脑瘫步态的肌肉地图：高密度肌电助力揭示隐藏的运动控制异常
2026-06-30 来源:本站 点击次数:24
脑瘫步态背后的“肌肉地图”：高密度肌电如何揭示隐藏的运动控制异常？
引言
脑瘫（Cerebral Palsy，CP）是儿童时期最常见的运动功能障碍之一，由发育中的大脑受到非进行性损伤所引起。虽然脑损伤本身不会继续恶化，但其造成的运动控制异常会伴随患者终身，并严重影响步行能力、生活质量以及社会参与度。
临床上，脑瘫患者常表现出肌痉挛、运动协调能力下降、步态异常以及肌肉力量不足等问题。其中，小腿腓肠肌功能异常被认为是脑瘫步态障碍的重要原因。长期以来，研究人员主要依赖传统分立式表面肌电（sEMG）分析脑瘫患者的肌肉活动。然而，分立式肌电只能记录局部区域的电活动，难以全面反映整个肌群的激活模式。随着高密度表面肌电（HD-sEMG）技术的发展，研究人员开始能够像绘制“肌肉地图”一样，从空间和时间两个维度观察肌肉活动，为理解脑瘫患者的神经肌肉控制机制提供了全新视角。
论文概要
芬兰于韦斯屈莱大学、赫尔辛基大学医院以及意大利都灵理工大学等机构的研究团队，利用HD-sEMG技术首次系统研究了脑瘫青少年步行过程中腓肠肌的空间激活特性，揭示了脑瘫患者独特的肌肉募集模式。研究成果发表于《Journal of Electromyography and Kinesiology》，题为“High-density EMG reveals atypical spatial activation of the gastrocnemius during walking in adolescents with Cerebral Palsy”。该研究招募了11名脑瘫青少年（CP组）和11名年龄匹配的健康青少年（TD组），在跑台步行过程中记录腓肠肌内侧头（Gastrocnemius Medialis，GM）的高密度肌电信号。研究团队不仅分析了肌电信号强度，还进一步量化了肌肉活动在空间上的分布特征以及时间上的复杂性。研究结果揭示了脑瘫患者不仅存在肌肉力量和时序控制异常，更存在深层次的空间募集策略改变，而HD-sEMG正是观察这种变化的重要工具。
研究方法与结果呈现
研究对象包括11名脑瘫青少年和11名健康对照者，两组年龄分别为14.1±2.8岁和13.7±3.0岁。实验过程中，受试者在跑台上连续步行6分钟。如图1所示，研究人员在TD受试者的优势腿和CP受试者受影响较大的一侧腿的腓肠肌内侧头放置高密度电极阵列（8x4电极矩阵，电极间距10毫米）。电极阵列中心位于GM中点上方约1厘米处，通过受试者三次抬高脚跟确定肌肉边界和GM中心。信号采样频率设定为2048 Hz，数据精度为16位。同时通过Vicon三维动作捕捉系统同步采集了运动学数据，用于检测相关步态事件（如着地和脚尖着地），跑台速度被设定为受试者者地面步行速度的0.9倍。
将32通道单极肌电转换为28个单差分信号，并采用20–450 Hz带通滤波去除噪声干扰。针对步行过程中不可避免的运动伪迹，研究人员利用典型相关分析（Canonical Correlation Analysis，CCA）进行去噪，从而获得更加稳定可靠的肌电信号。随后，研究人员将腓肠肌划分为近端和远端两个区域，并从空间和时间两个维度提取关键特征。对于空间维度，通过计算肌电空间熵（Spatial Entropy）评估肌肉激活在电极阵列上的分布均匀程度；在时间分析方面，则采用Higuchi分形维数（HFD）和中位频率（MDF）评价肌电信号的复杂性及频谱特征。通过这些指标，研究人员得以构建腓肠肌在整个步态周期中的动态“肌肉地图”。
实验结果显示，脑瘫患者与健康青少年在腓肠肌空间激活模式上存在显著差异（图2）。健康组的空间熵平均值为4.53 ± 0.11，而脑瘫组达到4.73 ± 0.02，两组差异具有极显著统计学意义（p < 0.001）。空间熵越高，意味着肌肉活动在整个电极阵列表面的分布越均匀。健康组腓肠肌远端区域的肌电活动强度比近端区域高约30%，呈现出明显的区域分工特征；而脑瘫组这一差异仅为9.5%，且未达到统计学显著水平。
通过步态周期的连续演变分析（图3），两组在内侧腓肠肌的空间激活特征上展现出显著的时空差异。在单腿支撑相的大部分时间里都存在极显著的空间熵差异（p < 0.01）。当内侧腓肠肌活动最强烈时，健康青少年的肌肉表现出高度的选择性激活，空间熵降至低点，且振幅热图呈现清晰的局部化分布（主要集中于远端区域）；相反，脑瘫青少年的空间熵全程显著高于对照组（p < 0.01），在发力核心期不仅未能降低，反而维持在极高水平，其对应的振幅热图呈现出界限模糊、均匀的红橙色。
本研究首次利用高密度肌电技术揭示了脑瘫青少年步行过程中腓肠肌异常的空间激活模式。与传统肌电只能回答“肌肉有没有发力”不同，HD-sEMG进一步回答了“肌肉哪里在发力、如何发力”的问题。本研究创新性地使用动态步行HD-sEMG技术，证实了空间熵等新指标能够高度敏感地映射出中枢神经损伤带来的肌肉控制空间复杂度与病理紊乱。这不仅深化了医疗人员对脑瘫青少年行走功能障碍底层机制的认知，也为评估肉毒素注射、选择性后根切断术（SDR）以及下肢骨科矫形手术前后运动单位募集模式的恢复水平提供了关键的定量评估方法。
