文献速览：高密度肌电图之精准捕捉脑卒中后痉挛肌肉的 “动态指纹”
2025-06-25 来源:本站 点击次数:137
文献速览 | 高密度肌电图
HD-sEMG 如何撕开神经肌肉研究的新切口
背景介绍
引言：什么是技能的天花板效应？
脑卒中作为全球第二大死亡原因及首要致残疾病，约 20%-40% 的幸存者会出现痉挛症状，表现为牵张反射亢进导致的肌肉张力异常升高。当前一线疗法肉毒毒素（BoNT）注射虽能缓解肌肉张力，但其疗效评估依赖改良 Ashworth 量表（MAS），改良 Ashworth 量表主要是测试者对肌肉紧张的定性或半定量评估，所以可能是主观的，且难以准确量化肌肉状态。且有研究表明：MAS不能在肉毒毒素注射后的被动牵张评估中，检测肌肉痉挛的变化。
生物力学指标（如扭矩）也已被用于评估 BoNT 注射前后牵张反射的变化。扭矩虽能反映关节活动，却难以定位具体痉挛肌群。而高密度表面肌电图（HD-sEMG）凭借高空间分辨率（可穿透肌肉萎缩 / 纤维化干扰），为单肌肉精准评估提供了可能。
图1. 文章信息
文章概要
来自张迎春课题组在2024 年 IEEE 工程与生物医学学会年会的一篇报告，题为“High-Density Electromyography Biomarkers for Detecting and Monitoring of Spastic Muscles During Passive Stretch”，揭示了一种新的定量评估卒中肌肉痉挛的可行方向。该研究在前人使用表面肌电图（sEMG）研究的基础上，应用了分辨率更高的高密度表面肌电图（HD-sEMG）来研究BoNT 注射前后牵张反射和肌肉张力变化，验证了HD-sEMG 的均方根（RMS）包络信号及快慢被动伸展（FPE/SPE）斜率作为痉挛量化生物标志物的有效性，首次量化了肘关节快慢速被动伸展时均方根（RMS）振幅的关系。
研究方法
本研究招募了10名半侧痉挛脑卒中患者，纳入标准为：（1）缺血性或出血性脑卒中继发的偏瘫；（2）病程≥6 个月；（3）残留自愿性肘屈曲力；（4）改良 Ashworth 量表（MAS）评分为 2-3 分；接受肱二头肌 100 单位肉毒毒素（BoNT）注射。排除多发性脑卒中患者、其他病因引起的阻力增加、有既往肌肉骨骼损伤史、及其他可能导致痉挛的合并症，如脊髓损伤。
受试者在注射肉毒毒素前 1 周与注射肉毒毒素后 3 周接受访视并完成实验数据采集。把HD-sEMG（荷兰TMSi Refa-136 放大器，采样率 2048 Hz， 分辨率24 位）（8×8 电极阵列，直径 4.5mm，间距 8.5mm）贴于受试者肱二头肌肌腹上方，记录被动牵张下每位测试者的痉挛肱二头肌的高密度表面肌电信号。
受试者需要完成被动牵张任务：伺服电机驱动前臂做 50° 屈伸运动，初始位置为快速手动（a quick manual passive stretch被动拉伸期间可检测到异常肌肉张力时的角度减去 10 度。，位置在肘关节完全伸展之前，使肘关节以两种速度做伸展和屈曲运动（快速：FPE, 100°/s，慢速：SPE, 5°/s），每次伸展和屈曲后分别保持2秒静止休息。每种速度采集 3 次，实验之间休息 1 分钟。
研究者计算了采集所得HD-sEMG的移动均方根（RMS） 包络， 并计算了斜率指标。研究者还计算了斜率与 MAS （改良 Ashworth 量表）的相关性。
斜率指标：对于每次访问，用快速拉伸速度的峰值 RMS 包络值减去慢速拉伸速度的峰值 RMS 包络值，得到两者的差值；该差值（斜率）表征了肌肉在不同拉伸速度下活动强度的变化率。在痉挛肌肉中，由于拉伸反射的速度依赖性，快速拉伸会引发更强的肌肉反应，因此斜率较大；而 BoNT 注射后，肌肉痉挛减轻，速度依赖性反应减弱，斜率会降低。
研究结果以及解释
图2(A)显示了每次访视中各拉伸速度下的峰值均方根（RMS）值特征。慢速（5°/s ）拉伸速度的峰值 RMS 值在两次访问中均显著低于 快速（100°/s ）拉伸速度（A），表明随着拉伸速度增加，峰值 RMS 值增加，反映痉挛肌肉在被动拉伸反射中依赖速度的 “卡顿” 现象。在注射肉毒毒素（BoNT）后，每个拉伸速度对应的峰值 RMS均显著降低，表明肌肉张力得到缓解。
图2(B)展示了斜率指标在注射BoNT后显著降低，且所有受试者在注射后斜率指标均比注射前更低。这表明斜率可提供与 BoNT 注射相应的痉挛肌肉拉伸反射的客观定量测量，也可能是区分痉挛肌肉和健康肌肉的潜在特征，因为健康肌肉对任何拉伸速度都没有阻力，斜率接近零。
而10名受试者中仅5名注射后改良 Ashworth 量表（MAS）分值降低。进一步探索与斜率的相关性（见表1），并未发现两者之间的显著关系。表明 MAS 始终缺乏量化痉挛中异常张力的适当敏感性。
总结，不足和展望
本研究旨在探究高密度表面肌电图（HD - sEMG）作为生物标志物检测和监测痉挛肌肉的功效，通过对 10 名脑卒中患者注射肉毒杆菌毒素（BoNT）前后的被动拉伸反射进行分析，发现 HD - sEMG 的峰值 RMS 包络和斜率特征在注射后显著降低，而改良 Ashworth 量表（MAS）仅部分患者改善，表明 HD - sEMG 衍生特征可作为 MAS 的定量替代指标。但研究存在样本量较小、仅评估肱二头肌单一肌肉等不足，未来可扩大样本规模，纳入更多肘屈伸肌进行综合评估，以优化 BoNT 注射的个性化治疗方案，进一步提升脑卒中患者痉挛管理的精准性。
原文链接
N. Nguyen, M. Houston, Y. Liu, Y. -T. Chen, S. Li and Y. Zhang, "High-Density Electromyography Biomarkers for Detecting and Monitoring of Spastic Muscles During Passive Stretch," 2024 46th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), Orlando, FL, USA, 2024, pp. 1-4, doi: 10.1109/EMBC53108.2024.10781738.
