Name: 表面肌电图生物反馈作为全球胸腺丛损伤患者接受仿生重建的康复工具 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-09-28T13:30:00.000+00:00
Duration: 9 min 14 s
Description: 了解表面肌电图生物反馈技术如何帮助全臂丛神经损伤患者进行仿生重建康复训练。该方法通过非侵入性方式识别肌肉信号，优化假肢控制效果，显著改善患者术后功能恢复。

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本研究由奥地利科研与技术发展委员会的克里斯蒂安·多普勒研究基金会和奥地利联邦科学、研究与经济部资助。我们感谢Aron Cserveny为本文所附插图的制备工作，同时感谢《神经科学前沿》允许我们重印原始文章中展示的数据12。

该康复方案的临床实施已获得奥地利维也纳医科大学伦理委员会批准（伦理批件编号：1009/2014），并依照《赫尔辛基宣言》所规定标准进行。所有患者均签署书面知情同意书，同意参与本研究。
注意：Aszmann 等人7 和 Hruby 等人8,13 之前的出版物已详细描述了关于功能性假体重建的概念、治疗方案及心理社会前提。材料表列出了本康复方案中使用的所有材料和设备。
1. 初次就诊时的患者评估
<ol>
	<li>在进行患者评估、康复和训练的所有步骤时，选择一个安静、无干扰的诊室或检查室，确保患者独处其中。同时确保有足够的空间用于检查患者并设置表面肌电（sEMG）生物反馈系统。</li>
	<li>从患者处获取详细的病史资料，包括受伤机制及初期处理情况、既往神经修复手术的报告，以及日常生活中的主观功能障碍。</li>
	<li>仅将生物治疗替代方案失败的患者纳入仿生重建考虑范围（即神经修复、神经转接、二次重建等均未能恢复上肢有效功能者）。排除同时存在中枢神经系统损伤、患肢不稳定骨折、未治疗和/或持续存在的心理健康问题、药物成瘾、缺乏依从性或无法承诺完成长期康复计划的患者。</li>
	<li>进行详细的临床检查，重点评估当前上肢功能。使用英国医学研究委员会（BMRC）分级量表，对患侧手臂和手部所有主要肌肉的功能进行临床评估。</li>
	<li>由重建外科医生、骨科医生、康复医学专家、心理学家和物理治疗师组成的多学科团队共同评估是否仍有可能采用生物治疗方法。向患者明确说明，肌电假肢的功能无法与生物手相提并论。</li>
	<li>询问患者对仿生重建的动机和期望（参见先前发表的研究13，其中包括由心理学家进行的结构化访谈，以评估患者是否在心理和社会适应方面适合接受仿生重建过程）。</li>
	<li>评估是否可在主要周围神经的走行路径上引出提内尔征（Tinel sign），以提示存在可用于神经转接手术的存活轴突。</li>
	<li>除患者评估外，还应大致说明整个流程可能的时间安排，该安排取决于可检测到肌电信号的时间。如需开展其他干预措施，例如心理支持、姿势训练和/或残存肌肉的强化训练，应尽早开始。</li>
</ol>
2. sEMG 信号的识别
<ol>
	<li>在安静房间的桌面上设置表面肌电（sEMG）生物反馈系统。该系统可以是独立设备，也可以是连接至计算机的设备。若使用计算机，需将肌电设备的所有电缆正确连接至计算机，并启动计算机上的相应软件。</li>
	<li>为降低阻抗，需对患者的皮肤进行准备：仔细剃除相应部位的毛发，和/或使用去角质凝胶或湿纸巾轻轻去除死皮细胞。</li>
	<li>向患者简要说明肌电设备及其配套计算机软件的功能。</li>
	<li>让患者坐在计算机屏幕前。</li>
	<li>请患者想象手部动作，并同时尝试收缩用于完成特定动作的肌肉（例如伸展手腕、握拳、屈曲拇指等），即使其手部功能丧失而无法产生实际运动。通过触诊其前臂判断是否存在（微弱的）肌肉收缩。</li>
	<li>将sEMG电极放置于手指可触到肌肉收缩的确切皮肤位置，例如当要求患者想象伸展手腕和手指时，将电极置于肘关节远端5 cm处的背侧伸肌区。 
	注意：虽然湿电极和干电极均可检测到sEMG信号，但测试时优先使用干电极，因其可在皮肤上轻松移动，便于寻找最佳位置。</li>
	<li>重复之前使用的运动指令（即伸展手腕和手指），以诱发肌肉收缩。
	<ol>
		<li>观察计算机屏幕上的肌电信号，判断当患者尝试收缩目标肌肉（即伸展手腕和手指）时，信号幅度是否持续升高。</li>
		<li>若信号幅度不够高（低于背景噪声的2−3倍12）或信号不稳定，可保持电极位置不变，尝试其他运动指令，观察是否能获得更高的信号幅度。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>对另一块肌肉或肌群重复上述步骤。例如，将sEMG电极移至前臂掌侧，放置于旋前圆肌处，要求患者尝试前臂旋前动作。观察计算机屏幕上的信号，判断当患者想象该动作时，信号幅度是否重复升高。 
	注意：部分患者无法触到任何肌肉活动。此时，应在前臂的掌侧、背侧和桡侧放置三个或更多sEMG电极，尝试多种运动指令，并密切观察所有信号在电极位置发生微小变化时的幅度变化（见 图1）。</li>
</ol>
<img alt="显示肌肉活动峰值的肌电图信号图，使用肌电图设备测量。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59839/59839fig01.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="图 1"> 
图 1：计算机屏幕上显示的肌电图信号截图。 
为了识别肌电图活动，可在患者前臂放置两个或更多电极，并要求其尝试执行不同的动作。在此特定情况下，当患者试图握紧手部时，位于前臂掌侧的电极检测到肌电图活动，该活动在计算机屏幕上显示为第一个红色波形。该患者的信号分离效果令人满意，因为对应于放置在前臂背侧的第二个电极的蓝色信号未达到阈值。当患者试图张开手时，蓝色信号的幅度超过阈值，而红色信号几乎无变化。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59839/59839fig01large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<ol start="9">
