文獻速覽：高密度肌電圖之精準捕捉腦卒中后痙攣肌肉的 “動態指紋”_abio生物試劑品牌網
文獻速覽 | 高密度肌電圖
HD-sEMG 如何撕開神經肌肉研究的新切口
背景介紹
引言：什么是技能的天花板效應？
腦卒中作為全球第二大死亡原因及首要致殘疾病，約 20%-40% 的幸存者會出現痙攣癥狀，表現為牽張反射亢進導致的肌肉張力異常升高。當前一線療法肉毒毒素（BoNT）注射雖能緩解肌肉張力，但其療效評估依賴改良 Ashworth 量表（MAS），改良 Ashworth 量表主要是測試者對肌肉緊張的定性或半定量評估，所以可能是主觀的，且難以準確量化肌肉狀態。且有研究表明：MAS不能在肉毒毒素注射后的被動牽張評估中，檢測肌肉痙攣的變化。
生物力學指標（如扭矩）也已被用于評估 BoNT 注射前后牽張反射的變化。扭矩雖能反映關節活動，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），為單肌肉精準評估提供了可能。
圖1. 文章信息
文章概要
來自張迎春課題組在2024 年 IEEE 工程與生物醫學學會年會的一篇報告，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）研究的基礎上，應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，驗證了HD-sEMG 的均方根（RMS）包絡信號及快慢被動伸展（FPE/SPE）斜率作為痙攣量化生物標志物的有效性，首次量化了肘關節快慢速被動伸展時均方根（RMS）振幅的關系。
研究方法
本研究招募了10名半側痙攣腦卒中患者，納入標準為：（1）缺血性或出血性腦卒中繼發的偏癱；（2）病程≥6 個月；（3）殘留自愿性肘屈曲力；（4）改良 Ashworth 量表（MAS）評分為 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驗數據采集。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，記錄被動牽張下每位測試者的痙攣肱二頭肌的高密度表面肌電信號。
受試者需要完成被動牽張任務：伺服電機驅動前臂做 50° 屈伸運動，初始位置為快速手動（a quick manual passive stretch被動拉伸期間可檢測到異常肌肉張力時的角度減去 10 度。，位置在肘關節完全伸展之前，使肘關節以兩種速度做伸展和屈曲運動（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，實驗之間休息 1 分鐘。
研究者計算了采集所得HD-sEMG的移動均方根（RMS） 包絡， 并計算了斜率指標。研究者還計算了斜率與 MAS （改良 Ashworth 量表）的相關性。
斜率指標：對于每次訪問，用快速拉伸速度的峰值 RMS 包絡值減去慢速拉伸速度的峰值 RMS 包絡值，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強度的變化率。在痙攣肌肉中，由于拉伸反射的速度依賴性，快速拉伸會引發更強的肌肉反應，因此斜率較大；而 BoNT 注射后，肌肉痙攣減輕，速度依賴性反應減弱，斜率會降低。
研究結果以及解釋
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拉伸反射中依賴速度的 “卡頓” 現象。在注射肉毒毒素（BoNT）后，每個拉伸速度對應的峰值 RMS均顯著降低，表明肌肉張力得到緩解。
圖2(B)展示了斜率指標在注射BoNT后顯著降低，且所有受試者在注射后斜率指標均比注射前更低。這表明斜率可提供與 BoNT 注射相應的痙攣肌肉拉伸反射的客觀定量測量，也可能是區分痙攣肌肉和健康肌肉的潛在特征，因為健康肌肉對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。進一步探索與斜率的相關性（見表1），并未發現兩者之間的顯著關系。表明 MAS 始終缺乏量化痙攣中異常張力的適當敏感性。
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峰值特征。（B）注射前后的斜率指標。?p<0.05。
表1. 斜率指標與MAS評分相關性
總結，不足和展望
本研究旨在探究高密度表面肌電圖（HD - sEMG）作為生物標志物檢測和監測痙攣肌肉的功效，通過對 10 名腦卒中患者注射肉毒桿菌毒素（BoNT）前后的被動拉伸反射進行分析，發現 HD - sEMG 的峰值 RMS 包絡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。但研究存在樣本量較小、僅評估肱二頭肌單一肌肉等不足，未來可擴大樣本規模，納入更多肘屈伸肌進行綜合評估，以優化 BoNT 注射的個性化治療方案，進一步提升腦卒中患者痙攣管理的精準性。
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
研究團隊介紹
該研究團隊由來自多個機構的科研人員組成，主要致力于利用高密度表面肌電圖（HD-sEMG）技術進行腦卒中后肌肉痙攣的檢測與監測研究。具體成員及所屬機構如下：
Nhi Nguyen、Michael Houston、Yang Liu、Yingchun Zhang（張迎春）：來自休斯頓大學生物醫學工程系，其中 Yingchun Zhang 為 IEEE 高級會員，同時還隸屬于邁阿密大學 DesAI Sethi 泌尿外科研究所和邁阿密癱瘓治療項目。
Yen-Ting Chen：任職于東北州立大學健康與運動學系。
Sheng Li：隸屬于德克薩斯大學健康科學中心和 TIRR 紀念赫爾曼醫院。
關于維拓啟創
維拓啟創（北京）信息技術有限公司成立于2006年，是一家專注于腦科學、康復工程、人因工程、心理學、體育科學等領域的科研解決方案供應商。公司與國內外多所大學、研究機構、企業長期保持合作關系，致力于將優質的產品、先進的技術和服務帶給各個領域的科研工作者，為用戶提供有競爭力的方案和服務，協助用戶的科研工作，持續提升使用體驗。