尽管研究样本量相对有限，且仅分析了腓肠肌单块肌肉，但该工作展示了HD-sEMG在神经康复领域的重要价值。当前研究尚未完全解耦肌肉几何解剖结构变化（如纤维解剖倾角）与纯神经募集信号在空间熵上的各自贡献。在未来的多模态康复医学研究中，将高密度肌电与实时超声成像、肌肉剪切波弹性成像等技术进行联合，结合更先进的非线性肌电盲源分离算法，有望从空间热图中更彻底地剥离出脑瘫患者骨骼肌结构病变与神经病理的各自权重，为脑瘫青少年的智能化精准远程康复和主动运动干预带来跨时代的改变。
原文链接
Thurston M, Peltoniemi M, Giangrande A, et al. High-density EMG reveals atypical spatial activation of the gastrocnemius during walking in adolescents with Cerebral Palsy[J]. Journal of Electromyography and Kinesiology, 2024, 79: 102934.
https://doi.org/10.1016/j.jelekin.2024.102934
研究团队介绍
本研究由来自芬兰、意大利等国的多个顶尖生物力学与神经肌肉工程实验室联合完成。第一作者Maxwell Thurston以及通讯作者Harri Piitulainen教授来自芬兰于韦斯屈莱大学神经肌肉研究中心（Neuromuscular Research Center, University of Jyväskylä），该中心在运动科学与神经肌肉控制领域享有国际盛誉。
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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引言
脑瘫（Cerebral Palsy，CP）是儿童时期最常见的运动功能障碍之一，由发育中的大脑受到非进行性损伤所引起。虽然脑损伤本身不会继续恶化，但其造成的运动控制异常会伴随患者终身，并严重影响步行能力、生活质量以及社会参与度。
临床上，脑瘫患者常表现出肌痉挛、运动协调能力下降、步态异常以及肌肉力量不足等问题。其中，小腿腓肠肌功能异常被认为是脑瘫步态障碍的重要原因。长期以来，研究人员主要依赖传统分立式表面肌电（sEMG）分析脑瘫患者的肌肉活动。然而，分立式肌电只能记录局部区域的电活动，难以全面反映整个肌群的激活模式。随着高密度表面肌电（HD-sEMG）技术的发展，研究人员开始能够像绘制“肌肉地图”一样，从空间和时间两个维度观察肌肉活动，为理解脑瘫患者的神经肌肉控制机制提供了全新视角。
论文概要
芬兰于韦斯屈莱大学、赫尔辛基大学医院以及意大利都灵理工大学等机构的研究团队，利用HD-sEMG技术首次系统研究了脑瘫青少年步行过程中腓肠肌的空间激活特性，揭示了脑瘫患者独特的肌肉募集模式。研究成果发表于《Journal of Electromyography and Kinesiology》，题为“High-density EMG reveals atypical spatial activation of the gastrocnemius during walking in adolescents with Cerebral Palsy”。该研究招募了11名脑瘫青少年（CP组）和11名年龄匹配的健康青少年（TD组），在跑台步行过程中记录腓肠肌内侧头（Gastrocnemius Medialis，GM）的高密度肌电信号。研究团队不仅分析了肌电信号强度，还进一步量化了肌肉活动在空间上的分布特征以及时间上的复杂性。研究结果揭示了脑瘫患者不仅存在肌肉力量和时序控制异常，更存在深层次的空间募集策略改变，而HD-sEMG正是观察这种变化的重要工具。
文章信息
研究方法与结果呈现
研究对象包括11名脑瘫青少年和11名健康对照者，两组年龄分别为14.1±2.8岁和13.7±3.0岁。实验过程中，受试者在跑台上连续步行6分钟。如图1所示，研究人员在TD受试者的优势腿和CP受试者受影响较大的一侧腿的腓肠肌内侧头放置高密度电极阵列（8x4电极矩阵，电极间距10毫米）。电极阵列中心位于GM中点上方约1厘米处，通过受试者三次抬高脚跟确定肌肉边界和GM中心。信号采样频率设定为2048 Hz，数据精度为16位。同时通过Vicon三维动作捕捉系统同步采集了运动学数据，用于检测相关步态事件（如着地和脚尖着地），跑台速度被设定为受试者者地面步行速度的0.9倍。
图 1 实验设置
（A）脑瘫参与者在跑步机上行走，使用HDsEMG阵列采集GM肌肉活动（B）HDsEMG电极和无线放大器实物图