	<li>还应尝试与“正常”解剖结构不同的运动指令和电极位置，因为异常的再支配以及如神经移位术中的额外解剖重建已改变了部分失神经肌肉的神经输入。</li>
	<li>如果在前臂未检测到肌肉活动，需在上臂和肩带重复该操作。 
	注意：在某些患者中，无法检测到表面肌电（sEMG）信号。对于此类情况，需进行神经和肌肉移位手术以建立新的肌电信号采集位点（详细的手术方案可参见 elsewhere7），这将使信号训练延迟 6−9 个月。为实现灵巧的假手控制，至少需要两个可分离的 EMG 信号。</li>
</ol>
3. 表面肌电信号引导的信号训练
注意：sEMG引导的信号训练每次不应超过30分钟，因为这会导致肌肉疲劳，从而影响运动学习的效果。为确保后续假肢控制所需的良好神经肌肉协调性，上述步骤需要在较长时间内重复进行。
<ol>
	<li>一旦识别出两个或更多的肌电（EMG）信号，应鼓励患者交替激活这些信号（见图2A）。为了可靠地驱动假肢，需要独立控制各EMG信号，且彼此之间无干扰。
	<ol>
		<li>独立调节每个信号的电压增益，使所有信号在训练期间达到相似的幅度阈值，这将有助于患者更轻松地分离和理解信号。</li>
		<li>向患者重复并解释假肢手的工作机制：轻微的肌肉收缩最终将实现更好的信号分离，应优先于肌肉力量（即信号的幅度）。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
<img alt="使用表面肌电生物反馈进行假肢训练的过程，示意图显示肌电信号的识别与应用。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59839/59839fig02.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="图 2"> 
图 2：用于仿生手重建患者的表面肌电引导康复治疗。 
（A）通过直接可视化肌肉活动，可尝试多种运动指令，以识别特定目标肌肉上最高的肌电振幅，并可比较不同信号位置的效果。（B）使用桌面假肢装置，患者手臂的肌电活动可直接转化为假肢功能。（C）安装混合型假肢手使患者能够直观理解并预演未来假肢手的使用方式。（D）假肢重建术后，可通过表面肌电生物反馈或直接使用假肢手本身对肌电信号进行训练和优化。该图改编自 Sturma 等12，经 Frontiers in Neuroscience 许可转载。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59839/59839fig02large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<ol start="2">
	<li>在计算机屏幕上观察肌电（EMG）信号，并让患者了解在尝试特定动作时两个信号是否同时被激活。向患者解释，在执行某一特定动作时，两个信号不应同时激活，因为每个EMG信号对应假肢的一个特定动作。信号的同时激活将无法实现患者期望的动作。</li>
	<li>指导患者尝试不同（轻微）的动作，并观察哪些精确的动作模式最有利于信号分离。鼓励患者对这些动作进行训练。</li>
	<li>让患者知晓，在训练初期实现完美的信号分离可能较难，但通过大量重复练习会逐步改善。 
	注意：应允许患者在训练中进行放松，因为复杂神经损伤患者以及肌电活动微弱的患者的肌肉力量可能更快下降。</li>
	<li>当信号稳定性提高后，指导患者产生更高的信号幅值，以进一步增强肌肉及其信号强度。</li>
	<li>在实现稳定EMG信号分离并具备可靠控制能力后，安装桌面式假肢，将其连接至相应的EMG软件以及放置于患者前臂/上臂的电极。这将直接把EMG活动转化为机械性假肢功能（见图2B和图3）。</li>
</ol>
<img alt="通过EMG信号分析实现假肢控制；图表、带笔记本电脑的实验装置和假肢手臂。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59839/59839fig03.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="图3"> 
图3：患者位于桌面假肢前方及其在计算机屏幕上显示的两个信号截图。 
在患者前臂上，两个电极用于检测肌电（EMG）活动。这两个信号以颜色编码的曲线图形式显示在计算机屏幕上（红色和蓝色），并同时被转换为假肢的运动，使患者能够理解信号质量与假肢控制之间的关系。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59839/59839fig03large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<ol start="7">
	<li>向患者说明，采用直接控制的肌电假肢通过一个电极的输入信号（即从单个电极检测到的肌肉活动）来控制一个假肢动作。</li>
	<li>让患者了解计算机屏幕上信号的表现形式（主要是幅值高度）与假肢动作速度/力度之间的关联，特别是在选择具有动作速度比例控制功能的设备时。 
	注意：根据可用的肌电信号数量以及最终假肢装置的自由度情况，可能需要采用在不同自由度之间切换的方法。一种常用的自由度切换方法（例如从手部开合切换到前臂旋前/旋后）是通过同时收缩两块肌肉实现的，这种方法也称为共收缩14。</li>
	<li>训练共收缩动作。让患者观察计算机屏幕上的肌电信号以及假肢的反应。如果在共收缩过程中假肢不产生动作（例如不执行开合），则说明患者操作正确。</li>
</ol>
