表面肌电在卒中后吞咽障碍领域中的应用*

唐安丽，吴 文

（南方医科大学珠江医院，广东广州 510282）

[关键字]表面肌电；吞咽障碍；卒中；康复；应用

近年来，随着经济发展、生活方式改变和人口结构老龄化快速增长，中国脑卒中发病率从204.52/10万上升到403.08/10万，死亡率从122.09/10万上升到130.94/10万，缺血性脑卒中和出血性脑卒中的发病率和死亡率均呈上升趋势，与美国和日本相比，中国的年龄标准发病率和死亡率更高[1]，脑卒中已成为危害我国中老年人生命健康的主要原因，其高发病率、高死亡率和高致残率给患者家庭、社会带来沉重经济负担。临床上吞咽障碍是脑卒中后常见的并发症，卒中后吞咽障碍的发生率高达37%至78%[2]，约30%的单侧脑卒中患者也并发了吞咽障碍[3]。

吞咽障碍是食物不能安全有效地由口送到胃内的一种临床表现。吞咽障碍患者发生吸入性肺炎、营养不良及脱水等不良后果的概率明显增加，严重损害患者的生活质量，甚至危害生命[4-5]。正确评估和改善吞咽功能，降低吞咽困难产生的影响至关重要。吞咽造影（videofluoroscopic swallowing study,VFSS）、纤维内窥镜下吞咽功能检查方法、超声检查、咽腔测压等检查是临床上常用的检查方法，其中VFSS被认为是诊断吞咽功能障碍的“金标准”。但它们大部分缺点显而易见，比如：需要具有专业操作技术人员、操作复杂、有辐射、价格昂贵等，最重要的一点是不能客观检测吞咽肌群的功能。临床中还使用洼田饮水试验、反复唾液吞咽测试、标准吞咽功能评定量表等方法进行评估，这些评估方法只能定性筛查是否存在吞咽障碍，不能定量评估吞咽功能。表面肌电（Surface Electromyography,sEMG）具有无创、无辐射、患者不适程度低、操作简单、费用低廉等优势。通过采集吞咽肌群的肌电信号可以分析吞咽过程中肌肉活动模式的启动时间、持续时间、结束时间、相关肌群的活动顺序、对称性、肌肉疲劳度及肌电活动幅度从而评估分析吞咽功能。目前sEMG主要用于识别吞咽动作活动的存在；分析吞咽肌群的吞咽功能包括振幅和活动时序(时序和幅度)；作为治疗吞咽障碍的生物反馈策略[6]。本文研究拟总结sEMG在卒中后吞咽功能障碍领域中的研究进展，为未来sEMG在科研和临床中的应用发展提供参考。

1 吞咽障碍的发病机制

吞咽是一系列典型且复杂的反射运动。食物通过刺激舌、口腔、咽喉周围末梢感受器，感觉传入冲动通过相应脑神经传入大脑皮层和延髓吞咽中枢。大脑皮层吞咽中枢及其发出的皮质下行纤维，下行至延髓吞咽中枢。延髓吞咽中枢接受传入冲动，并将它转化为能被执行的冲动。来自延髓吞咽中枢的传出冲动经过相应脑神经的神经核后传出，到达它们所支配的肌肉，产生反射性的功能活动，从而维持吞咽的正常运行[7]。

脑血管疾病后易损害相应部位脑组织的功能，目前认为，脑卒中后吞咽障碍主要是由吞咽皮质中枢、皮质下行纤维、延髓吞咽中枢损伤所致[8]。脑皮质和皮质下通路调节着吞咽反射的阈值，参与吞咽的启动、规划和执行，故皮层或者核上结构受损会影响吞咽功能的控制和调控[9]。皮质卒中后吞咽障碍主要表现为不能启动吞咽动作,吞咽反射的延迟。Hamdy研究表明大脑皮质在随意吞咽的启动具有重要作用[10]。皮质下脑卒中常导致口腔期控制能力下降及时间轻微延长。脑干吞咽核团的直接受损影响了支配吞咽肌肉的运动输出，故脑干卒中后引起的吞咽障碍表现皮质脑干束支配的肌肉力量下降，吞咽各阶段的不协调以及吞咽和呼吸的不协调。还有研究表明右半球卒中后经常出现咽期功能障碍、严重的吞咽障碍和误吸，而左半球卒中后更容易出现口腔期功能障碍和较轻的吞咽障碍[11-12]。由此可见，吞咽动作是一个复杂的过程，脑卒中后吞咽障碍所涉及的发生机制以及神经结构也相当复杂。不同大脑部位的卒中引起的吞咽障碍具有不同临床特点，临床工作者应该对吞咽功能进行详细评估，根据患者不同吞咽临床表现特点制定个性化吞咽康复方案。

