标是均方根（RMS），主要反映疲劳过程中肌肉的活动情况。当肌肉运动至疲劳时，肌纤维的兴奋传导速度减慢，运动单位放电频率下降，主要表现为MF和MPF值的下降以及PSD波峰左移（图2-72），而波幅一般有一定的增加。

图2-72　肌肉疲劳后PSD波峰左移MDF

A．弯腰搬运重物前L1水平竖脊肌肌电PSD；B．弯腰搬运重物25次后L1水平竖脊肌肌电PSD

腰背肌的疲劳检测常采用静态的腰背肌等长收缩模式。静态疲劳试验中，随着肌肉的疲劳，肌电图上表现为MF、MPF呈线性下降，其下降斜率反映肌肉易疲劳性。作为一种无创性的方法，表面肌电图检测肌肉功能和疲劳有较好的可靠性。Dedering等对10名正常人不同时间行3次Sorensen法检查，结果显示整个肌肉疲劳过程中MF斜率组内相关性较好。Lariviere等检测20名慢性腰背痛患者和20名正常人在30s内75%最大背伸力静态疲劳试验中MF斜率，主观的疲劳感觉和肌电图的频谱下降也有很好的一致性。

除静态疲劳试验外，亦有研究检测动态疲劳。J．Srinivasan研究了下腰痛患者和无下腰痛者骑自行车过程中的肌肉疲劳性。14名男性受试者平分为两组（下腰痛组和无下腰痛组）。在骑自行车前、骑后15min、30min记录肱二头肌、斜方肌、背阔肌和竖脊肌的sEMG，并进行相关肌肉的MVC测试。应用MPF测定肌肉疲劳性。腰痛组的右侧斜方肌和竖脊肌显示了更高的疲劳性，并提示其病情的加重可能与骑车有关。

（3）LBP发病机制相关研究：目前对日常生活中躯干肌的稳定性活动测试进行较少。因此，有研究对健康人群在跑台（4km／h）上行走时的状态进行测试。无背痛史的女性受试者分别在穿着一定重量的马甲前后进行测试。背负重物后有4名受试出现背痛症状。sEMG测试记录了双侧躯干肌电活动，测定了步态周期中的振幅曲线。

负荷重物后，疼痛患者腹肌肌电明显与正常不同。异常值的大小与疼痛程度无明显相关。研究并未发现存在肌肉运动功能紊乱，支持个体机制在背痛发生的因素中重于某一靶肌群。结果还显示了不同程度的劳损积累可导致急性背痛。在疼痛发生前肌电已显示出异常，提示受损肌肉的功能可能是背痛发生的一个危险因素。进一步研究应关注鉴别受损肌肉并矫正其功能。

我国余洪俊等研究发现，受试者诱发下腰痛后进行相同运动条件下的等长运动30s，竖脊肌和臀大肌的MPF值较正常对照者升高，RMS值较正常对照者降低，原因是下腰痛时在运动后30s募集纤维中Ⅰ型纤维的比例增加，Ⅱ型纤维的比例降低。

2．腰椎间盘突出症

（1）sEMG特征：腰椎间盘突出症（lumbar disc hernia，LDH）是因腰椎间盘变性，纤维环破裂，髓核突出，刺激和（或）压迫神经根或脊髓，产生以根性坐骨神经痛为主要症状的一种综合征，是腰腿痛最常见的原因之一。LDH常导致周围神经传导速度（NCV）减慢，肌肉电活动异常。肌电图检查可从神经电生理方面反映神经功能状态，客观反映神经病损程度。研究已知腰部肌电信号的MPF下降斜率与慢肌构成比例和面积百分比有关，慢肌纤维越多，面积百分比越大，MPF下降斜率也就越慢。我国朱思刚等研究10% MVC和20%MVC负荷强度90s运动中LDH患者和健康人群的sEMG特征，结果显示LDH患者的AEMG、MPF等的变化斜率都快于健康对照组，并且除AEMG外，其他指标改变均有统计学差异。临床研究发现，LDH可以诱发腰部肌肉快肌纤维百分比构成及其面积百分比增加，而慢肌纤维百分比及其所占面积相对减少，因此能较好的解释LDH患者MPF下降斜率快的特点。可见，临床上利用肌电图来对LDH进行疗效评估有着重要的依据。