4. 混合式手部适配与假肢训练
<ol>
	<li>在患者皮肤上标记电极位置，这些位置已被确定为实现可靠假肢控制的最佳位置，并请矫形技师制作一个初步的假肢接受腔，其设计需精确匹配这些电极位置。</li>
	<li>将混合型假肢手安装到功能丧失的“臂丛”手之上或其下方（见图2C）。</li>
	<li>同时运行肌电图（EMG）软件程序，使患者意识到自身的动作反应。</li>
	<li>交替训练不同的假肢运动。也可将电极置于上臂及肩带邻近的肌肉上，以避免无意识的协同收缩，这种协同收缩在延长佩戴时间后可能导致整个上肢疲劳。
	<ol>
		<li>从简单的假肢动作开始训练（仅在支撑假肢设备重量的情况下进行手部的开合动作，避免任何协同收缩）。</li>
		<li>逐步在不同上肢位置下进行简单假肢动作训练，例如交替伸展或屈曲肘部。当调整不同上肢位置时，使患者意识到肌电信号的差异，并在所有位置中训练信号的一致性。 
		注：在自发神经再生后，由于异常再支配，常出现不同肌肉或肌群的非预期共激活，这可能妨碍协调性运动并削弱肌肉的适当活动能力15。当移动手臂时，常出现微弱的非预期肌肉收缩，该收缩可被表面肌电（sEMG）传感器检测并转化为假肢动作。若在康复过程中未通过以下所述的肌电训练和肌肉强化加以适当处理，可能导致假肢控制效果不佳。</li>
		<li>若在不同上肢位置下假肢控制困难，应仔细观察计算机屏幕上的肌电信号，并向患者指出在何种位置下，一个或多个肌肉的非预期收缩导致信号偏移。在患者尚能控制的位置训练肌电信号的精确激活，并随时间逐步改变上肢位置。</li>
		<li>若在抬臂过程中观察到用于假肢控制的肌肉出现共激活，应对肘屈肌（以及肩部肌肉，如适用）进行力量训练。向患者解释，更强的肌肉（即在简单抬举任务中未达到最大自主收缩力的肌肉）通常有助于更好地分离肌电信号。此外，若上肢肌肉力量过弱，无法在三维空间中移动假肢设备和/或在移动时稳定肩部，也应进行力量训练。</li>
		<li>继续进行简单的抓握任务训练，例如拾取小盒子或操作小物件（见图2C）。</li>
		<li>最后，训练日常生活中的简单任务，如开门、折叠毛巾或打开瓶盖。 
		注：由于瘫痪的手可能妨碍操作，且患者需同时抬起自身手部和混合型假肢手的重量，假肢设备可能感觉较重，许多任务因此受到限制。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>若信号质量不足，可返回计算机屏幕上的信号训练阶段。在所有任务中，应特别关注计算机屏幕上信号的共激活现象，并进一步提高信号的独立性。</li>
	<li>使用混合型假肢手评估上肢功能，并记录测试结果的视频。此外，对瘫痪手也应进行相同的评估，以记录假肢替代无功能手所带来的预期功能改善。</li>
</ol>
5. 选择性截肢与假手置换
<ol>
	<li>根据多学科团队（包括患者的物理治疗师/肌电图训练师、负责截肢的外科医生以及了解患者期望的心理学家）所确定的各个肌电图（EMG）信号采集位置（前臂、上臂或极少数情况下的肩胛盂关节），精确规划截肢平面。</li>
	<li>询问患者是否对计划中的截肢手术仍有未解决的疑问，并明确告知：在手术实施前，患者可随时撤销该决定；否则，手术将导致不可逆且对生活产生重大影响的后果。</li>
	<li>使用无功能的手进行上肢功能的标准化评估，并录像记录结果。</li>
	<li>使用混合型假肢手进行上肢功能的标准化评估，并录像记录结果，以证明未来装配假肢的益处。</li>
	<li>按照先前所述方法7,8，实施择期的无功能肢体截肢术。</li>
	<li>术后允许伤口愈合，并指导患者训练邻近关节以改善上肢活动能力。术后4−6周后，按上述方法训练肌电信号，并确定电极放置的最佳热点区域。 
	注意：这些电极位置和运动指令可能与截肢前确定的位置略有不同。</li>
	<li>由假肢技师根据先前确定的肌电电极位置设计最终的假肢接受腔（参见 图4，展示了一例纳入患者可能的接受腔设计）。 
	注意：虽然没有推荐特定的接受腔设计，但电极的精确位置及其与残肢皮肤的贴合度至关重要，因为臂丛神经损伤患者的神经-肌肉界面通常显著减少。</li>
</ol>
<img alt="假肢组件；显示外部和内部视图的示意图；碳纤维部件。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59839/59839fig04.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="图4"> 
图4：可能的假肢与接受腔设计示例。 
(A) 该患者的假肢由外部碳纤维套筒构成。(B) 患者更倾向于使用可开合的钩状装置作为抓握工具，而非假手。(C,D) 两个电极已集成于假肢中。患者佩戴带有两个孔洞的硅胶衬垫，使皮肤可直接与两个电极接触（图中未显示）。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59839/59839fig04large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<ol start="8">
	<li>开始假肢训练。
	<ol>
		<li>首先进行简单的假肢动作训练（仅进行手部的张开/闭合，不伴随任何共收缩动作），同时需支撑假肢设备的重量。</li>
		<li>逐步过渡到在不同上肢位置下的简单假肢动作，例如交替伸展或屈曲肘关节。</li>
		<li>继续进行简单的抓握任务训练，例如拾取小盒子或操作小型物体（见图2D）。</li>
		<li>最后，进行日常生活活动训练，仍从相对简单的任务开始（如开门），并逐步增加任务的复杂性，以及纳入患者认为与其个人生活情境相关的内容。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>假肢装配后三个月，使用假肢手重复进行上肢功能的标准化评估，并录制评估结果的视频。</li>
</ol>