2 表面肌电对吞咽功能的评估

研究发现sEMG采集吞咽肌群的肌电信号都有其正常平均时限及其特定图形表现[5]。吞咽过程中的口腔期可以被随意控制，故该阶段的口轮匝肌肌电信号容易受到干扰，咽期阶段则是不受随意控制的非自主性运动，咀嚼肌、颏下肌群、舌骨下肌群的肌电活动数据可靠性大[13]。sEMG对快速获取吞咽特征信息和对吞咽障碍的快速筛查有重要的价值。

在一般住院患者中应用进食评估问卷调查工具和容积-黏度吞咽测试（the volume-viscosity swallow test,V-VST）进行临床筛查是否有吞咽困难，以及应用sEMG评估吞咽特征，结果发现临床筛查为吞咽困难的患者在吞咽运动过程中，颏下表面肌电信号峰值水平从103μV增加到110μV，而没有吞咽困难的患者则没有这种改变[14]。在临床中，有部分患者伪装吞咽困难。Vaiman等[15]利用sEMG观察40例疑似假性吞咽困难患者、40例因扁桃体切除引起吞咽困难或吞咽痛患者和40例健康个体在自愿单次饮水吞咽（正常）和连续饮用100ml水时的肌电活动，发现假性吞咽困难和吞咽疼痛缺乏吞咽困难的病理信号模式。sEMG对鉴别真伪吞咽困难具有重要参考价值。Caray等[6]研究发现脑干卒中导致吞咽困难的肌电幅度和持续时间明显高于健康者，吞咽困难患者吞咽时需要更多肌肉的激活，同时肌肉的协调性、持久性均下降。这些参数可以反映舌骨上抬和喉上抬的持续时间和难易程度[16]。Kim等[17]采用VFSS和sEMG同步记录吞咽过程，分析发现大脑中动脉梗塞患者与健康志愿者相比，不仅肌电信号的吞咽开始时间和反射触发前持续时间延迟，而且颏下肌群的表面肌电信号活动持续时间也较短，中风后吞咽困难可能会因喉部反应延迟而进一步受损，这代表喉部保护机制受损。振幅是肌肉力量和相关电活动关系的一个重要方面，但是，振幅与肌肉力量之间并没有简单的关系[18]。有研究表明时域指标中的积分肌电值与吞咽困难严重程度存在相关性，而且呈正相关，认为可以通过sEMG采集的积分肌电值可以作为吞咽困难诊断、判断吞咽困难的严重程度及疗效评估的有效指标之一[19]。经sEMG评估发现吞咽困难患者的口轮匝肌、咀嚼肌和舌骨上肌群的不协调指数均明显大于健康者[20]。

通过分析吞咽障碍患者在吞咽康复训练前后吞咽肌群的肌电数据变化，从而可以评估患者吞咽功能的康复情况。EI Gharib等[21]利用sEMG采集吞咽肌群的肌电活动数据评估经长时间气管插管后拔管患者的吞咽功能康复效果，发现患者进行吞咽运动训练后临床吞咽情况好转，同时在唾液吞咽及水吞咽时颏下肌群的均方根值均增大。韩婕等[22]发现吞咽困难患者在康复治疗过程第4周及第8周中，相比治疗前肌肉收缩时程逐渐缩短，最大振幅逐渐增高，同时洼田饮水实验等级较前减小。通过采集比较康复训练前后吞咽肌群的肌电活动对客观判断患者吞咽功能的恢复情况有着重要的参考价值。

