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近年来脑卒中的发病率逐年上升,当前我国的脑卒患病人数已经达到1300万。脑卒中对人体中枢神经系统造成损伤,进而产生不同程度的运动功能障碍,是一种致残率极高的疾病。脑卒中后,患者平衡能力和步态功能的重建是康复训练的首要目标。基于此,本文展开脑卒中患者静止站立时的平衡能力、肌肉控制以及行走时的步态与下肢肌肉活动之间关系的研究,发现了脑卒中后人体站立和行走的运动控制病理学机制,对临床上脑卒中患者的康复和运动功能重建具有指导意义。本文主要完成以下工作:(1)脑卒中康复期站立平衡控制的动力学分析。人体大部分运动功能的实现都以平衡能力作为基础。脑卒中患者的一侧肢体麻木使其出现平衡功能缺陷,表现为站立姿态的不稳定性。压力中心(center of pressure,COP)和质心加速度(center of mass acceleration,COMA)是评价人体站立平衡功能常用的动力学信号。本研究设计了脑卒中患者的静止站立实验,应用改良的去趋势波动分析(detrended fluctuation analysis,DFA)等算法,计算了在静止站立过程中的COP面积、COP速度以及前后(anterior-posterior,AP)方向和左右(medial-lateral,ML)方向的COP偏移量、COMA标准差和COMA结构变异性参数α。结果表明,COP面积、ML-COP偏移量、AP-COMA标准差、AP-COMA的α值以及ML-COMA的α值在脑卒中患者与控制组之间具有显著差异性(p<0.05)。这些发现说明脑卒中患者在站立时COP向健侧偏移、姿态稳定性降低、COP与COM之间的同步性减弱以及平衡控制的灵活度丢失。(2)脑卒中康复期站立时下肢SEMG的幅值频率特征分析。下肢神经肌肉控制对站立平衡有关键作用,脑卒中患者平衡能力下降可能和下肢肌肉活动异常有关。为调查脑卒中患者静止站立时下肢表面肌电(surface electromyography,SEMG)信号幅值和频率的变化,在上述静止站立实验中,同步测量了股直肌(rectusfemoris,RF)、胫骨前肌(tibialis anterior,TA)、股二头肌(biceps femoris,BF)和腓肠肌(gastrocnemius,GA)的 SEMG 信号。利用均方根(root mean square,RMS)算法和平均频率(mean frequency,MF)算法获得以下 8 项肌电参数:RFRMs、BFRMs、TARMs、GARMs、RFMF、BFMF、TAMF、GAMF。结果表明,TARMS、GARMS、RFMF、TAMF在健侧组与患侧组之间有显著性差异(p<0.05);TARMS、GARMS、RFMF、BFMF、TAMF在健侧组与控制组之间有显著性差异(p<0.05)。这些结果反映出脑卒中患者健侧TA、GA的收缩强度增大,并且RF、BF、TA的肌电频率升高,表明TA对脑卒中患者的平衡控制起到关键作用,患者依赖健侧肢体的站立模式不利于维持姿态的稳定。(3)脑卒中康复期的步态与下肢肌肉活动之间的关联。脑卒中患者在行走时膝关节弯曲能力下降,然而背后的成因和内部生理机制尚未可知。本研究设计了脑卒中步态实验,同步采集了受试者行走过程中下肢运动学信号和左右侧RF、BF、GA的SEMG信号。运动学和SEMG参数包括:膝关节弯曲范围(range of knee flexion,ROKF)、RFRMS、BFRMS、GARMS、RFMF、BFMF、GAMF。差异性分析的结果表明,ROKF、GARMS、RFMF、GAMF在患侧组和健侧组之间存在显著性差异(p<0.05);ROKF、GARMS在患侧组和控制组之间有显著性差异(p<0.05);ROKF在健侧组和控制组之间也存在显著差异性(p<0.05)。双变量相关分析的结果表明,患侧组的ROKF与RFRMS、BFRMS、GARMS、GAMF分别呈正相关;控制组的ROKF与BFRMS、BFMF呈负相关;健侧组的ROKF与RFMF呈正相关。回归分析的结果表明,在患侧组,ROKF受BFRMS、BFMF、GAMF这三个参数变量的影响(r2 = 0.821);在健侧组(r2 = 0.656)和控制组(r2 =0.452),所有肌电参数(RFRMS、BFRMS、GARMS、RFMF、BFMF、GAMF)共同影响ROKF的变化。这些发现说明脑卒中导致步态中患侧和健侧膝关节弯曲能力的下降并且损伤RF和GA活动的幅值频率特征,并且被简化的肌肉协调性是导致脑卒中膝关节弯曲能力下降的原因。