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</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

生物反馈方法已广泛应用于多种神经肌肉疾病的康复治疗中，范围涵盖由脑出血和中风等中枢神经系统病变引起的（偏）瘫痪状态18,19，以及各种肌肉骨骼系统的退行性病变或损伤及其外科治疗20,21,22。有趣的是，结构化生物反馈的概念尚未在周围神经损伤的临床实践中得到应用。然而，恰恰在复杂神经损伤的康复过程中，实践、重复以及包含适当生物反馈的结构化训练方案对于建立正确的运动模式至关重要23。
本文以及先前的一项研究12中，我们提出了一种使用表面肌电（sEMG）生物反馈的结构化康复方案，适用于那些缺乏生物学治疗替代方案、符合假肢手置换条件的患者，这一概念如今被称为仿生重建。在仿生重建背景下，使用sEMG生物反馈装置最明显的优势在于能够精确定位sEMG热点，即皮肤上的某些位置，可在这些位置经皮测量到相对较高幅度的肌电信号。由于传感器可沿前臂全长灵活移动，因此可交替尝试多种运动指令；若前臂缺乏可检测到的肌肉功能，还可将传感器移至上臂或肩带区域进行测试。当要求患者尝试收缩拟用于执行特定动作（如伸腕）的肌肉时，检查者可通过触诊感知到（微弱）肌肉收缩的位置，并在该处放置电极。通过观察计算机屏幕上的肌电信号，可轻松判断当患者尝试收缩该肌肉时，信号幅度是否持续升高。若信号幅度不足或不稳定，可在同一电极位置尝试其他运动指令。与针电极肌电图不同，该方法为非侵入性，无痛感，且可对上肢所有肌肉/肌群重复操作。在不同肌肉位置测试多种运动指令，有助于识别出与特定运动动作相关、具有最高信号幅度和可重复性的EMG热点。在确定最强EMG信号后，可利用sEMG生物反馈训练这些信号，训练内容包括信号分离（计算机屏幕上不应出现两个或多个EMG信号的同时激活）、信号强度（反映为计算机屏幕上EMG信号的幅度）以及信号可重复性（每次尝试收缩肌肉均应引起相应EMG信号的明显偏移）。在训练的后期阶段，EMG活动将直接转化为假肢功能，首先使用桌面假肢装置（见图3），该装置可为患者提供额外反馈，从而精细调节抓握力度，随后佩戴实体假肢进行训练。
对于传统截肢患者，大量文献表明，靶向肌肉神经再支配（TMR）——即将残余手臂神经外科性地转移至胸部和上臂的替代肌肉部位——能够改善假肢功能，因为这些再神经支配的肌肉可作为直观运动指令的生物放大器，并为假肢手、腕和肘的控制提供生理上适宜的肌电信号24,25,26,27。通过使用模式识别控制系统，可以从覆盖在这些再神经支配肌肉表面的多个表面肌电（sEMG）信号中提取数据，并解码转化为特定且可重复的运动输出，从而实现更可靠的肌电假肢控制28,29,30。由于臂丛神经撕脱伤患者的肌电信号采集位点数量极少，且肌肉的肌电活动非常有限，因此模式识别算法无法像在传统截肢患者中那样直接应用8。然而，随着进一步的研究和技术进步，这些系统或许能够从现有的微弱肌电信号中提取更多信息，从而也改善这一特殊患者群体的假肢功能。
尽管本方案被视为一种指导性流程，但仍需根据患者的具体情况和可用设备进行相应调整。由于此类神经损伤后可能出现异常再支配现象，运动指令并不一定会激活解剖学上“正确”的肌肉12。例如，作者观察到，当患者试图张开手时，前臂屈肌区域出现了肌电活动。因此，应测试多种运动指令以识别可用的肌电信号。此外，残余肌肉功能（尽管在所有情况下均不足以产生有效的手部动作）在不同患者之间可能存在显著差异，从而导致所需训练时间的不同，如表2所示。此外，假肢装置的选择以及用于控制的电极数量，会影响信号分离精度、信号幅度以及对共收缩的需求。在进行信号训练、混合假肢训练和实际假肢使用训练时，必须充分考虑上述因素，这也符合截肢者标准假肢训练的推荐做法31。关于用于sEMG生物反馈训练的设备，作者认为，只要设备能够同时显示假肢控制所需的信号数量、提供实时反馈，并且可以连接至计算机或自身具备屏幕显示功能，即为适用设备。在训练过程中可调节信号增益的设备更受推荐。
康复治疗后，所有患者均能够在日常生活中使用假肢，并对其功能丧失的手被假肢替代的决定感到满意12。这一功能改善体现在ARAT评分均值从2.83 ± 4.07显著提高至25.00 ± 10.94（p = 0.028）。
从我们的角度来看，表面肌电（sEMG）生物反馈装置是促进与神经损伤及仿生重建相关的高认知负荷运动功能恢复的有力工具。在临床环境中，利用sEMG生物反馈可显著简化肌电电极最佳放置位置的确定过程，并便于通过肌肉活动的直接可视化来测试各种运动指令。尽管sEMG生物反馈也可用于生物上肢功能的康复10,12，但其在仿生重建过程中的应用被认为尤为有效。最重要的是，训练过程中激活的sEMG信号将直接对应假肢接受腔内电极的最终位置，而该位置是为每位患者个体化定制的。因此，在训练期间反复激活这些信号，极有可能提升未来对假肢的操作能力与手动功能。对肌肉活动的直接可视化还使患者能够理解肌电假手控制的基本原理，并更主动地跟踪自身的训练进展。
未来，我们提出的康复方案可能会结合更先进的工具，以提升功能恢复效果。这可能包括采用高密度表面肌电图（sEMG）记录，通过激活热图辅助电极放置过程32，进一步应用虚拟解决方案评估肌电活动30,33，以及使用严肃游戏以增强训练动机34。此外，新型假肢控制技术，例如模式识别算法，也可能被纳入应用28,30,35。然而，由于神经-肌肉界面减少，目前尚不明确专为其他健康截肢者设计的商业化系统是否能显著改善此类特定患者群体的假肢功能。未来的研究应评估上述新型技术在重度臂丛神经损伤患者康复中的适用性与益处。此外，纳入更多患者的对照试验将有助于以更高水平的证据证明当前sEMG生物反馈康复方案的积极效果。