为了动态而完整地探索吞咽相关肌肉的电生理学，近几年出现了高密度表面肌电（high-density surface electromyography,HD sEMG）。HD sEMG是一种非侵入性的测量肌肉肌电活动的技术，在皮肤的一块区域上覆盖着大量紧密分布的电极。HD sEMG技术为获得肌电活动的时间和空间特性提供了一种新的途径[23]，研究发现HD sEMG能量图可以提供肌肉电活动的详细时空特性，并可视化与吞咽功能密切相关的肌肉收缩，能量图还提示吞咽时间和努力明显受到食物的体积和粘度影响以及当受试者将头转向任一侧时，肌肉活动的注意力转移到另一侧[24]，HD sEMG可能是快速筛查和客观评估吞咽功能的一种有用工具。

3 表面肌电相关参数指标对评估吞咽康复的临床意义

sEMG不仅被用来研究评估吞咽功能，而且许多学者研究了在各种吞咽康复治疗下吞咽肌群的肌电活动变化。对康复训练在改善吞咽功能的原理机制上有了进一步认识，有助于为患者选择高效合适的康复方案，有利于吞咽康复治疗技术的进一步发展，甚至探索发现新的康复治疗手段。

3.1 时域指标变化分析

时域指标是表面肌电中最常用的指标，是以时间为横坐标，肌电振幅为纵坐标刻画的特征曲线，包括平均肌电值、均方根值、积分肌电值。积分肌电值反映的是一定时间内肌肉中参与活动的运动单位的放电总量，体现肌肉在单位时间内的收缩特性[25]，与肌力及肌张力呈正相关[26]。平均肌电值主要反映肌肉活动时运动单位激或的数量、参与活动的运动单位类型及其同步化程度。肌肉收缩越强烈肌电图上记录的振幅越大，还可以反映完成动作的难易程度[27]。均方根值与肌肉负荷性因素和肌肉本身的生理、生化过程之间存在内在联系，是瞬间的sEMG信号，反映振幅特征，临床意义与平均肌电值基本相同。

Park等[28]利用sEMG研究探讨健康人群在运动机能贴扎（Kinesiology Taping,KT）阻力训练时对舌骨上肌群的激活作用，所有参与者在三种情况下（无KT,50%KT拉伸，80%KT拉伸）进行唾液吞咽。结果表明：与正常吞咽相比，患者在50%KT和80%KT阻力训练时肌电图的平均值、峰值均显著升高，80%KT拉伸时的平均值、峰值均显著高于50%KT拉伸，80%KT拉伸为舌骨上肌群提供了最大的负荷，同时对舌骨上肌群的激活作用最大；从而发现KT阻力训练可以作为一种新的治疗方法。Wheeler等[29]研究发现相比正常吞咽，在呼气肌力量训练时颏下肌群激活模式的持续时间更长、肌电活动振幅更高，呼气肌力量训练可以增加肌肉运动单位的募集，可以作为训练颏下肌群的有效方法。Poorjavad等[30]利 用sEMG比 较Shaker运动（HLE组）和神经肌肉电刺激（neuromuscular electrical stimulation,NMES）对健康老年人吞咽肌群活动的影响，发现HLE组的健康老年人吞水时颏下肌群活动时间较干预前显著缩短；治疗后HLE组舌骨上肌群的活动时限和峰值潜伏期明显短于NMES组。表明HLE组比NMES更有效地降低衰老对颏下肌群产生的影响。通过分析肌肉的肌电活动信号，从而发现更多的、更加有效的训练康复训练方法。通过分析肌电信号的时域指标分析可以客观判断吞咽康复训练效果和对吞咽康复技术选择具有一定的指导意义。

3.2 频域指标变化分析

频域指标包含平均功率频率和中位频率，是临床判别肌肉活动时的疲劳度常用指标。平均功率频率的高低与外周运动单位动作电位的传导速度，参与活动的运动单位类型及其同步化程度有关[31]。中位频率肌肉收缩过程中肌纤维放电频率的中间值[32]。当肌肉出现疲劳时会出现肌电频谱左移的现象，即频谱的平均功率频率值和中位频率值均下降。