将32通道单极肌电转换为28个单差分信号，并采用20–450 Hz带通滤波去除噪声干扰。针对步行过程中不可避免的运动伪迹，研究人员利用典型相关分析（Canonical Correlation Analysis，CCA）进行去噪，从而获得更加稳定可靠的肌电信号。随后，研究人员将腓肠肌划分为近端和远端两个区域，并从空间和时间两个维度提取关键特征。对于空间维度，通过计算肌电空间熵（Spatial Entropy）评估肌肉激活在电极阵列上的分布均匀程度；在时间分析方面，则采用Higuchi分形维数（HFD）和中位频率（MDF）评价肌电信号的复杂性及频谱特征。通过这些指标，研究人员得以构建腓肠肌在整个步态周期中的动态“肌肉地图”。
图2 健康对照组（TD）与脑瘫组（CP）步行时的下肢肌电特征对比
（A）时间复杂度HFD（B）及中值频率MDF（C）的二维空间分布（D）表示在整个步态周期的肌电平均振幅的动态变化
（A）时间复杂度HFD（B）及中值频率MDF（C）的二维空间分布（D）表示在整个步态周期的肌电平均振幅的动态变化
实验结果显示，脑瘫患者与健康青少年在腓肠肌空间激活模式上存在显著差异（图2）。健康组的空间熵平均值为4.53 ± 0.11，而脑瘫组达到4.73 ± 0.02，两组差异具有极显著统计学意义（p < 0.001）。空间熵越高，意味着肌肉活动在整个电极阵列表面的分布越均匀。健康组腓肠肌远端区域的肌电活动强度比近端区域高约30%，呈现出明显的区域分工特征；而脑瘫组这一差异仅为9.5%，且未达到统计学显著水平。
通过步态周期的连续演变分析（图3），两组在内侧腓肠肌的空间激活特征上展现出显著的时空差异。在单腿支撑相的大部分时间里都存在极显著的空间熵差异（p < 0.01）。当内侧腓肠肌活动最强烈时，健康青少年的肌肉表现出高度的选择性激活，空间熵降至低点，且振幅热图呈现清晰的局部化分布（主要集中于远端区域）；相反，脑瘫青少年的空间熵全程显著高于对照组（p < 0.01），在发力核心期不仅未能降低，反而维持在极高水平，其对应的振幅热图呈现出界限模糊、均匀的红橙色。
图3 内侧腓肠肌表面肌电空间活动在步态周期中的动态演变图
A肌电包络线B空间熵包络线C肌电振幅空间热图
总结与展望 A肌电包络线B空间熵包络线C肌电振幅空间热图
本研究首次利用高密度肌电技术揭示了脑瘫青少年步行过程中腓肠肌异常的空间激活模式。与传统肌电只能回答“肌肉有没有发力”不同，HD-sEMG进一步回答了“肌肉哪里在发力、如何发力”的问题。本研究创新性地使用动态步行HD-sEMG技术，证实了空间熵等新指标能够高度敏感地映射出中枢神经损伤带来的肌肉控制空间复杂度与病理紊乱。这不仅深化了医疗人员对脑瘫青少年行走功能障碍底层机制的认知，也为评估肉毒素注射、选择性后根切断术（SDR）以及下肢骨科矫形手术前后运动单位募集模式的恢复水平提供了关键的定量评估方法。
尽管研究样本量相对有限，且仅分析了腓肠肌单块肌肉，但该工作展示了HD-sEMG在神经康复领域的重要价值。当前研究尚未完全解耦肌肉几何解剖结构变化（如纤维解剖倾角）与纯神经募集信号在空间熵上的各自贡献。在未来的多模态康复医学研究中，将高密度肌电与实时超声成像、肌肉剪切波弹性成像等技术进行联合，结合更先进的非线性肌电盲源分离算法，有望从空间热图中更彻底地剥离出脑瘫患者骨骼肌结构病变与神经病理的各自权重，为脑瘫青少年的智能化精准远程康复和主动运动干预带来跨时代的改变。
原文链接
Thurston M, Peltoniemi M, Giangrande A, et al. High-density EMG reveals atypical spatial activation of the gastrocnemius during walking in adolescents with Cerebral Palsy[J]. Journal of Electromyography and Kinesiology, 2024, 79: 102934.
https://doi.org/10.1016/j.jelekin.2024.102934
研究团队介绍
本研究由来自芬兰、意大利等国的多个顶尖生物力学与神经肌肉工程实验室联合完成。第一作者Maxwell Thurston以及通讯作者Harri Piitulainen教授来自芬兰于韦斯屈莱大学神经肌肉研究中心（Neuromuscular Research Center, University of Jyväskylä），该中心在运动科学与神经肌肉控制领域享有国际盛誉。
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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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