http://doi.org/10.1109/embc53108.2024.10781738
研究团队介绍
该研究团队由来自多个机构的科研人员组成，主要致力于利用高密度表面肌电图（HD-sEMG）技术进行脑卒中后肌肉痉挛的检测与监测研究。具体成员及所属机构如下：
Nhi Nguyen、Michael Houston、Yang Liu、Yingchun Zhang（张迎春）：来自休斯顿大学生物医学工程系，其中 Yingchun Zhang 为 IEEE 高级会员，同时还隶属于迈阿密大学 Desai Sethi 泌尿外科研究所和迈阿密瘫痪治疗项目。
Yen-Ting Chen：任职于东北州立大学健康与运动学系。
Sheng Li：隶属于德克萨斯大学健康科学中心和 TIRR 纪念赫尔曼医院。
关于维拓启创
维拓启创（北京）信息技术有限公司成立于2006年，是一家专注于脑科学、康复工程、人因工程、心理学、体育科学等领域的科研解决方案供应商。公司与国内外多所大学、研究机构、企业长期保持合作关系，致力于将优质的产品、先进的技术和服务带给各个领域的科研工作者，为用户提供有竞争力的方案和服务，协助用户的科研工作，持续提升使用体验。
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背景介绍
引言：什么是技能的天花板效应？
脑卒中作为全球第二大死亡原因及首要致残疾病，约 20%-40% 的幸存者会出现痉挛症状，表现为牵张反射亢进导致的肌肉张力异常升高。当前一线疗法肉毒毒素（BoNT）注射虽能缓解肌肉张力，但其疗效评估依赖改良 Ashworth 量表（MAS），改良 Ashworth 量表主要是测试者对肌肉紧张的定性或半定量评估，所以可能是主观的，且难以准确量化肌肉状态。且有研究表明：MAS不能在肉毒毒素注射后的被动牵张评估中，检测肌肉痉挛的变化。
生物力学指标（如扭矩）也已被用于评估 BoNT 注射前后牵张反射的变化。扭矩虽能反映关节活动，却难以定位具体痉挛肌群。而高密度表面肌电图（HD-sEMG）凭借高空间分辨率（可穿透肌肉萎缩 / 纤维化干扰），为单肌肉精准评估提供了可能。
图1. 文章信息
文章概要
来自张迎春课题组在2024 年 IEEE 工程与生物医学学会年会的一篇报告，题为“High-Density Electromyography Biomarkers for Detecting and Monitoring of Spastic Muscles During Passive Stretch”，揭示了一种新的定量评估卒中肌肉痉挛的可行方向。该研究在前人使用表面肌电图（sEMG）研究的基础上，应用了分辨率更高的高密度表面肌电图（HD-sEMG）来研究BoNT 注射前后牵张反射和肌肉张力变化，验证了HD-sEMG 的均方根（RMS）包络信号及快慢被动伸展（FPE/SPE）斜率作为痉挛量化生物标志物的有效性，首次量化了肘关节快慢速被动伸展时均方根（RMS）振幅的关系。
研究方法
本研究招募了10名半侧痉挛脑卒中患者，纳入标准为：（1）缺血性或出血性脑卒中继发的偏瘫；（2）病程≥6 个月；（3）残留自愿性肘屈曲力；（4）改良 Ashworth 量表（MAS）评分为 2-3 分；接受肱二头肌 100 单位肉毒毒素（BoNT）注射。排除多发性脑卒中患者、其他病因引起的阻力增加、有既往肌肉骨骼损伤史、及其他可能导致痉挛的合并症，如脊髓损伤。
受试者在注射肉毒毒素前 1 周与注射肉毒毒素后 3 周接受访视并完成实验数据采集。把HD-sEMG（荷兰TMSi Refa-136 放大器，采样率 2048 Hz， 分辨率24 位）（8×8 电极阵列，直径 4.5mm，间距 8.5mm）贴于受试者肱二头肌肌腹上方，记录被动牵张下每位测试者的痉挛肱二头肌的高密度表面肌电信号。
受试者需要完成被动牵张任务：伺服电机驱动前臂做 50° 屈伸运动，初始位置为快速手动（a quick manual passive stretch被动拉伸期间可检测到异常肌肉张力时的角度减去 10 度。，位置在肘关节完全伸展之前，使肘关节以两种速度做伸展和屈曲运动（快速：FPE, 100°/s，慢速：SPE, 5°/s），每次伸展和屈曲后分别保持2秒静止休息。每种速度采集 3 次，实验之间休息 1 分钟。
