中国康复・2017年4月・第32卷第2期 145 ・综述・ 脑卒中患者脑电、肌电相干性研究 赵晨钰,毕胜 【关键词】脑卒中;相干;脑电;肌电;综述 【中图分类号】R49;R743.3 【DoI】10.3870/zgkf.2017.O2.019 脑卒中是指突然发生的、由脑血管病变引起的局 限性或全脑功能障碍,分为出血性和缺血性脑卒中_】], 具有发病率高、死亡率高、致残率高、复发率高等四大 特点_2]。在我国,每年都会有600多万新增脑卒中患 者l_3],其中大约有2/3能存活下来,但却有1/2的患者 存在不同程度的运动功能障碍_2],严重影响患者的生 活及工作,给其家庭造成沉重的负担。 目前针对脑卒中引起的运动功能障碍,康复评定 主要以定性评价和半定量评价为主¨4],且多由医师凭 经验做出判断,主观性强、效率低、灵敏度差_5 ]。因 此,有效识别神经肌肉系统的运动特征,构建客观量化 的康复功能评价体系显得尤为重要。脑电(Electroen— cephalogram,EEG)信号包含了大脑对躯体运动的控 制信息,而表面肌电(Surface Electromyography, sEMG)信号则可以反映出肌肉对大脑控制意图的功 能响应信息,能够直接反应运动神经系统的功能状 态[5],通过对EEG和EMG的研究,可以反应脑损伤 后异常的肌肉协同模式及大脑皮层功能重组的情 况 ,可以更系统地解释运动控制过程及运动障碍 的病理机制 ],同时也为神经康复的运动功能评价提 供了新的方法。近年来关于脑电、肌电的相干性研究 已成为运动功能评价研究的趋势,得到越来越多的重 视。本文现将脑卒中患者的相干性研究文献做一简单 综述。 1相干性定义 相干性分析是近年来提出的一种反映信号间同步 程度的分析方法 ¨],是指两个信号间的线性关系 或相互依赖程度 ,其大小可以用相干系数值表示。 两个信号a和b在某频率f的相干系数值为两者功率 基金项目:国家自然科学基金(81272162) 收稿日期:2016—05—16 作者单位:中国人民解放军总医院,北京100853 作者简介:赵晨钰(1989一),女,硕士,主要从事脑卒中康复方面的研究。 通讯作者:毕胜,bisheng301@gmail.CON 谱密度(Power-Spectrum Density,PSD)和互谱密度 (Cross-Spectrum Density,CSD)的函数口 。可通过 数一模转换及相应的频谱分析得到两个信号间的相干 系数值。相干系数值为一个没有单位的实数,范围为 O~1 ’12-13];0表示两个信号间的功率和相位为非线 性关系,1表示两个信号间的功率和相位为完全的线 性关系 '12-14 ̄。相干系数值越大,说明两个信号活动 的同步程度越高,两者相互依赖、相互联络的程度越 强 1 。 2相干性分类 2.1 EEG—EMG相干 EEG—EMG相干指的是大脑 活动时的脑电信号和肌肉收缩时的肌电信号节律活动 之间的线性耦合[1引,可以用来探索大脑皮层的脑电信 号与表面肌电信号间的关联性,又被称为皮层肌肉相 干性(Corticomuscular Coherence,CMC)。通过对健 康人的研究已经证明控制肌肉功能的直接连接都来自 于对侧大脑运动皮层,而与肌肉同侧的运动皮层区域 没有明显相干性[1 。这一结论与生理学中左右躯体 的运动、感觉分别受对侧大脑半球支配相一致[1 。 Chakarov等口 ]研究发现在15~45Hz频段的CMC值 随动态力量水平的增长呈现线性增长,即CMC值是 一个高水平的动态同步过程。但也有研究表明beta 频段(13 ̄30Hz)的CMC值与静态力量的输出有关, 而gamma频段(31~45Hz)的相干性与动态力量的输 出有关 ]。而Mendez—Balbuena等 ” 则发现在不同 低水平力量的频率不可预测的情况下,CMC值明显更 低,力的频率的不可预测性会导致皮质脊髓束同步性 的减低、皮层和肌肉活化作用的增加及性能减低。通 过对健康人的研究,表明EEG—EMG相干性可能与运 动的性能(如力量等)有关,也许可以通过相干评价脑 卒中患者的运动性能,但不同频段相干值的意义等仍 需进一步研究。 2.2 EEG—EEG相干 EEG—EEG相干是指成对脑电 信号在某一频率范围内波动形式的一致程度[1 。精 146 Chinese Journal of Rehabilitation,Apr 2017,Vo1.32 No.2 确的说,两个脑电信号间的相干性被定义为两者间的 互功率(即两个信号间的绝对功率值标准化)[83。人类 大脑的活动分为不同的功能区域,各个功能区并不是 相互独立存在的,而是在时间、空间和频域上具有一定 的联系,从而形成一个个复杂的神经网络系统口 。这 种网络间的联系依赖于具有相似特征的神经元同时放 电而产生的同步震荡,以实现神经信息的传导和不同 大脑功能区间的协同工作[1 ¨]。 EEG—EEG相干性分析可以作为不同大脑皮层区 EMG相干性在beta和gamma频段都降低,且gamma 频段EEG—EMG相干性降低更显著甚至是缺失。