包括神经根从脊髓发生创伤性撕脱在内的全球性臂丛神经损伤是人类最严重的神经损伤之一，通常影响原本健康、处于生命黄金时期的年轻患者1,2。根据被撕脱神经根的数量，可能导致上肢完全瘫痪，因为大脑与手臂及手部之间的神经连接已被中断。传统上，神经根撕脱被认为预后较差3。近几十年来，随着显微外科神经技术的发展，手术效果已得到改善，肩部和肘部通常可恢复有用的运动功能4,5。手部最远端的内在肌群在再生轴突到达之前，通常已发生脂肪变性，导致不可逆的萎缩6。对于此类病例，已有文献描述采用仿生重建治疗，包括选择性截除无功能的&#34;臂丛”手，并以机电一体化假手进行替代7,8。通过皮肤表面电极检测患者前臂残存的肌肉活动（临床上可能不显著，如等长收缩，英国医学研究委员会[BMRC]肌力分级为M1），获取肌电活动信号，并将其转化为假手的多种动作9。
初次就诊时，可能已存在足够的表面肌电图（sEMG）信号。但在某些情况下，需要通过选择性神经和肌肉转接来建立额外的信号7。无论哪种情况，都需要一个结构化的康复方案，以确保sEMG信号的一致性，并最终实现假肢的最佳功能。在神经根撕脱、异常再支配以及神经转接手术后，主要挑战之一是建立新的运动模式，以实现对目标肌肉的自主控制。sEMG生物反馈方法已广泛应用于脑卒中康复10。该方法可直接可视化肌肉活动，而这些活动可能因肌肉无力和/或拮抗肌共激活而被忽视。因此，该方法有助于鼓励患者训练其薄弱肌肉，同时为运动任务的正确执行提供精确反馈11。
在最近的一项研究中，我们首次证明表面肌电（sEMG）生物反馈也可用于复杂周围神经损伤的康复治疗12。我们认为，sEMG生物反馈是一种极为有效的方法，可使患者意识到神经移位术后再神经化过程的进展。此外，以往对患者无实际作用的微弱肌肉活动，可通过sEMG生物反馈进行训练和增强，以用于未来的假肢控制。sEMG生物反馈能够将原本难以察觉的肌肉活动直观地呈现出来，使临床医生和患者均能清晰观察。因此，训练进展可以得到充分理解与记录。同时，对肌肉活动的直接反馈使临床医生能够将不同的运动指令与相应的信号幅度和稳定性相关联，从而建立最佳的运动策略，为未来实现稳定的假肢控制奠定基础。总之，该方法的目标是通过增强患者对自身sEMG信号的理解、感知和控制能力，促进康复进程，这些信号最终将驱动假肢手的动作。