Ferdjallah等[33]利用sEMG的频谱分析评估和量化健康受试者在Shaker运动期间舌骨上肌群、舌骨下肌群、胸锁乳突肌的肌电活动，发现在Shaker运动中舌骨上肌群、舌骨下肌群和胸锁乳突肌一旦开始活跃就显示出疲劳迹象，而且胸锁乳突肌疲劳速度最快；因此发现胸锁乳突肌可能是限制患者Shaker训练时间的主要因素。有研究进一步发现完成6周Shaker运动后，胸锁乳突肌的抗疲劳能力提高；但舌骨上肌群和舌骨下肌群的中位频率变化率增加，抗疲劳能力下降，需要更多的运动消耗[34]。相比Shaker训练，健康受试者进行下颌抗阻运动（Chin Tuck Against Resistance,CTAR）时舌骨上肌群产生更大的振幅，同时更容易疲劳，胸锁乳突肌与之相反；说明CTAR康复训练在激活舌骨上肌群更加具有特异性[35]。吞咽康复运动训练的基本原则：肌肉特异性和训练强度[36]，过度负荷会引起肌肉疲劳，并引发神经适应和肌肉强化[37]。通过对吞咽肌群的肌肉疲劳指标（平均功率频率和中位频率）分析，可以指导优化康复训练方案，有利于患者的康复训练。

4 影响表面肌电评估吞咽功能的因素

虽然表面肌电具有无创、无辐射、不适程度低、操作简单、费用低廉等优势。但其测量评估易受到外界多种因素干扰，例如：吞咽方式、食物性状、口感以及食物量、个体差异性以及系统因素，这些均会对吞咽肌群的肌电活动信号产生影响。所以在采用表面肌电进行操作评估吞咽功能时应要更好地设计评估方案，尽量控制这些影响因素，将干扰降至最低，以便在吞咽过程中获得最可靠的肌电活动。

4.1 吞咽方式

健康受试者在门德尔松手法下吞咽时颏下肌群的最大振幅、平均振幅和持续时间明显大于正常吞咽时的肌电活动[8]。有研究调查健康人群的分别在最小用力吞咽、正常吞咽和最大用力吞咽期间吞咽肌肉的肌电活动差异，与正常吞咽相比，最大用力吞咽导致肌电振幅增加，持续时间延长，而最小用力吞咽导致幅度降低，但持续时间无显著差异，在吞咽过程中增加和减少吞咽的意志力都转化为调节肌肉活动。Hrychyshyn等人[38]研究发现干吞咽过程中，颏下肌群的肌电活动平均时间比湿吞咽过程中的肌电活动平均时间长。Gupta等[39]发现干咽时肌电信号的平均功率值与湿吞咽时肌电信号的平均功率值显著不同。

4.2 食物

食物的性状、味道和体积均会影响吞咽相关肌群的肌电信号，包括平均振幅、峰值、活动时间。研究发现食物的味道（甜、咸、酸）和稠度均会对年轻及年老健康人群的吞咽生理产生影响，相比无味道的食物，3种味道条件下的颏下肌群和舌骨下肌群肌电活动水平较高，激活时间较短；随着浓度增加，肌电振幅和持续时间都显著增加；相比年轻受试者，年老受试者启动颏下肌群的时间延迟，结果表明：味道、稠度和年龄的相互作用会对颏下肌群和舌骨下肌群的激活产生影响[40]。肖灵君等[41]人发现吞咽5ml和10ml的稀流质和糊状食物时，食物剂量和食物性状均会改变颏下肌群的肌电信号，随着食物剂量的增加和食物由稀变稠，吞咽时限显著延长，平均波幅和峰值均显著增大。同样，Taniguchi[42]也研究发现吞咽糊状食物，颏下肌群sEMG的平均波幅大于吞咽相同稀流质的平均波幅。O'Kane等研究发现平均波幅和峰值随着食物体积的增加而增大[43]。

4.3 年龄性别

Vaiman等[44]通过对420名年龄在18-70岁以及70岁以上的正常成人进行吞咽表面肌电信号研究，发现各男性与女性之间的sEMG信号形状无差异性；年龄在70岁以上的老年患者表现年龄相关性，肌肉活动时限延长，提示老年患者肌肉之间的协调性下降。另有学者研究发现在含水吞咽及连续饮水时，相比中年组，健康老年组舌骨下肌群和颏下肌群产生的肌电信号均方根值较低[45]，意味着老化会降低颏下肌群和舌骨下肌群的力量，即使是70岁以上的健康成年人，吞咽功能也可能下降[46]，儿童吞咽肌群的活动时限与年龄显著相关，随着年龄的增长而缩短，在振幅上，儿童和成人没有显著性差异[47]。