已 有研究表明beta频段(13~30Hz)皮层肌肉相干性与 静态力输出有关,gamma频段(31~45Hz)皮层肌肉 相干性多与认知、记忆等大脑皮层信息整合有关[1 。 因此,通过对不同频段的EEG—EMG相干性进行分 析,可以对神经运动系统的不同功能状态进行评价。 Carlowitz—Ghori等_23]也进行了脑卒中急性期和 慢性期两个阶段的CMC研究:通过对8~44Hz频段 域间功能联系的指示器l_8],有效提取脑功能区间的网 络联系和协同工作模式[1 。可用EEG—EEG相干性 分析大脑皮层区域问的功能耦合,研究不同脑区间的 功能联系,为患者的进一步康复治疗提供依据。 2.3 EMG-EMG相干 EMG-EMG相干性可用于评 估两块肌肉在频域中活化的一致程度,即可以量化两 肌肉间的振荡同步,为控制肌肉的运动神经元间共突 触驱动共享提供客观的检测方法口 。头皮脑电的记 录存在一定的困难_1 ,且容易受到外部多种因素干 扰,如眼电信号、视觉反馈等。但是在同样的任务中, 导致EEG—EMG相干性的驱动同样可以引起共同激 活的主动肌群间的肌间相干性。EMG—EMG相干性 原理也许可以给出一种关于下行皮质驱动的信息(类 似于皮层肌肉耦合信息),可为皮质下运动的驱动提供 一种额外的见解口 。 3脑卒中患者相干性研究 3.1 EEG—EMG相干性研究Hallett等 0_为评估锥 体束损伤后,身体对侧和同侧运动皮层与肌肉间的功 能联系,对皮层下卒中患者进行屈肘、伸腕及手指抓握 动作时的EEG—EMG相干性研究,结果与正常人的研 究相似,显著相干性出现在对侧感觉运动区,身体同侧 运动区没有观察到明显的相干性_1 。他们认为只有 身体对侧运动区联系失败时,同侧运动区才会发挥作 用,所以运动功能恢复较好的患者,同侧EEG—EMG 相干性不显著L2 ;另一种解释是身体同侧的感觉运动 皮层是通过皮层一皮层间的连系或多突触通路来帮助 患侧大脑进行运动控制的[2 。此外,他们还发现患者 患侧手部和前臂的肌肉相干性更小,但肱二头肌的相 干性与健侧没有明显不同,这可能是由于肩肘的运动 功能首先恢复的原因,但机制尚不清楚 。由于 EEG—EMG相干性研究多集中于功能恢复较好的患 者,研究结果多与正常人相似。为此,Yin Fang等 对功能恢复较差的卒中患者在做“伸手够物动作 (reaching动作)”时进行EEG-EMG相干性研究;结果 表明患者患侧的三角肌、肱二头肌、肱三头肌的EEG— 拇短展肌的研究表明卒中急性期健侧CMC幅度比患 侧大,且比慢性期健侧CMC幅度大;与慢性期及健康 对照组相比,急性期健患两侧的CMC峰值所在频率 都降低;而慢性期,CMC在幅度和频率方面都没有表 现出大脑半球间或组间差异。因此,卒中急性期cMc 的改变是一种抑制性的临时减低,在恢复过程中可以 逐渐正常化 。说明CMC在幅度和频率方面的变化 随着时间的推移可以反映出运动功能恢复的过程。 马培培等_5 通过对卒中患者下肢膝关节“屈、伸” 运动的研究表明随着运动功能的逐渐恢复,患者健患 两侧EEG—EMG相干性在gamma频段的差异会逐渐 缩小,这为康复过程运动功能的评价提供了依据。由 此进一步说明EEG—EMG相干性可以用来描述卒中 病人运动功能的康复状态,且定量化的评价更客观。 3.2 EEG—EEG相干性研究Hallett等_l。 为研究童 年期卒中导致肌张力障碍的起因,对儿童期卒中遗留 肌张力障碍的患者和健康对照组进行研究,发现在休 息状态下患者半球间相干性显著小于正常人,功能越 差,肌张力障碍越严重,相干性越小。患者休息状态下 大脑半球间的相干性减低反应出大脑半球间联系的减 少,这可能与结构的改变及神经的可塑性有关,对于肌 张力障碍的产生有潜在的作用。Mottaz等_2 发现通 过神经反馈训练可增强卒中患者大脑半球运动皮层间 的相干性。这种相干性的增加与卒中后运动功能的持 续提高有关。此外,Tung等 通过EEG—EEG相干 性分析评价运动想象脑机接口技术对于上肢卒中康复 的疗效,治疗前后Fugl-Meyer评分的改变与≥0.5的 相干指标的数目组成正相关,表明运动功能的恢复与 患侧半球激活量的增加有关,即可以直接用脑电信号 追踪以脑机接口为基础的卒中康复治疗的性能。以上 研究对于评价卒中患者的运动功能具有一定的临床意 义。 3.3 EMG—EMG相干性研究 Kamper等_10_研究慢 性轻偏瘫卒中患者拇指与手指(除拇指外的其余四指) 间耦合(简称“手指一拇指”耦合)的变异。动力学研究 表明在卒中患者自主活动时,手指和拇指屈肌间强有 中国康复・2017年4月・第32卷第2期 147 力的联合显而易见:在手指屈曲时,会产生拇指屈曲和 内收方向的力;同样,在拇指屈曲时也会在其余四指产 生屈曲方向的力,这些结果表明卒中患者在进行独立 手指屈曲运动时,指浅屈肌和拇长屈肌间的关联性很 [6]王耀兵,季林红,黄靖远.偏瘫患者与健康人上肢表面肌电信号 比较研究口].