<table><tbody><tr><td>干式EMG电极</td><td>Ottobock Healthcare, Duderstadt, Germany</td><td>13E202 = 50</td><td>本研究中使用的EMG电极为双极性电极，并包含接地端。这些电极既可用于Myoboy的EMG训练，也可用于控制假肢装置。</td></tr><tr><td>Myoboy</td><td>Otto bock Healthcare, Duderstadt, Germany</td><td>Myoboy</td><td>该设备可作为独立设备使用，也可与计算机联用。它能够在使用干式EMG电极的同时显示肌电活动，这些电极也可嵌入假肢接受腔中。</td></tr><tr><td>SensorHand Speed</td><td>Ottobock Healthcare, Duderstadt, Germany</td><td></td><td>所有患者均使用这一市售的肌电假肢作为其标准假肢装置，并在功能测试期间使用。然而，接受该程序的患者并不局限于使用此设备。</td></tr><tr><td>配备Microsoft操作系统的标准笔记本电脑</td><td></td><td></td><td>通常，连接到计算机的EMG生物反馈设备对计算能力要求不高，因此可在任何常规笔记本电脑上运行</td></tr><tr><td>TeleMyo 2400T G2</td><td>Noraxon, US</td><td></td><td>本方案中使用的一种表面EMG生物反馈装置，连接至TeleMyo软件，可在计算机屏幕上以彩色编码的图形显示记录的EMG活动</td></tr><tr><td>湿式EMG电极</td><td>Ambu</td><td>Ambu Blue Sensor VL 黏附式电极</td><td>这些黏附式电极可与多种不同的EMG生物反馈设备联合使用，包括TeleMyo 2400T。尽管它们不易移动，但湿性接触通常也能检测到非常微弱的EMG信号。</td></tr></tbody></table>

表面肌电图生物反馈作为接受仿生重建的全臂丛神经损伤患者康复工具

Surface Electromyographic Biofeedback as a Rehabilitation Tool for Patients with Global Brachial Plexus Injury Receiving Bionic Reconstruction

对于患有全臂丛神经损伤且缺乏生物学治疗替代方案的患者，近期已报道了一种仿生重建方法，包括选择性截除无功能的手部并以假肢替代。假肢功能的最优化依赖于结构化的康复方案，因为患者手臂中残存的肌肉活动将被转化为假肢的控制信号。表面肌电图（sEMG）生物反馈已被用于脑卒中后的康复治疗，但迄今为止尚未应用于复杂的周围神经损伤患者。本文介绍了我们针对适合进行仿生重建的全臂丛神经损伤患者所实施的康复方案，内容涵盖从sEMG信号的识别到最终假肢训练的全过程。该结构化康复计划有助于运动再学习，而这一过程在复杂的神经根撕脱伤、异常再支配以及超解剖范围的重建（如神经移位手术）后可能对认知造成显著负担。采用sEMG生物反馈的康复方案有助于建立新的运动模式，使患者能够意识到目标肌肉再支配过程的进展。此外，利用sEMG生物反馈还可对微弱的肌电信号进行训练和增强，从而使临床上原本视为&#34;无用”的肌肉（在英国医学研究委员会[BMRC]肌力分级中为M1级）具备控制灵巧型假手的潜力。本文还展示了成功完成仿生重建后的功能结局评分。