4.4 系统影响因素

影响表面肌电评估吞咽功能的系统因素主要包括皮肤清洁度、毛发、电极质量、其他电信号干扰等。予75%酒精清洁皮肤油脂，可降低皮肤阻抗，提高信噪比。表面肌电信号研究的正常肌电振幅范围较大，这些变化不仅是由生物原因造成的，而且还受到皮肤、电极阻抗、肌肉离皮肤表面的深度、记录电极的位置与解剖结构的关系、肌肉大小的个体差异和温度等因素[1]。

5 sEMG联合其他吞咽检查评估

吞咽是一系列复杂的活动，利用sEMG联合其他吞咽检查方法，可以多维度阐述吞咽或吞咽障碍的病理生理机制。Crary[48]在健康成人吞咽5mL液体硫酸钡时进行VFSS和sEMG检查,分析舌骨抬高、咽收缩及咽食管段开闭与颏下肌群肌电信号的时间相关性，结果表明sEMG采集的肌电信号最早发生，并且与生物力学事件有明显的关系，其中舌骨位移与颏下肌群的肌电信号相关性最强。sEMG联合咽腔测压检查可以详细分析吞咽结构运动与神经肌肉活动之间的相关性，无论是正常吞咽还是用力吞咽，颏下表面肌电峰值与咽腔压力均存在负相关关系[49]。Ding等[50]人还将sEMG与电声门图结合研究，正常吞咽和门德尔松动作的颏下肌群的肌电图活动存在显著差异，颏下肌群的肌电图可以可靠地用于区分这两种吞咽状态，并检测出在吞咽过程中吞咽肌群启动激活存在时序性，即依次启动下口轮匝肌、上口轮匝肌、咀嚼肌、颏下肌群、舌骨下肌群，这为识别异常激活顺序提供了基础。通过研究表面肌电信号与生物事件之间的相关性可以进一步分析吞咽肌肉与吞咽结构运动之间的关系，阐明吞咽的发生机制，对揭示吞咽障碍的发生有一定的指导意义。

6 表面肌电的信度和效度

Crary[51]研究表明从sEMG轨迹识别吞咽动作与非吞咽动作的准确度很高，是识别正常吞咽的有效和可靠的工具，有经验的人员比无经验的人员更准确，该技术的经验可以更好地识别和判断。肖玲君等[52]人记录受试者吞咽5ml糊状食物时颏下肌群的sEMG信号，分别分析吞咽时限、平均波幅及峰值指标的的测试内信度、测试者间信度和重测信度，结果表明sEMG用于吞咽功能评估具有良好的信度。利用sEMG对口腔疾病、咽部疾病和食管疾病进行的一系列研究，发现伪装吞咽困难的患者吞咽肌电信号与吞咽困难病理性肌电信号模式不一致，证明了sEMG的可靠性[53-56]。研究表明不同的吞咽疾病肌电信号的时间和幅度上都有特定的表面肌电信号模式[18]。研究发现sEMG测量的可靠性受年龄和吞咽类型的影响，MDF在评估肌肉功能方面表现出更高的可靠性和精确度[57]。综上所述，虽然表面肌电信号容易其他因素干扰，但是研究表明sEMG仍然是一种较可靠的评估手段。

7 小结与展望

吞咽肌电生理信息对探讨吞咽功能和评价临床康复方法的有效性有重要意义。sEMG可对吞咽功能进行快速筛查评估，具有无辐射、操作简单、患者不适程度低等优势。然而sEMG采集的肌电信号仅局限在表浅肌群，不能准确定位目标肌肉以及无法对深部肌肉功能评估分析。虽然既往已有许多学者旨在利用sEMG研究对正常吞咽进行分析从而建立正常人数据，但是目前临床上仍未有正常吞咽肌群肌电数值的参考数据库，对正常吞咽和异常吞咽的数值缺乏共识。随着科技的进步，出现了新的表面肌电检测技术，即HD sEMG，能较好弥补传统表面肌电的不足，相信在未来sEMG在吞咽领域中会有更深入的研究和应用。