（2）腰椎间盘突出症疗效评定：腰椎间盘突出症治疗方法包括综合物理治疗和手术等，但进行疗效评估而测定神经肌肉功能时，目前临床采用的针极肌电图、神经传导速度、F波等检查均会造成一定损伤，随访时不易被患者接受，故难以广泛采用。sEMG作为一种无创性检查，操作方便，已广泛用于康复医学、运动医学等方面的神经肌肉功能检查，对疗效评价具有较高临床价值。

目前应用sEMG进行疗效评价时，MFs是其中的敏感指标。吴文等研究发现患侧腰脊旁肌的MFs明显大于健侧的MFs，进行综合物理治疗后，疼痛缓解、耐力增强者患侧的MFs的下降程度明显降低。即综合物理治疗使其临床症状缓解时，MFs的下降程度也同时降低，这反映了神经肌肉功能的恢复。治疗后症状未缓解者，其MFs及EMG波幅与治疗前无显著差异，考虑可能与病程较长，神经根形成粘连有关。陈鹏等则研究LDH患者行全椎板截骨再植术前后腰脊旁肌的功能，应用sEMG评价疗效。研究证实手术后MFs明显下降，神经肌肉功能改善，但波幅无明显变化。上述研究证明表面肌电图MFs能敏感地反映神经肌肉的功能状态。

另外腰椎间盘突出症后引起神经根受压，以往认为综合物理治疗的基本原理是促使腰椎间盘突出部分回纳，去除对神经根、脊髓的压迫，同时加速其周围无菌性炎症的吸收消散，使神经痛得以消除或减轻。但吴文等研究显示13例复查CT或MRI的患者，无1例显示椎间盘回纳。因此影像学检查结果与疗效之间并无特定相关，而表面肌电图可敏感反映神经肌肉功能，可作为腰椎间盘突出症临床疗效评定的客观指标之一，具有较高的临床价值，值得进一步研究。

3．骨关节炎 目前sEMG在骨关节炎（osteoarthritis，OA）中的应用涉及多个方面，如肌肉功能评价、康复疗效评估以及与其他康复测试和训练仪器结合进行诊断和评定等。

（1）肌肉功能评价：Sims等对髋关节骨关节炎患者进行研究，在行走过程中记录sEMG，结果显示髋OA患者臀中肌激活较健康人群增加，说明髋OA患者存在肌肉功能障碍。

（2）康复疗效评定：Suetta等用SEMG评价了不同康复治疗方法对髋关节置换术后失用性股四头肌萎缩的治疗效果，结果显示在5周和12周的治疗后肌力训练组股外侧肌的EMG平均振幅大于常规康复治疗组。

（3）与其他康复测试和训练仪器结合进行诊断和评定：步态分析是经常与表面肌电图同时测试的系统。Lewek等结合步态分析和SEMG对膝OA患者膝关节动力学、运动学和肌肉活动的研究显示，膝OA患者在步行过程中存在较大的股内侧肌-腓肠肌内侧头共同收缩，并且与膝关节内收运动相关。

等速肌力测试系统是另一种可与表面肌电图同时测试的仪器。等速肌力测试系统可以精确获得力矩、做功和功率等力学指标。而表面肌电（sEMG）信号是将神经肌肉系统活动时的生物电变化记录，可量化工作肌肉的功能活动、估价肌肉疲劳度、间接评定工作肌肉的力量大小，可客观评价特定肌肉在各种运动状态，包括静态、动态和功能活动状态下的神经肌肉活动情况，而且表面肌电图的多通道测量特性，可同步监测主动肌、拮抗肌和协同肌的功能特性和相互间的协调性。因此，我国俞晓杰等结合等速肌力测试系统应用表面肌电图，研究膝关节骨关节炎患者的屈膝伸膝肌的功能状态。

在俞晓杰等的研究中，选用VL和BF作为股四头肌和腘绳肌的代表，运用表面肌电图检测它们在最大等长收缩和下蹲运动过程中的肌电信号，以研究股外侧肌和股二头肌在不同运动状态下的功能状态以及其之间的相互关系。在进行sEMG信号分析时，选用sEMG振幅均值作为分析指标。采用拮抗肌／主动肌肌电比值反映等长运动过程中膝关节相对面两块肌肉的协同运动的方式。采用腘绳肌共同活动比率（BF／VL）反映腘绳肌在下蹲运动过程中相对股四头肌的共同活动情况。其研究结果显示，患侧膝关节屈伸肌在最大等长收缩状态下的sEMG振幅均值较健侧下降，主要原因可能是快收缩纤维运动单位的功能下降。在下蹲运动过程中，患者患侧的肌电振幅均值仍较健侧显著下降。这可能表明在日常生活活动中，除了可能存在关节源性肌肉抑制和肌肉萎缩外，患者会采用健侧代偿的方式来进行功能活动。