研究者计算了采集所得HD-sEMG的移动均方根（RMS） 包络， 并计算了斜率指标。研究者还计算了斜率与 MAS （改良 Ashworth 量表）的相关性。
斜率指标：对于每次访问，用快速拉伸速度的峰值 RMS 包络值减去慢速拉伸速度的峰值 RMS 包络值，得到两者的差值；该差值（斜率）表征了肌肉在不同拉伸速度下活动强度的变化率。在痉挛肌肉中，由于拉伸反射的速度依赖性，快速拉伸会引发更强的肌肉反应，因此斜率较大；而 BoNT 注射后，肌肉痉挛减轻，速度依赖性反应减弱，斜率会降低。
研究结果以及解释
图2(A)显示了每次访视中各拉伸速度下的峰值均方根（RMS）值特征。慢速（5°/s ）拉伸速度的峰值 RMS 值在两次访问中均显著低于 快速（100°/s ）拉伸速度（A），表明随着拉伸速度增加，峰值 RMS 值增加，反映痉挛肌肉在被动拉伸反射中依赖速度的 “卡顿” 现象。在注射肉毒毒素（BoNT）后，每个拉伸速度对应的峰值 RMS均显著降低，表明肌肉张力得到缓解。
图2(B)展示了斜率指标在注射BoNT后显著降低，且所有受试者在注射后斜率指标均比注射前更低。这表明斜率可提供与 BoNT 注射相应的痉挛肌肉拉伸反射的客观定量测量，也可能是区分痉挛肌肉和健康肌肉的潜在特征，因为健康肌肉对任何拉伸速度都没有阻力，斜率接近零。
而10名受试者中仅5名注射后改良 Ashworth 量表（MAS）分值降低。进一步探索与斜率的相关性（见表1），并未发现两者之间的显著关系。表明 MAS 始终缺乏量化痉挛中异常张力的适当敏感性。
图2. 注射肉毒毒素前后HD-sEMG特征的变化。（A）注射前后两种拉伸速度的均方根包络峰值特征。（B）注射前后的斜率指标。∗p<0.05。
表1. 斜率指标与MAS评分相关性
总结，不足和展望
本研究旨在探究高密度表面肌电图（HD - sEMG）作为生物标志物检测和监测痉挛肌肉的功效，通过对 10 名脑卒中患者注射肉毒杆菌毒素（BoNT）前后的被动拉伸反射进行分析，发现 HD - sEMG 的峰值 RMS 包络和斜率特征在注射后显著降低，而改良 Ashworth 量表（MAS）仅部分患者改善，表明 HD - sEMG 衍生特征可作为 MAS 的定量替代指标。但研究存在样本量较小、仅评估肱二头肌单一肌肉等不足，未来可扩大样本规模，纳入更多肘屈伸肌进行综合评估，以优化 BoNT 注射的个性化治疗方案，进一步提升脑卒中患者痉挛管理的精准性。
原文链接
N. Nguyen, M. Houston, Y. Liu, Y. -T. Chen, S. Li and Y. Zhang, "High-Density Electromyography Biomarkers for Detecting and Monitoring of Spastic Muscles During Passive Stretch," 2024 46th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), Orlando, FL, USA, 2024, pp. 1-4, doi: 10.1109/EMBC53108.2024.10781738.
http://doi.org/10.1109/embc53108.2024.10781738
研究团队介绍
该研究团队由来自多个机构的科研人员组成，主要致力于利用高密度表面肌电图（HD-sEMG）技术进行脑卒中后肌肉痉挛的检测与监测研究。具体成员及所属机构如下：
Nhi Nguyen、Michael Houston、Yang Liu、Yingchun Zhang（张迎春）：来自休斯顿大学生物医学工程系，其中 Yingchun Zhang 为 IEEE 高级会员，同时还隶属于迈阿密大学 Desai Sethi 泌尿外科研究所和迈阿密瘫痪治疗项目。
Yen-Ting Chen：任职于东北州立大学健康与运动学系。
Sheng Li：隶属于德克萨斯大学健康科学中心和 TIRR 纪念赫尔曼医院。
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