肌肉肌腱力学特性改变对脑卒中步态重建的神经肌肉骨骼建模研究

脑卒中患者由于偏瘫侧关节和肌肉处于痉挛和失用状态，造成肌力下降和关节活动范围缩小，以及拮抗肌发力失控等问题。前期完成的研究通过超声测量技术收集肌肉肌腱形态参数，证实了脑卒中患者上肢发力与肌肉肌腱形态相关，也和关节位置相关。本研究在前期实验基础上，以正常人和脑卒中患者下肢健侧和患侧为对象，利用B型超声测量膝踝关节运动相关的肌纤维长度、羽状肌的肌纤维角度和肌肉厚度等参数，采集肌肉发力时肌电信号为神经兴奋信号，构建膝踝关节神经肌肉骨骼模型；同时应用三维步态运动分析和动态矢向动力学得到的运动参数对神经肌肉骨骼模型进行验证和校准。本研究重点对膝踝关节肌肉肌腱在脑卒中特定病理情况下的改变进行模型分析，阐明中枢神经损伤导致的变化在行走时对其步态影响及重建的运动生物力学机制，为脑卒中等中枢神经损伤的恢复提供理论依据和技术。

脑卒中患者由于偏瘫侧关节和肌肉处于痉挛和失用状态，出现肌力下降和关节活动范围缩小，以及拮抗肌发力失控等问题, 然而影响其发生发展的肌肉肌腱生物力学机制还尚不清楚。本项目基于B型超声肌肉形态检测和生物力学测量技术， 以正常人和脑卒中患者健侧和患侧下肢膝踝关节运动相关的肌肉肌腱的结构形态参数和生物力学特性为研究对象，围绕肌肉结构形态参数在病理情况下的变化机制，进行了一系列模型化分析和研究。同时，我们从康复临床实际需要出发，将生物力学、超声以及肌电信号应用于减重平板对亚急性期脑卒中干预后的下肢肌肉及发力变化的评估相结合， 取得了以下进展和成果：1）我们证实了脑卒中患者下肢肌肉形态在病理条件下发生改变，模型化分析表明患者患侧腓肠肌、胫骨前肌相对于健侧和正常人有肌纤维缩短和羽状肌的肌纤维角度变小的差异。2）将超声和生物力学技术应用于康复临床，我们发现实施三周的减重跑台对亚急性期脑卒中患者进行早期干预, 可产生包括肌力增加和下肢Fugl-Meyer临床量表提高的效果，重要的是这些指标与肌肉肌腱形态参数的变化相关；3）实验还证实减重训练中肌电信号的对称性、频谱下降与运动功能恢复有关，此指标可用于评估运动训练强度。本项目的上述研究成果，共发表SCI论文2篇，录用待发表SCI论文1篇，发表在Biomed Research International、Brain Injury、Clinical Medical Imaging Reviews等国际权威杂志上，并获得了1项广东省部产学研技术前沿专项基金的资助。同时核心成果还获两次国际生物力学大会(ISB)的EDC旅行奖进行分会场口头汇报。综上所述，本项目的各项研究内容顺利完成，实现了预期的研究目标。本项目的研究结果揭示了中枢神经损伤导致的下肢肌肉变化对脑卒中运动功能影响的神经生物力学机制，为脑卒中的下肢康复治疗提供了理论依据和评估的技术手段。