文献速递：脑卒中后痉挛对肌肉反应时空变异性的影响
2025-06-30 来源:本站 点击次数:71
脑卒中后痉挛对肌肉反应时空变异性的影响
背景介绍
脑卒中后痉挛会严重影响患者的生活质量。但是，目前导致痉挛的机制仍未完全被了解。高密度表面肌电图（HD-sEMG）虽被用于研究自主激活期间运动单元（MU）募集特性的变化，但是已有的研究大多依赖时域分析，不足以处理与痉挛测量相关的非线性、非平稳肌电信号。结合 “熵” 这一非线性分析方法，或许能解开痉挛肌肉的电活动奥秘。
文章概要
自中山大学附属第一医院的王楚怀课题组和中山大学医学院生物医学工程学院宋嵘课题组探索了一种基于熵的高密度表面肌电图（HD-sEMG）测量方法，研究成果发布在《IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering》 ，题为：“Changes in Spatiotemporal Variability of Muscular Response Under the Influence of Post-Stroke Spasticity”。该研究通过记录不同速度下肱二头肌的高密度表面肌电（HD-sEMG）信号，从而提取出模糊熵（FE）的平均值和分布，来表征肌肉激活的时空变异性，从而研究脑卒中后痉挛肌肉对被动拉伸反应的时空变异性变化。
研究方法
本研究招募了41名受试者，其中21名脑卒中幸存者，平均年龄 50.4±13.4 岁，符合首次脑卒中、偏瘫、肱二头肌改良 Ashworth 量表（MAS）评分 1-2 分等标准。10名健康老年对照组，10名健康年轻对照组。
采用等速测力计系统对参与者肘部进行被动拉伸，采用 4 种拉伸速度（10°/s、60°/s、120°/s、180°/s），每人每种速度测3次，共 12 次。同时使用HD-sEMG（荷兰TMSi）8×8 电极阵列进行信号记录，电极阵列中心置于肩峰内侧与肘窝连线的 1/3 处，参考电极放置在手腕处。
研究人员把预处理后的HD-sEMG信号根据拉伸速度划分为不同的时间窗口，并计算各个窗口的模糊熵（FE）和均方根（RMS）。把64 个通道的 FE 平均值作为肌肉激活的时间变异性，以表征整体变异性水平。FE映射图则表示变异性的空间分布。用相同方法从均方根（RMS）值中提取肌肉激活参数。
研究人员分别计算并比较了基线（10°/s）与快速拉伸（60°/s、120°/s 和 180°/s）之间的 FE图差异。同时使用2D相关系数（2Dcc）进行定量评估，值越大表示两个 FE 映射图之间的相似性越强。最后，计算每组所有受试者这些变量的平均值，以考察各组间不同速度下的变异性差异。
研究结果以及解释
图3展示了三组在不同拉伸速度下的时间变异性。任意两组之间的变异性均存在显著差异。然而只有脑卒中幸存者的时间变异性对拉伸速度高度敏感，且表现出随着速度增加而显著降低的现象。
研究人员认为，随着拉伸速度增加，脑卒中幸存者的时间变异性显著降低这一现象准确反映了痉挛的定义，其原因可归结为牵张反射诱导的运动单位（MU）募集同步化；并给出另一种可能解释是中枢损伤后肌肉神经驱动的减少 —— 脑卒中幸存者皮层与脊髓的连接减弱，影响了其应对快速拉伸的能力。
图4展示了三组在不同拉伸速度下的空间变异性，可以看出，随着速度增加，脑卒中幸存者在某些区域表现出剧烈变化，而另外两组的变化较小。并且另外两组的高模糊熵（FE）集中在肌肉中间区域，而脑卒中幸存者的空间变异性倾向于分布在远端和外侧区域。
为了进一步分析拉伸速度对肌肉反应的空间变异性的特异性改变，研究人员采用二维相关系数（2Dcc）评估空间变异性的相似性。对比结果见图5和图6，图5每个子图对应图2（b）所示的8*8电极网格。两个结果图均可以看出脑卒中组在基线和快速拉伸之间的空间变异性差异明显大于比另外两组。且脑卒中幸存者的平均 2Dcc 值显著低于青年对照组和老年对照组（见图6d）。