生物医学工程学杂志,2004,21(4):129—130. [7]Nakayama H,J ̄rgensen HS,Raaschou HO,et a1.Recovery of upper extremity function in stroke patients:the Copenhagen Stroke Study[J].Arch Phys Med Rehabil,1994,75(4):394— 398. 强;Kamper等口们假设脑卒中后出现皮质重组,共同的 皮质驱动导致了这种耦合现象,但在手指屈曲和拇指 屈曲时,指浅屈肌一拇长屈肌没有明显的相干性,反而 在拇指伸展中,观察到了这一对肌肉的相干性,这些结 果表明共同的皮层驱动是有限的,实验观察到的屈肌 [8]Manganotti P,Gerloff C,Toro C,et a1.Task—related coherence and task—related spectral power changes during sequential finger movements[J]. E1ectroencephalography and clinical Neurophysi— ology,1998,109(1):50—62. [93 Kisiel—Sajewicz K,Fang Y,Hrovat K,et a1.Weakening of syn— ergist muscle coupling during reaching movement in stroke pa— tients[J].Neurorehabil Neural Repair,2011,25(4):359—368. 耦合也许有其他的来源(皮层下或脊髓),大脑皮层改 变也许间接导致了手指一拇指耦合的增加。因此对于 脑卒中导致的手指屈曲及拇指屈曲的机制有待进一步 研究,以便更好的指导患者的康复训练。 Kisiel-Sajewicz等 对脑卒中患者在reaching动 作中肩肘协同肌肉间电信号的功能耦合进行研究,发 现卒中病人仅三角肌一肱三头肌肌间相干值在0~ l1Hz频段低于正常对照组,且这种功能耦合的弱化具 有时间和频率依赖性;此研究中屈肩肌和伸肘肌之间 的EMG—EMG相干性降低,表明脑卒中后中枢神经系 统运动规划和运动命令功能的损伤可以弱化协同肌间 的功能耦合并使运动性能降低,并且这种一致性的减 低主要发生在原动肌(三角肌和肱三头肌)。而实现精 确平稳的运动,适度的中枢神经系统规划对于制定最 佳运动命令和控制是至关重要的L2 。以上研究也许 可反映与卒中相关的皮质脊髓网络交流的中断,但对 于频率差异产生的机制仍不清楚,仍需进一步研究。 4小结和展望 相干性分析能够用来检测卒中患者肢体的运动功 能状态,对于探索运动障碍性疾病的病理机制、客观指 导卒中患者的康复训练有重要作用。然而目前卒中患 者相干性研究多为小样本研究,在康复评定方面尚缺 乏统一的参考标准。因此,关于脑卒中患者相干性研 究还需要进行大规模临床研究,结合运动学、电生理学 等,得出可用于脑卒中偏瘫患者临床评估的定量参考 指标,以利于指导康复治疗。 【参考文献】 [1]王茂斌,励建安,毕胜.康复医学[M].北京:人民卫生出版社, 2O14:216-217. [2]姚滔涛,王宁华,陈卓铭.脑卒中运动功能训练的循证医学研究 [J].中国康复医学杂志,2010,25(6):565—570. [3] 石巍,王颖.主被动手臂动作的EEG和sEMG特征比较研究 [J].现代电生理学杂志,2014,21(2):105—113. [4]何静杰,刘璇.脑卒中偏瘫侧上肢的评定与康复[刀.中国康复理 论与实践,2004,10(9):571—572. [5] 马培培,陈迎亚,杜义浩,等.中风康复运动中脑电一肌电相干性 分析[J].生物医学工程学杂志,2014,31(5):971—977. [1O]Kamper DG,Fischer HC,Conrad MO,et a1.Finger-thumb COU— pling contributes to exaggerated thumb flexion in stroke survivors [J].J Neurophysiol,2014,111(12):2665—2674. [11]侯文生,张阳,李卫娜,等.手指自主按键运动中脑磁图信号的 相干性分析[J].山东大学学报,2011,46(1):1-5. [12]李云萍,李莉,郑旭嫒.健康人手部不同动作的脑电一肌电相干性 分析口].生物医学工程学杂志,2014,31(5):962—966. [13]王佳,蒋正言.阿尔茨海默病脑电图相干性研究进展[J].