腦癱（Cerebral Palsy，CP）是兒童時(shí)期常見的運(yùn)動(dòng)功能障礙之一，由發(fā)育中的大腦受到非進(jìn)行性損傷所引起。雖然腦損傷本身不會(huì)繼續(xù)惡化，但其造成的運(yùn)動(dòng)控制異常會(huì)伴隨患者終身，并嚴(yán)重影響步行能力、生活質(zhì)量以及社會(huì)參與度。

臨床上，腦癱患者常表現(xiàn)出肌痙攣、運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)能力下降、步態(tài)異常以及肌肉力量不足等問題。其中，小腿腓腸肌功能異常被認(rèn)為是腦癱步態(tài)障礙的重要原因。長期以來，研究人員主要依賴傳統(tǒng)分立式表面肌電（sEMG）分析腦癱患者的肌肉活動(dòng)。然而，分立式肌電只能記錄局部區(qū)域的電活動(dòng)，難以全面反映整個(gè)肌群的激活模式。隨著高密度表面肌電（HD-sEMG）技術(shù)的發(fā)展，研究人員開始能夠像繪制“肌肉地圖"一樣，從空間和時(shí)間兩個(gè)維度觀察肌肉活動(dòng)，為理解腦癱患者的神經(jīng)肌肉控制機(jī)制提供了全新視角。

芬蘭于韋斯屈萊大學(xué)、赫爾辛基大學(xué)醫(yī)院以及意大利都靈理工大學(xué)等機(jī)構(gòu)的研究團(tuán)隊(duì)，利用HD-sEMG技術(shù)系統(tǒng)研究了腦癱青少年步行過程中腓腸肌的空間激活特性，揭示了腦癱患者獨(dú)特的肌肉募集模式。研究成果發(fā)表于《Journal of Electromyography and Kinesiology》，題為“High-density EMG reveals atypical spatial activation of the gastrocnemius during walking in adolescents with Cerebral Palsy"。該研究招募了11名腦癱青少年（CP組）和11名年齡匹配的健康青少年（TD組），在跑臺步行過程中記錄腓腸肌內(nèi)側(cè)頭（Gastrocnemius Medialis，GM）的高密度肌電信號。研究團(tuán)隊(duì)不僅分析了肌電信號強(qiáng)度，還進(jìn)一步量化了肌肉活動(dòng)在空間上的分布特征以及時(shí)間上的復(fù)雜性。研究結(jié)果揭示了腦癱患者不僅存在肌肉力量和時(shí)序控制異常，更存在深層次的空間募集策略改變，而HD-sEMG正是觀察這種變化的重要工具。

文章信息

研究對象包括11名腦癱青少年和11名健康對照者，兩組年齡分別為14.1±2.8歲和13.7±3.0歲。實(shí)驗(yàn)過程中，受試者在跑臺上連續(xù)步行6分鐘。如圖1所示，研究人員在TD受試者的優(yōu)勢腿和CP受試者受影響較大的一側(cè)腿的腓腸肌內(nèi)側(cè)頭放置高密度電極陣列（8x4電極矩陣，電極間距10毫米）。電極陣列中心位于GM中點(diǎn)上方約1厘米處，通過受試者三次抬高腳跟確定肌肉邊界和GM中心。信號采樣頻率設(shè)定為2048 Hz，數(shù)據(jù)精度為16位。同時(shí)通過Vicon三維動(dòng)作捕捉系統(tǒng)同步采集了運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)，用于檢測相關(guān)步態(tài)事件（如著地和腳尖著地），跑臺速度被設(shè)定為受試者者地面步行速度的0.9倍。

圖 1  實(shí)驗(yàn)設(shè)置

（A）腦癱參與者在跑步機(jī)上行走，使用HDsEMG陣列采集GM肌肉活動(dòng)（B）HDsEMG電極和無線放大器實(shí)物圖

將32通道單極肌電轉(zhuǎn)換為28個(gè)單差分信號，并采用20–450 Hz帶通濾波去除噪聲干擾。針對步行過程中不可避免的運(yùn)動(dòng)偽跡，研究人員利用典型相關(guān)分析（Canonical Correlation Analysis，CCA）進(jìn)行去噪，從而獲得更加穩(wěn)定可靠的肌電信號。隨后，研究人員將腓腸肌劃分為近端和遠(yuǎn)端兩個(gè)區(qū)域，并從空間和時(shí)間兩個(gè)維度提取關(guān)鍵特征。對于空間維度，通過計(jì)算肌電空間熵（Spatial Entropy）評估肌肉激活在電極陣列上的分布均勻程度；在時(shí)間分析方面，則采用Higuchi分形維數(shù)（HFD）和中位頻率（MDF）評價(jià)肌電信號的復(fù)雜性及頻譜特征。通過這些指標(biāo)，研究人員得以構(gòu)建腓腸肌在整個(gè)步態(tài)周期中的動(dòng)態(tài)“肌肉地圖"。

