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文獻(xiàn)速覽:高密度肌電圖之精準(zhǔn)捕捉腦卒中后痙攣肌肉的 “動(dòng)態(tài)指紋”

瀏覽次數(shù):152 發(fā)布日期:2025-6-25  來源:本站 僅供參考,謝絕轉(zhuǎn)載,否則責(zé)任自負(fù)
文獻(xiàn)速覽 | 高密度肌電圖
HD-sEMG 如何撕開神經(jīng)肌肉研究的新切口


背景介紹 
引言:什么是技能的天花板效應(yīng)? 
腦卒中作為全球第二大死亡原因及首要致殘疾病,約 20%-40% 的幸存者會(huì)出現(xiàn)痙攣癥狀,表現(xiàn)為牽張反射亢進(jìn)導(dǎo)致的肌肉張力異常升高。當(dāng)前一線療法肉毒毒素(BoNT)注射雖能緩解肌肉張力,但其療效評(píng)估依賴改良 Ashworth 量表(MAS),改良 Ashworth 量表主要是測(cè)試者對(duì)肌肉緊張的定性或半定量評(píng)估,所以可能是主觀的,且難以準(zhǔn)確量化肌肉狀態(tài)。且有研究表明:MAS不能在肉毒毒素注射后的被動(dòng)牽張?jiān)u估中,檢測(cè)肌肉痙攣的變化。
生物力學(xué)指標(biāo)(如扭矩)也已被用于評(píng)估 BoNT 注射前后牽張反射的變化。扭矩雖能反映關(guān)節(jié)活動(dòng),卻難以定位具體痙攣肌群。而高密度表面肌電圖(HD-sEMG)憑借高空間分辨率(可穿透肌肉萎縮 / 纖維化干擾),為單肌肉精準(zhǔn)評(píng)估提供了可能。
 

圖1. 文章信息
 
文章概要 
來自張迎春課題組在2024 年 IEEE 工程與生物醫(yī)學(xué)學(xué)會(huì)年會(huì)的一篇報(bào)告,題為“High-Density Electromyography Biomarkers for Detecting and Monitoring of Spastic Muscles During Passive Stretch”,揭示了一種新的定量評(píng)估卒中肌肉痙攣的可行方向。該研究在前人使用表面肌電圖(sEMG)研究的基礎(chǔ)上,應(yīng)用了分辨率更高的高密度表面肌電圖(HD-sEMG)來研究BoNT 注射前后牽張反射和肌肉張力變化,驗(yàn)證了HD-sEMG 的均方根(RMS)包絡(luò)信號(hào)及快慢被動(dòng)伸展(FPE/SPE)斜率作為痙攣量化生物標(biāo)志物的有效性,首次量化了肘關(guān)節(jié)快慢速被動(dòng)伸展時(shí)均方根(RMS)振幅的關(guān)系。

研究方法 
本研究招募了10名半側(cè)痙攣腦卒中患者,納入標(biāo)準(zhǔn)為:(1)缺血性或出血性腦卒中繼發(fā)的偏癱;(2)病程≥6 個(gè)月;(3)殘留自愿性肘屈曲力;(4)改良 Ashworth 量表(MAS)評(píng)分為 2-3 分;接受肱二頭肌 100 單位肉毒毒素(BoNT)注射。排除多發(fā)性腦卒中患者、其他病因引起的阻力增加、有既往肌肉骨骼損傷史、及其他可能導(dǎo)致痙攣的合并癥,如脊髓損傷。

受試者在注射肉毒毒素前 1 周與注射肉毒毒素后 3 周接受訪視并完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集。把HD-sEMG(荷蘭TMSi Refa-136 放大器,采樣率 2048 Hz, 分辨率24 位)(8×8 電極陣列,直徑 4.5mm,間距 8.5mm)貼于受試者肱二頭肌肌腹上方,記錄被動(dòng)牽張下每位測(cè)試者的痙攣肱二頭肌的高密度表面肌電信號(hào)。

受試者需要完成被動(dòng)牽張任務(wù):伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)前臂做 50° 屈伸運(yùn)動(dòng),初始位置為快速手動(dòng)(a quick manual passive stretch被動(dòng)拉伸期間可檢測(cè)到異常肌肉張力時(shí)的角度減去 10 度。,位置在肘關(guān)節(jié)完全伸展之前,使肘關(guān)節(jié)以兩種速度做伸展和屈曲運(yùn)動(dòng)(快速:FPE, 100°/s,慢速:SPE, 5°/s),每次伸展和屈曲后分別保持2秒靜止休息。每種速度采集 3 次,實(shí)驗(yàn)之間休息 1 分鐘。

研究者計(jì)算了采集所得HD-sEMG的移動(dòng)均方根(RMS) 包絡(luò), 并計(jì)算了斜率指標(biāo)。研究者還計(jì)算了斜率與 MAS (改良 Ashworth 量表)的相關(guān)性。