图7展示了三组在不同拉伸速度下的肌肉激活空间分布，对比该激活空间分布图与空间变异性（图4），可以发现高激活水平的区域对应低变异性的区域。这表明由于反射抑制机制破坏，导致运动单位（MU）募集呈现区域特异性和同步化特征。脑卒中相关的皮质脊髓束和网状脊髓束损伤会解除牵张反射的抑制，伴随与痉挛程度相关的不自主 MU 募集。
总结和展望
研究结果支持 “负责反射抑制的运动神经元沉默导致更多运动单元同步募集” 的机制。该研究提出的基于 FE 的 HD-sEMG 测量方法为深入研究痉挛的病理生理学机制提供了新的视角，有望作为一种敏感的生物标志物，用于更细致地量化临床痉挛程度。为制定和调整康复方案提供依据。
原文链接
T. Xie, Y. Leng, R. He, C. Wang and R. Song, "Changes in Spatiotemporal Variability of Muscular Response Under the Influence of Post-Stroke Spasticity," in IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, vol. 33, pp. 212-219, 2025.
https://doi.org/10.1109/TNSRE.2024.3486026.
研究团队介绍
本研究是中山大学医学院生物医学工程学院广东省传感技术与生物医疗仪器重点实验室；中山大学深圳研究院，中山大学附属第一医院康复医学科合作完成。
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
脑卒中后痉挛会严重影响患者的生活质量。但是，目前导致痉挛的机制仍未完全被了解。高密度表面肌电图（HD-sEMG）虽被用于研究自主激活期间运动单元（MU）募集特性的变化，但是已有的研究大多依赖时域分析，不足以处理与痉挛测量相关的非线性、非平稳肌电信号。结合 “熵” 这一非线性分析方法，或许能解开痉挛肌肉的电活动奥秘。
图1. 文章信息
文章概要
自中山大学附属第一医院的王楚怀课题组和中山大学医学院生物医学工程学院宋嵘课题组探索了一种基于熵的高密度表面肌电图（HD-sEMG）测量方法，研究成果发布在《IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering》 ，题为：“Changes in Spatiotemporal Variability of Muscular Response Under the Influence of Post-Stroke Spasticity”。该研究通过记录不同速度下肱二头肌的高密度表面肌电（HD-sEMG）信号，从而提取出模糊熵（FE）的平均值和分布，来表征肌肉激活的时空变异性，从而研究脑卒中后痉挛肌肉对被动拉伸反应的时空变异性变化。
研究方法
本研究招募了41名受试者，其中21名脑卒中幸存者，平均年龄 50.4±13.4 岁，符合首次脑卒中、偏瘫、肱二头肌改良 Ashworth 量表（MAS）评分 1-2 分等标准。10名健康老年对照组，10名健康年轻对照组。
采用等速测力计系统对参与者肘部进行被动拉伸，采用 4 种拉伸速度（10°/s、60°/s、120°/s、180°/s），每人每种速度测3次，共 12 次。同时使用HD-sEMG（荷兰TMSi）8×8 电极阵列进行信号记录，电极阵列中心置于肩峰内侧与肘窝连线的 1/3 处，参考电极放置在手腕处。
图2. 实验装置。(a) 由等速测力计执行的从初始位置到末端位置的肘关节被动拉伸。(b) 以 8 行 ×8 列排列的 64 个高密度表面肌电电极
研究人员把预处理后的HD-sEMG信号根据拉伸速度划分为不同的时间窗口，并计算各个窗口的模糊熵（FE）和均方根（RMS）。把64 个通道的 FE 平均值作为肌肉激活的时间变异性，以表征整体变异性水平。FE映射图则表示变异性的空间分布。用相同方法从均方根（RMS）值中提取肌肉激活参数。