在6名患有严重臂丛神经损伤（包括多根神经根撕脱）的患者中，成功实施了本研究所提出的基于表面肌电图生物反馈的康复方案。详细的患者特征见表1。图2展示了结构化康复方案的各个阶段及其实施的详细说明。
为了展示仿生重建前后手部功能的改善情况，我们在两个时间点进行了标准化评估，以评价上肢整体功能：一是在选择性截除无功能的&#34;臂丛"手之前，二是在成功完成假体重建及康复训练之后。动作研究上肢测试（ARAT）最初被开发用于评估手部控制认知障碍患者的上肢整体运动功能16。我们的研究采用了Yozbatiran等人17提出的标准化方法。ARAT包含四个不同部分，均涉及接近日常生活的任务。测试由观察者计时，并对每项任务的表现进行0−3分的评分，其中3分为正常功能。总分最高为57分，表示运动功能未受损16。每位患者接受sEMG生物反馈治疗的次数及详细结果见表2。
尽管未直接测量患者对采用sEMG生物反馈的康复方案的满意度，但所有六名患者均报告称，该方案在理解神经转接术后再神经化过程方面极为有益，并有助于训练那些此前无临床意义的微弱肌活动肌肉的收缩。
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>病例编号</td>
			<td>性别、年龄（岁）</td>
			<td>事故类型</td>
			<td>病变类型</td>
			<td colspan="2">手术以改善生物技术接口，用于初始重建未能改善手部功能的情况</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1</td>
			<td>米，32</td>
			<td>高处坠落</td>
			<td>C7−T1神经根撕脱；锁骨下神经丛牵拉伤</td>
			<td colspan="2">前臂择期截肢术</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2</td>
			<td>米，32</td>
			<td>摩托车事故</td>
			<td>BP的三个主干支破裂</td>
			<td colspan="2">游离股薄肌移位至前臂伸肌间室 &amp;#38; 桡神经深支转接闭孔神经；前臂选择性截肢术</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3</td>
			<td>米，55</td>
			<td>摩托车事故</td>
			<td>C5−T1撕脱伤</td>
			<td colspan="2">上臂择期截肢术</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>4</td>
			<td>米，38</td>
			<td>摩托车事故</td>
			<td>根部严重损伤&#160;C5−C8；T1神经根撕脱</td>
			<td colspan="2">前臂择期截肢术</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>5</td>
			<td>米，27</td>
			<td>摩托车事故</td>
			<td>C8−T1撕脱伤</td>
			<td colspan="2">前臂择期截肢术</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>6</td>
			<td>米，43</td>
			<td>摩托车事故</td>
			<td>C6−T1撕脱伤</td>
			<td colspan="2">肱三头肌转移至肩胛下窝及肱二头肌转移至锁骨上窝以改善假肢适配；上肢选择性截肢（肩关节离断术）</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
表1：患者特征。&#160;所有患者均因无法采用生物学治疗方案而启动仿生重建治疗。为在前臂和上臂建立肌电（EMG）信号，可能需进行选择性神经和肌肉移位手术，以驱动肌电假手。根据残存的肌肉活动情况，择期截肢手术可在桡骨中段或肱骨中段水平进行。本组患者接受的所有选择性神经移位手术均取得成功。本表格经Sturma等12&#160;修改，并经Frontiers in Neuroscience许可转载。
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>病例编号</td>
			<td>基线ARAT评分</td>
			<td>随访时ARAT评分</td>
			<td colspan="2">sEMG训练开始时间</td>
			<td>治疗总次数（每次30分钟）</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1</td>
			<td>7</td>
			<td>35</td>
			<td colspan="2">首次咨询后立即开始</td>
			<td>24</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2</td>
			<td>0</td>
			<td>15</td>
			<td colspan="2">首次咨询后立即开始单信号训练；第二信号在游离股薄肌移植联合神经移位术后9个月可用</td>
			<td>30</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3</td>
			<td>0</td>
			<td>19</td>
			<td colspan="2">首次咨询后立即开始</td>
			<td>16</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>4</td>
			<td>1</td>
			<td>22</td>
			<td colspan="2">首次咨询后立即开始</td>
			<td>20</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>5</td>
			<td>9</td>
			<td>42</td>
			<td colspan="2">在决定进行仿生重建后立即开始（因生物重建失败）</td>
			<td>20</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>6</td>
			<td>0</td>
			<td>17</td>
			<td colspan="2">首次咨询后立即开始</td>
			<td>22</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>平均值（± 标准差）</td>
			<td>2.83 ± 4.07</td>
			<td>25.00 ± 10.94</td>
			<td colspan="2"></td>
			<td>22 ± 4.32</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
表2：&#160;ARAT评分与治疗次数。&#160;在动作研究上肢测试（ARAT）中，患者最初的上肢功能极差（平均得分为2.83，满分为57分）。经仿生重建治疗后，上肢功能得到恢复（平均得分为25.00，满分为57分）。本表格经Sturma等12&#160;修改，并经Frontiers in Neuroscience许可转载。

全身性臂丛神经损伤患者在接受仿生重建术后，其最佳功能恢复效果依赖于结构化的康复方案。基于表面肌电图引导的训练可提高肌电信号的幅度、分离度和稳定性，这些信号在选择性截除无功能的手部后，可用于控制和驱动假手。