斜率指標(biāo):對(duì)于每次訪問,用快速拉伸速度的峰值 RMS 包絡(luò)值減去慢速拉伸速度的峰值 RMS 包絡(luò)值,得到兩者的差值;該差值(斜率)表征了肌肉在不同拉伸速度下活動(dòng)強(qiáng)度的變化率。在痙攣肌肉中,由于拉伸反射的速度依賴性,快速拉伸會(huì)引發(fā)更強(qiáng)的肌肉反應(yīng),因此斜率較大;而 BoNT 注射后,肌肉痙攣減輕,速度依賴性反應(yīng)減弱,斜率會(huì)降低。

研究結(jié)果以及解釋 
圖2(A)顯示了每次訪視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 值在兩次訪問中均顯著低于 快速(100°/s )拉伸速度(A),表明隨著拉伸速度增加,峰值 RMS 值增加,反映痙攣肌肉在被動(dòng)拉伸反射中依賴速度的 “卡頓” 現(xiàn)象。在注射肉毒毒素(BoNT)后,每個(gè)拉伸速度對(duì)應(yīng)的峰值 RMS均顯著降低,表明肌肉張力得到緩解。
圖2(B)展示了斜率指標(biāo)在注射BoNT后顯著降低,且所有受試者在注射后斜率指標(biāo)均比注射前更低。這表明斜率可提供與 BoNT 注射相應(yīng)的痙攣肌肉拉伸反射的客觀定量測(cè)量,也可能是區(qū)分痙攣肌肉和健康肌肉的潛在特征,因?yàn)榻】导∪鈱?duì)任何拉伸速度都沒有阻力,斜率接近零。
而10名受試者中僅5名注射后改良 Ashworth 量表(MAS)分值降低。進(jìn)一步探索與斜率的相關(guān)性(見表1),并未發(fā)現(xiàn)兩者之間的顯著關(guān)系。表明 MAS 始終缺乏量化痙攣中異常張力的適當(dāng)敏感性。
 
 
圖2. 注射肉毒毒素前后HD-sEMG特征的變化。(A)注射前后兩種拉伸速度的均方根包絡(luò)峰值特征。(B)注射前后的斜率指標(biāo)。∗p<0.05。
 
表1. 斜率指標(biāo)與MAS評(píng)分相關(guān)性
 
 
總結(jié),不足和展望 
本研究旨在探究高密度表面肌電圖(HD - sEMG)作為生物標(biāo)志物檢測(cè)和監(jiān)測(cè)痙攣肌肉的功效,通過對(duì) 10 名腦卒中患者注射肉毒桿菌毒素(BoNT)前后的被動(dòng)拉伸反射進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn) HD - sEMG 的峰值 RMS 包絡(luò)和斜率特征在注射后顯著降低,而改良 Ashworth 量表(MAS)僅部分患者改善,表明 HD - sEMG 衍生特征可作為 MAS 的定量替代指標(biāo)。但研究存在樣本量較小、僅評(píng)估肱二頭肌單一肌肉等不足,未來可擴(kuò)大樣本規(guī)模,納入更多肘屈伸肌進(jìn)行綜合評(píng)估,以優(yōu)化 BoNT 注射的個(gè)性化治療方案,進(jìn)一步提升腦卒中患者痙攣管理的精準(zhǔn)性。
 
原文鏈接
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
 
研究團(tuán)隊(duì)介紹
該研究團(tuán)隊(duì)由來自多個(gè)機(jī)構(gòu)的科研人員組成,主要致力于利用高密度表面肌電圖(HD-sEMG)技術(shù)進(jìn)行腦卒中后肌肉痙攣的檢測(cè)與監(jiān)測(cè)研究。具體成員及所屬機(jī)構(gòu)如下:
Nhi Nguyen、Michael Houston、Yang Liu、Yingchun Zhang(張迎春):來自休斯頓大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系,其中 Yingchun Zhang 為 IEEE 高級(jí)會(huì)員,同時(shí)還隸屬于邁阿密大學(xué) Desai Sethi 泌尿外科研究所和邁阿密癱瘓治療項(xiàng)目。
Yen-Ting Chen:任職于東北州立大學(xué)健康與運(yùn)動(dòng)學(xué)系。
Sheng Li:隸屬于德克薩斯大學(xué)健康科學(xué)中心和 TIRR 紀(jì)念赫爾曼醫(yī)院。
 
關(guān)于維拓啟創(chuàng)
維拓啟創(chuàng)(北京)信息技術(shù)有限公司成立于2006年,是一家專注于腦科學(xué)、康復(fù)工程、人因工程、心理學(xué)、體育科學(xué)等領(lǐng)域的科研解決方案供應(yīng)商。公司與國內(nèi)外多所大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)長期保持合作關(guān)系,致力于將優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品、先進(jìn)的技術(shù)和服務(wù)帶給各個(gè)領(lǐng)域的科研工作者,為用戶提供有競(jìng)爭(zhēng)力的方案和服務(wù),協(xié)助用戶的科研工作,持續(xù)提升使用體驗(yàn)。

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標(biāo)簽: 高密度肌電圖 HD-sEMG
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