圖2 健康對照組（TD）與腦癱組（CP）步行時(shí)的下肢肌電特征對比

（A）時(shí)間復(fù)雜度HFD（B）及中值頻率MDF（C）的二維空間分布（D）表示在整個(gè)步態(tài)周期的肌電平均振幅的動(dòng)態(tài)變化

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，腦癱患者與健康青少年在腓腸肌空間激活模式上存在顯著差異（圖2）。健康組的空間熵平均值為4.53 ± 0.11，而腦癱組達(dá)到4.73 ± 0.02，兩組差異具有極顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（p < 0.001）?？臻g熵越高，意味著肌肉活動(dòng)在整個(gè)電極陣列表面的分布越均勻。健康組腓腸肌遠(yuǎn)端區(qū)域的肌電活動(dòng)強(qiáng)度比近端區(qū)域高約30%，呈現(xiàn)出明顯的區(qū)域分工特征；而腦癱組這一差異僅為9.5%，且未達(dá)到統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著水平。

通過步態(tài)周期的連續(xù)演變分析（圖3），兩組在內(nèi)側(cè)腓腸肌的空間激活特征上展現(xiàn)出顯著的時(shí)空差異。在單腿支撐相的大部分時(shí)間里都存在極顯著的空間熵差異（p < 0.01）。當(dāng)內(nèi)側(cè)腓腸肌活動(dòng)強(qiáng)烈時(shí)，健康青少年的肌肉表現(xiàn)出高度的選擇性激活，空間熵降至低點(diǎn)，且振幅熱圖呈現(xiàn)清晰的局部化分布（主要集中于遠(yuǎn)端區(qū)域）；相反，腦癱青少年的空間熵全程顯著高于對照組（p < 0.01），在發(fā)力核心期不僅未能降低，反而維持在高水平，其對應(yīng)的振幅熱圖呈現(xiàn)出界限模糊、均勻的紅橙色。

圖3 內(nèi)側(cè)腓腸肌表面肌電空間活動(dòng)在步態(tài)周期中的動(dòng)態(tài)演變圖

A肌電包絡(luò)線B空間熵包絡(luò)線C肌電振幅空間熱圖

本研究利用高密度肌電技術(shù)揭示了腦癱青少年步行過程中腓腸肌異常的空間激活模式。與傳統(tǒng)肌電只能回答“肌肉有沒有發(fā)力"不同，HD-sEMG進(jìn)一步回答了“肌肉哪里在發(fā)力、如何發(fā)力"的問題。本研究創(chuàng)新性地使用動(dòng)態(tài)步行HD-sEMG技術(shù)，證實(shí)了空間熵等新指標(biāo)能夠高度敏感地映射出中樞神經(jīng)損傷帶來的肌肉控制空間復(fù)雜度與病理紊亂。這不僅深化了醫(yī)療人員對腦癱青少年行走功能障礙底層機(jī)制的認(rèn)知，也為評估rou du su注射、選擇性后根切斷術(shù)（SDR）以及下肢骨科矯形手術(shù)前后運(yùn)動(dòng)單位募集模式的恢復(fù)水平提供了關(guān)鍵的定量評估方法。

盡管研究樣本量相對有限，且僅分析了腓腸肌單塊肌肉，但該工作展示了HD-sEMG在神經(jīng)康復(fù)領(lǐng)域的重要價(jià)值。當(dāng)前研究尚未解耦肌肉幾何解剖結(jié)構(gòu)變化（如纖維解剖傾角）與純神經(jīng)募集信號在空間熵上的各自貢獻(xiàn)。在未來的多模態(tài)康復(fù)醫(yī)學(xué)研究中，將高密度肌電與實(shí)時(shí)超聲成像、肌肉剪切波彈性成像等技術(shù)進(jìn)行聯(lián)合，結(jié)合更非線性肌電盲源分離算法，有望從空間熱圖中更剝離出腦癱患者骨骼肌結(jié)構(gòu)病變與shen jing理的各自權(quán)重，為腦癱青少年的智能化精準(zhǔn)遠(yuǎn)程康復(fù)和主動(dòng)運(yùn)動(dòng)干預(yù)帶來跨時(shí)代的改變。

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關(guān)于維拓啟創(chuàng)

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