中国老 年学杂志,2004,24(12):1213-1215. [14]Orosse P,Cassidy MJ,Brown P.EEG—EMG,MEG-EMG and EMG-EMG frequency analysis physiological principles and clinical applications[J].Clinical Neurophysi0logy,2002,113(10):1523— 1531. [15]Chakarov V,Naranjo JR,Schulte—Mbnting J,et a1.Beta—range EEG—EMG coherence with isometric compensation for increasing modulated low—level forces[J].J Neurophysiol,2009,102(2): 1115—1120. [16]Gwin JT,Ferris DP.Beta—and gamma—range human lower limb corticomuscular coherence[J].Front Hum Neurosci,2012,6 (258):1—6. [17]Mendez—Balbuena I,Naranjo JR,Wang X,et a1.The strength of the corticospinal coherence depends on the predictability of modu— lated isometric forces[J].J Neurophysiol,2013,109(6):1579— 1588. [18]Kukke SN,Campos AC,Damiano D,et a1.Cortical activation and inter-hemispheric sensorimotor coherence in individuals with arm dystonia due to childhood stroke[J].Clin NeurophysioI, 2015,126(8):1589-1598. [1 9]Lee SW,Landers K,Harris—Love ML.Aetivation and intermus— cular coherence of distal arm muscles during proximal muscle con— traction[J].Exp Brain Res,2014,232(3):739—752. [20]Tatsuya Mima M,Keiichiro Toma M,Benjamin Koshy B,et a1. Coherence Between Cortical and Muscular Activities After Sub- cortical Stroke[J].Stroke,2001,32(11):2597—2601. [21]Carr LLAJA.Patterns of central motor reorganization in hemiple— gic cerebral palsy[J].Brain Res,1993,116(5):1223—1248. [223 Fang Y,Daly JJ,Sun J,et a1.Functional corticomuscular cOn— nection during reaching is weakened following stroke[J].Clin Neurophysiol,2009,120(5):994—1002. [23]Carlowitz-Ghori K。Bayraktaroglu z,Hohlefeld FU,et a1.Corti— comuscular coherence in acute and chronic stroke[J].Clin Neuro— physiol,2014,125(6):1182-1191. [24]Mottaz A,Solca M,Magnin C,et a1.Neurofeedback training of alpha—band coherence enhances motor performance[J].Ctin Neu— rophysiol,2015,126(9):1754—1760. [25]Tung SW,Guan C,Ang KK,et a1.Motor imagery BCI for upper limb stroke rehabilitation an evaluation of the EEG recordings u— sing coherence analysis[J].Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc, 2O13,2013:26I-264. [26]Reisman DS,Scholz JP.Workspace location influences joint coor— dination during reaching in post—stroke hemiparesis[J].Exp Brain Res。2006,170(2):265-276.