对于患有全臂丛神经损伤且缺乏生物学治疗替代方案的患者，仿生重建（包括选择性截肢……）

表面肌电图生物反馈可极大地简化对臂丛神经损伤患者表面肌电信号的识别与训练，这些患者的瘫痪上肢肌肉活动极为微弱。通过使用表面肌电图生物反馈技术，可反复测试和训练不同的运动指令及电极位置，因为该技术具有非侵入性、易于操作且成本低廉的优点。为建立表面肌电图生物反馈系统，请将设备放置于安静房间内的桌面上，并让患者坐在计算机屏幕前方。要求患者想象手部运动，同时尝试收缩拟执行特定动作的肌肉，即使这种收缩不会导致无功能的手产生实际运动，并在触诊前臂以感知肌肉收缩。将表面肌电图电极放置在可触及肌肉收缩的准确皮肤位置，让患者重复刚刚尝试的运动指令，以诱发目标肌肉的收缩。在计算机屏幕上观察肌电图信号，判断当患者尝试收缩拟执行特定动作的肌肉时，信号幅度是否持续增加。如果信号幅度小于背景噪声的两到三倍，或信号不稳定，则尝试使用相同电极位置的其他运动指令，以观察是否能够获得更高的幅度。然后将电极移至前臂上的新位置，评估执行不同手势时的肌肉收缩情况。在患者想象执行手势的同时，监测计算机屏幕上显示的信号幅度。如果在前臂未检测到肌肉活动，则在上臂和肩带重复该操作。当识别出两个或更多肌电（EMG）信号后，鼓励患者交替激活这些信号。为了可靠地驱动假肢，这些独立的肌电信号必须能够无干扰地被控制。在训练过程中，独立调节每个信号的电压增益，使所有信号达到相似的幅度阈值，以便于患者进行信号分离和理解。向患者重复并解释假肢手的工作原理，应优先采用轻微的肌肉收缩，而非用力收缩肌肉，以避免信号共激活。观察计算机屏幕上的肌电（EMG）信号，并向患者说明，当尝试执行特定动作时，若两个信号同时被激活，即为共激活现象。指导患者在尝试执行某一特定动作时，不应同时激活两个信号，因为每个肌电（EMG）信号对应特定的假肢动作，同时激活信号将无法实现患者期望的动作。指导患者尝试略微不同的动作，并观察哪些精确的动作模式最有利于信号分离。当确定了合适的信号后，鼓励患者练习执行这些动作，每次训练时间不超过30分钟。告知患者，在训练初期很难实现完美的信号分离，但随着重复次数的增加，信号分离效果会逐渐改善；并且在开始阶段，进行轻微肌肉收缩时信号分离可能更容易实现。随着信号稳定性的提高，指导患者产生更高的信号幅值，以进一步增强肌肉及其信号强度。当实现稳定可靠的肌电（EMG）信号分离和良好控制后，安装连接相应EMG软件的桌面假肢装置，并将电极放置在患者手臂上，将肌电信号直接转化为假肢的机械功能。告知患者，采用直接控制的肌电假肢一次仅使用一个电极的输入来控制一个假肢动作。当使用能够按比例控制动作速度的装置时，应向患者说明计算机屏幕上信号的表现与假肢动作速度及强度之间的关联。随后让患者练习共收缩动作，使其能够观察计算机屏幕上的肌电信号，并解释两个信号同时达到峰值的重要性。如果假体装置没有移动，说明患者正确完成了共收缩动作，因为两个信号同时达到了峰值。当患者掌握了桌面假体的控制后，可引入混合式假体适配的概念，即根据患者个体情况定制，并安装在受损肢体的上方或下方。在择期截肢前的康复过程中，可使用该混合式假体适配装置进行额外训练。在实施手术前，询问患者对于计划进行的截肢手术是否存在任何尚未解决的疑问，并明确告知：在截肢手术实施前的任何时间，患者均有权撤销该决定，否则手术将导致不可逆且改变人生的重大后果。接下来，在录像记录的情况下，使用无功能手对上肢功能进行标准化评估。术后伤口愈合4至6周后，确定最佳的电极放置热点位置，并指导患者练习演示所示的肌电（EMG）信号。随后，由假肢技师根据先前确定的肌电电极位置设计最终的假体接受腔。当假体准备就绪后，让患者在假体装置得到支撑的情况下练习简单的假体运动。随后在不同手臂位置下进行简单的假体运动训练，例如交替伸展和屈曲肘关节，并继续进行简单的抓握任务，如拾取小盒子和操作小物件。最后，让患者练习日常生活活动，从相对简单的任务开始，逐步增加患者认为与其特定生活状况相关的任务的复杂性。假肢装配三个月后，使用假肢手重复进行上肢功能的标准化评估，并记录评估结果的视频。本研究中，采用表面肌电生物反馈的康复方案已成功应用于六名患有严重臂丛神经损伤（包括多根神经根撕脱）的患者。每位患者的治疗次数及详细结果可在下表中查看。在本项评估中，当患者尝试闭合手掌时，位于前臂掌侧的电极检测到肌电活动，如红色波形所示。该患者的信号分离效果令人满意，因为放置在前臂背侧的第二个电极信号未达到阈值，如蓝色波形所示。随后，当患者想象张开手掌时，第二个信号的幅度超过阈值，如蓝色波形所示，而第一个电极的信号几乎无活动，如红色波形所示。严重臂丛神经损伤患者的上肢肌肉神经输入非常稀少，因此需要测试多种运动指令和电极精度。为了进一步提高患者的积极性，并在漫长的康复过程中增强训练参与度，可将表面肌电生物反馈嵌入基于游戏的干预措施中。

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Research

科研

JoVE Journal

Neuroscience

神经科学

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关键词：小鼠，坐骨神经，神经挤压，神经再生，完整肌肉标本，神经功能评估

了解表面肌电图生物反馈技术如何帮助全臂丛神经损伤患者进行仿生重建康复训练。该方法通过非侵入性方式识别肌肉信号，优化假肢控制效果，显著改善患者术后功能恢复。

表面肌电图生物反馈作为接受仿生重建的全臂丛神经损伤患者康复工具

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