关于主动肌和拮抗肌关系的研究结果表明，膝关节OA患者的膝屈伸肌在最大随意等长收缩过程中所显示的协同收缩比率增高，可能反映了膝OA患者的患肢的膝屈伸肌在最大等长收缩过程中股四头肌和腘绳肌选择性抑制能力的下降。下蹲运动是一个包括股四头肌离心收缩（蹲下）和向心收缩（站起）的两相运动，在膝关节OA患者的日常生活活动和康复中具有重要意义。此研究观察的是在整个下蹲运动过程中腘绳肌在膝关节稳定中所起的作用。结果显示在下蹲运动过程中，膝关节OA患肢的腘绳肌共同活动比率是增加的，这可能是股四头肌功能受损和腘绳肌活动增强共同作用的结果，说明了膝关节OA患者存在肌肉平衡神经控制异常的内在改变。研究结果表明，膝关节OA患者的膝屈伸肌在最大等长收缩过程中存在协同收缩比率增高，在下蹲运动过程中存在腘绳肌共同活动比率增高，这反映了膝关节OA患者的患肢存在屈伸肌肌力平衡改变和腘绳肌协同活动增强等异常。这可能是对于疼痛、局部力学结构改变和股四头肌软弱的一种代偿性适应。因此，其研究结果的临床意义在于，通常使用的股四头肌增强训练可能应该补充其他肌肉增强干预以减慢疾病的进展。由于膝关节OA患者准确控制力量的能力受损可能是肌肉平衡受损的基础，因此膝关节OA患者的肌肉训练方案应该不仅改善最大股四头肌肌力，而且改善膝关节OA患者膝关节周围肌肉平滑和准确地产生力量的能力。膝关节肌肉功能异常会影响膝关节正常的应力负荷分布、易化疾病的发展。康复治疗不仅应重视股四头肌肌力增强，而且应重视改善膝关节屈伸肌力的平衡，并重视在日常生活活动中的正确应用。

4．脊髓损伤 脊髓损伤的sEMG研究包括以下方面：双侧同名肌肉电位的对称性；依据肌电鉴别受累肌肉痉挛状态以及受测肌肉肌束颤动的缺失。目前国内外对脊髓损伤患者运动模式及生物反馈治疗研究较多。

经sEMG监测，C5～6水平脊髓损伤患者在完成日常活动如抓取杯子、触摸开关、前驱轮椅和利用上肢支撑体重等伸肘动作时，其上肢和躯干的残存肌中主要作用肌较正常人群多，并且在同一项动作中的主要作用肌不同，在不同动作中残存肌的代偿方式亦不同，即脊髓损伤患者采用与正常人不同的神经肌肉募集方式完成伸肘活动，并通过改变代偿方式完成不同的运动任务。

sEMG生物反馈的治疗机制，是通过患者观察以光滑曲线形式显示在显示器上的自主肌电信号，该信号通过视觉传入通路反馈并经中枢神经系统整合，部分叠加在下一次的输出自主肌电信号上，使其强度得到增加。要求患者在努力增加自主肌电信号的过程中，自始至终集中精力、凝视监视器上变化的曲线至关重要，并要求患者逐渐忘记是在活动关节、收缩肌肉，而是在努力提高监视器上自主肌电信号水平。某一肌肉达到本次训练的最高峰后，即可转而训练其他肌肉。待下一次治疗时，该肌的自主肌电信号仍能得到进一步增强。通过EMG生物反馈治疗能明显增强慢性颈段脊髓损伤患者的自主肌电信号和肌力。其恢复的程度与损伤后病程长度无明显关系，但与上肢肌肉的位置有关，手部肌肉较上臂肌肉功能恢复程度低。EMG生物反馈治疗技术主要侧重于恢复中枢神经细胞功能，建立和完善中枢神经细胞间传导通路，而不侧重于肌力的恢复。因此，自主肌电信号较肌力恢复早且多。肌力的恢复有待于在EMG生物反馈治疗后进行的肌力训练中得到提高。研究提示慢性脊髓损伤仍有进一步功能恢复的可能。如果应用得当，生物反馈是一种治疗慢性颈脊髓损伤、恢复其功能的有效方法。

（张慧丽）

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