研究人员分别计算并比较了基线（10°/s）与快速拉伸（60°/s、120°/s 和 180°/s）之间的 FE图差异。同时使用2D相关系数（2Dcc）进行定量评估，值越大表示两个 FE 映射图之间的相似性越强。最后，计算每组所有受试者这些变量的平均值，以考察各组间不同速度下的变异性差异。
研究结果以及解释
图3展示了三组在不同拉伸速度下的时间变异性。任意两组之间的变异性均存在显著差异。然而只有脑卒中幸存者的时间变异性对拉伸速度高度敏感，且表现出随着速度增加而显著降低的现象。
研究人员认为，随着拉伸速度增加，脑卒中幸存者的时间变异性显著降低这一现象准确反映了痉挛的定义，其原因可归结为牵张反射诱导的运动单位（MU）募集同步化；并给出另一种可能解释是中枢损伤后肌肉神经驱动的减少 —— 脑卒中幸存者皮层与脊髓的连接减弱，影响了其应对快速拉伸的能力。
图3. 拉伸速度对三组时间变异性的影响
图4展示了三组在不同拉伸速度下的空间变异性，可以看出，随着速度增加，脑卒中幸存者在某些区域表现出剧烈变化，而另外两组的变化较小。并且另外两组的高模糊熵（FE）集中在肌肉中间区域，而脑卒中幸存者的空间变异性倾向于分布在远端和外侧区域。
图4. 三组的空间变异性，从左到右代表递增的拉伸速度。且颜色越亮表示变异性越大
为了进一步分析拉伸速度对肌肉反应的空间变异性的特异性改变，研究人员采用二维相关系数（2Dcc）评估空间变异性的相似性。对比结果见图5和图6，图5每个子图对应图2（b）所示的8*8电极网格。两个结果图均可以看出脑卒中组在基线和快速拉伸之间的空间变异性差异明显大于比另外两组。且脑卒中幸存者的平均 2Dcc 值显著低于青年对照组和老年对照组（见图6d）。
图5. 三组在基线和快速拉伸之间的空间变异性差异，颜色越亮表示两种条件之间的差异越小
图6. 三组的空间变异性和平均二维相关系数(2Dcc), (d)中纵坐标表示 2Dcc，数值越大，基线与快速拉伸的空间分布相似性越强
图7展示了三组在不同拉伸速度下的肌肉激活空间分布，对比该激活空间分布图与空间变异性（图4），可以发现高激活水平的区域对应低变异性的区域。这表明由于反射抑制机制破坏，导致运动单位（MU）募集呈现区域特异性和同步化特征。脑卒中相关的皮质脊髓束和网状脊髓束损伤会解除牵张反射的抑制，伴随与痉挛程度相关的不自主 MU 募集。
图7. 三组在不同拉伸速度下的肌肉激活空间分布
总结和展望
研究结果支持 “负责反射抑制的运动神经元沉默导致更多运动单元同步募集” 的机制。该研究提出的基于 FE 的 HD-sEMG 测量方法为深入研究痉挛的病理生理学机制提供了新的视角，有望作为一种敏感的生物标志物，用于更细致地量化临床痉挛程度。为制定和调整康复方案提供依据。
原文链接
T. Xie, Y. Leng, R. He, C. Wang and R. Song, "Changes in Spatiotemporal Variability of Muscular Response Under the Influence of Post-Stroke Spasticity," in IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, vol. 33, pp. 212-219, 2025.
https://doi.org/10.1109/TNSRE.2024.3486026.
研究团队介绍
本研究是中山大学医学院生物医学工程学院广东省传感技术与生物医疗仪器重点实验室；中山大学深圳研究院，中山大学附属第一医院康复医学科合作完成。
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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