肌肉形态参数和电阻抗生理参数模型研究脑卒中后肌力变化的机制

Stroke often leads to muscle atrophy, weakness and spasticity as well as contracture which affects motor function. Our previous results showed ultrasonography is a feasible method to evaluate the muscle architectural changes in vivo in patients after stroke, such as shorten muscle fascicle length and changes of pennation angle, but how these parameters related to the muscle function is still not clear. Based on this, we will apply electrical impedance myography(EIM) to investigate electrophysiological information as well as muscle morphological parameters by using B mode ultrasound simultaneously. EIM with a localized multi-frequency technology could quantify muscle inherent electrical properties and be used to evaluate neuromuscular changes induced by alterations in cell membrane permittivity, loss of muscle fibers, as well as fat infiltration. In addition, the muscle anisotropy characteristics after stroke would also be revealed by EIM. Last, EMG-driven model with forward dynamic method will be used to calculate individual muscle force and correlation analysis will be applied to study the relationship between the muscle force and muscle architectural and electrical impedance parameters. In summary, the project will combine in-vivo architectural parameters and electrical impedance information of muscle tissue and help to find the relationship between the muscle force generation changes after stroke and the muscle inherit property. Assessing muscle structural modifications poststroke will facilitate the understanding of the biomechnical mechanism of muscle weakness after stroke and to profound insights to method and evidence for rehabilitation intervention and develope training regimes.

脑卒中后偏瘫侧常出现肌肉萎缩、屈曲痉挛和关节挛缩现象，导致肌肉发力异常和功能障碍。前期通过超声探查肌肉肌腱形态学参数，发现卒中后肌纤维长度、羽状肌角度的变化与临床功能指标相关，然而其神经肌肉及生物力学机制尚不明确。本研究引入肌肉电阻抗技术（EIM），其参数主要反映肌纤维和肌内细胞在弱电流下的通透性、排列特性和肌内外脂肪比例等情况。我们将EIM应用于卒中痉挛后肉毒毒素注射的即时效应分析，已发现EIM参数确有变化，但其改变机制及对肌肉功能的影响未明。本课题将肌肉电生理参数结合超声测量的肌肉形态进行模型化分析，明确卒中健侧、患侧以及正常对照组在肌肉放松和不同发力强度下的参数变化，深入了解神经肌肉系统损伤后肌肉结构、组织成分及肌肉各向异性等改变。最后通过神经肌肉骨骼建模计算单一肌肉发力并与上述肌肉参数进行相关性分析，揭示肌肉特性改变对发力的影响机制，为卒中后运动康复治疗和评估提供理论依据和技术基础

我国成年人脑卒中发病率和死亡率居首位，且致残率高，大部分伴有运动为主的功能障碍，对家庭和社会造成巨大负担。卒中后患者偏瘫侧常出现肌肉萎缩、屈曲痉挛和关节挛缩现象，导致肌肉发力异常和功能障碍。本项目通过引入肌肉电阻抗技术（EIM），其参数主要反映肌纤维和肌内细胞在弱电流下的通透性、排列特性和肌内外脂肪比例等情况， 并结合前期已开展的肌骨超声用于肌肉肌腱形态参数评估，从肌肉电阻抗特性与形态结构特性联合分析卒中后偏瘫肌肉的生物力学特征变化。由于超声技术和肌肉电阻抗技术分别属于不同的物理原理（分别发射声波和电流）,不会相互干扰。围绕上述核心思路，本项目具体开展的主要研究内容包括：1）结合两种手段在脑卒中下肢的胫骨前肌（TA）进行了联合应用，结果发现肌肉形态结构参数（来自超声）与肌肉组成成分参数（来自电阻抗）是相互关联的，并且随踝关节角度而变化，且变化率患侧与健侧不同，其程度与临床量表相关。据我们了解，这是国际上率先将超声和肌肉电阻抗两种技术同步应用于脑卒中后肌肉形态参数变化机制的研究。2）将电阻抗结合肌肉弹性评估冲击波治疗卒中后肌肉痉挛，通过联合使用NeuroFlexor生物力学模型方法 结合肌肉弹性（机械效应参数）和EIM，比较研究脑卒中偏瘫侧和正常侧上肢腕屈肌的生物力学特征和电阻抗特性的差异。干预方面，脑卒中患者随机分为实验组和对照组，实验组使用单次体外冲击波（ESW）干预+常规上肢康复干预，对照组进行常规上肢康复干预，结果发现EIM电抗参数（X）即时评估较基线升高。痉挛肌肉的张力、硬度、弹性和粘性等生物力学特征以及电阻抗特性出现不同程度变化，发现腕屈肌痉挛程度治疗后显著下降，上肢运动功能好转。这表明外周肌肉生物力学特征和反映肌肉结构及成分的电阻抗特性变化影响痉挛程度。3） EIM联合表面肌电（EMG）对脑卒中下肢痉挛肌肉在功能电刺激联合脚踏车训练前后的评估，发现胫骨前肌（TA）和腓肠肌内侧头（MG）EIM变化显著且与临床功能相关，敏感度好于表面肌电。本项目研究成果为肌肉电生理参数结合超声测量肌肉形态的模型构造提供了具体思路，明确了卒中健侧、患侧以及正常对照组在肌肉放松和不同活动状态参数变化，同时也对训练干预前后开展了比较研究，项目结果对深入了解神经肌肉系统损伤后肌肉结构、组织成分及肌肉各向异性等改变提出了新方法，并对评估康复干预效果提供依据。