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引言：什么是技能的天花板效應？
腦卒中作為全球第二大死亡原因及首要致殘疾病，約 20%-40% 的幸存者會出現痙攣癥狀，表現為牽張反射亢進導致的肌肉張力異常升高。當前一線療法肉毒毒素（BoNT）注射雖能緩解肌肉張力，但其療效評估依賴改良 Ashworth 量表（MAS），改良 Ashworth 量表主要是測試者對肌肉緊張的定性或半定量評估，所以可能是主觀的，且難以準確量化肌肉狀態。且有研究表明：MAS不能在肉毒毒素注射后的被動牽張評估中，檢測肌肉痙攣的變化。
生物力學指標（如扭矩）也已被用于評估 BoNT 注射前后牽張反射的變化。扭矩雖能反映關節活動，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），為單肌肉精準評估提供了可能。
圖1. 文章信息
文章概要
來自張迎春課題組在2024 年 IEEE 工程與生物醫學學會年會的一篇報告，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）研究的基礎上，應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，驗證了HD-sEMG 的均方根（RMS）包絡信號及快慢被動伸展（FPE/SPE）斜率作為痙攣量化生物標志物的有效性，首次量化了肘關節快慢速被動伸展時均方根（RMS）振幅的關系。
研究方法
本研究招募了10名半側痙攣腦卒中患者，納入標準為：（1）缺血性或出血性腦卒中繼發的偏癱；（2）病程≥6 個月；（3）殘留自愿性肘屈曲力；（4）改良 Ashworth 量表（MAS）評分為 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驗數據采集。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，記錄被動牽張下每位測試者的痙攣肱二頭肌的高密度表面肌電信號。
受試者需要完成被動牽張任務：伺服電機驅動前臂做 50° 屈伸運動，初始位置為快速手動（a quick manual passive stretch被動拉伸期間可檢測到異常肌肉張力時的角度減去 10 度。，位置在肘關節完全伸展之前，使肘關節以兩種速度做伸展和屈曲運動（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，實驗之間休息 1 分鐘。
研究者計算了采集所得HD-sEMG的移動均方根（RMS） 包絡， 并計算了斜率指標。研究者還計算了斜率與 MAS （改良 Ashworth 量表）的相關性。
斜率指標：對于每次訪問，用快速拉伸速度的峰值 RMS 包絡值減去慢速拉伸速度的峰值 RMS 包絡值，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強度的變化率。在痙攣肌肉中，由于拉伸反射的速度依賴性，快速拉伸會引發更強的肌肉反應，因此斜率較大；而 BoNT 注射后，肌肉痙攣減輕，速度依賴性反應減弱，斜率會降低。
研究結果以及解釋
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拉伸反射中依賴速度的 “卡頓” 現象。在注射肉毒毒素（BoNT）后，每個拉伸速度對應的峰值 RMS均顯著降低，表明肌肉張力得到緩解。
圖2(B)展示了斜率指標在注射BoNT后顯著降低，且所有受試者在注射后斜率指標均比注射前更低。這表明斜率可提供與 BoNT 注射相應的痙攣肌肉拉伸反射的客觀定量測量，也可能是區分痙攣肌肉和健康肌肉的潛在特征，因為健康肌肉對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。進一步探索與斜率的相關性（見表1），并未發現兩者之間的顯著關系。表明 MAS 始終缺乏量化痙攣中異常張力的適當敏感性。
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峰值特征。（B）注射前后的斜率指標。?p<0.05。
表1. 斜率指標與MAS評分相關性
總結，不足和展望
本研究旨在探究高密度表面肌電圖（HD - sEMG）作為生物標志物檢測和監測痙攣肌肉的功效，通過對 10 名腦卒中患者注射肉毒桿菌毒素（BoNT）前后的被動拉伸反射進行分析，發現 HD - sEMG 的峰值 RMS 包絡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。但研究存在樣本量較小、僅評估肱二頭肌單一肌肉等不足，未來可擴大樣本規模，納入更多肘屈伸肌進行綜合評估，以優化 BoNT 注射的個性化治療方案，進一步提升腦卒中患者痙攣管理的精準性。
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
研究團隊介紹
該研究團隊由來自多個機構的科研人員組成，主要致力于利用高密度表面肌電圖（HD-sEMG）技術進行腦卒中后肌肉痙攣的檢測與監測研究。具體成員及所屬機構如下：
Nhi Nguyen、Michael Houston、Yang Liu、Yingchun Zhang（張迎春）：來自休斯頓大學生物醫學工程系，其中 Yingchun Zhang 為 IEEE 高級會員，同時還隸屬于邁阿密大學 DesAI Sethi 泌尿外科研究所和邁阿密癱瘓治療項目。
Yen-Ting Chen：任職于東北州立大學健康與運動學系。
Sheng Li：隸屬于德克薩斯大學健康科學中心和 TIRR 紀念赫爾曼醫院。
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維拓啟創（北京）信息技術有限公司成立于2006年，是一家專注于腦科學、康復工程、人因工程、心理學、體育科學等領域的科研解決方案供應商。公司與國內外多所大學、研究機構、企業長期保持合作關系，致力于將優質的產品、先進的技術和服務帶給各個領域的科研工作者，為用戶提供有競爭力的方案和服務，協助用戶的科研工作，持續提升使用體驗。
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