肌肉痉挛定量评估的研究进展
作者：王广志
单位：清华大学电机系生物医学工程研究所，北京100084
关键词：肌肉痉挛；定量评估；脊髓损伤；临床检测；牵张反射
现代康复000503
摘要 对临床和康复工程中肌肉痉挛定量评估的方法及其特点作了介绍，对Ashworth评价指标、电生理评价指标、肌肉与肌腱反射特征、摆动实验、机械扰动实验等临床和工程方法的特点和局限性进行了分析。介绍了上述方面的主要研究进展和代表性的工作。
中图分类号 R496 文献标识码 A 文章编号 1007-5496(2000)05-0650-03
The advancing of quantitative assessment of spasticity
, 百拇医药
WANG Guang-zhi.
(Biomedical Engineering Institute, Tsinghua University, Beijing 100084,China)
Abstract Introduces the advancement of quantitative assessment of muscle spasticity in clinical application and rehabilitation engineering. Reviews the key feature and limitation of several quantitative assessment methods, such as clinical evaluation, electrophysiological test, muscle reflex and tendon- jerk, pendulum test and mechanical perturbations.
, 百拇医药
Key word muscle spasticity;quantitative assessment;spin cord injury;clinical measurement;stretch reflex
1 前言
肌肉痉挛(Spasticity)是一种伴随着上运动神经元损伤，如脊髓损伤(Spin Cord Injury,SCI)、脊髓多节段硬化(Multiple Sclerosis,MS)、中风(Stroke)以及帕金森病(Parkinson's disease,PD)等出现的常见并发症。其表现主要包括肌张力升高、肌肉僵硬、抽搐性痉挛等症状。痉挛严重影响患者日常活动能力和康复治疗效果。例如，对不完全性SCI，肌肉的抽搐会伴随严重的疼痛，肌肉痉挛造成的肌张力升高和僵硬制约了肢体活动范围，影响自主运动。对完全性截瘫病人的肌肉痉挛会给病人的护理造成困难并可能引发肌肉、骨骼和关节的畸形变化。目前，痉挛的治疗手段主要有药物治疗、手术治疗和电刺激等方法。临床中采用多种药物，如baclofen(氯苯氨丁酸)、benzodiazepines(苯并呋喃)、dantrolene(硝苯呋海因)、botulinum toxin(肉毒杆菌毒素)及其他一些镇定药物等缓解痉挛。上述药物都对服用者精神或肠胃存在一定的副反应，限制了药物的应用并对药物的剂量管理提出了较高要求，需要对药物治疗的效果有比较准确的评价，最好是客观定量评估，以达到合理的剂量处方。痉挛的手术治疗包括软组织手术(STO)、选择性后根切除(SPR)、截骨术(OT)等多种方法，上述方法对降低患肢肌张力，改善关节活动度，消除或缓解阵挛等有一定的短期疗效，但手术的长期效果及其副反应问题尚待观察评价。对肌肉/神经电刺激、直肠电刺激(RPES)等治疗的机理和效果评价，目前依然是临床中迫切需要解决的问题，因此对肌肉痉挛程度和治疗效果的定量评估研究是康复工程的一个重要课题。
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目前对痉挛的定量评估尚缺乏很好的方法。由于痉挛有多种表现，评价方法和标准不统一，影响了对病情的准确诊断。同时，由于对痉挛机理的认识尚不统一，实践中从不同的侧面看问题可能出现不同的结论。例如，痉挛的主要外在表现之一为肢体运动阻力的提高，而阻力的提高可能由于中枢紧张性反射(tonicreflex)造成静止肌张力的提高，或者由于肌肉以及连接组织机械特性的改变，或者二者兼而有之。一些研究者断言痉挛是由于运动神经控制回路反射亢进引起[1,2]，另一些则相信肌肉张力的提高与反射亢进是不相关的，而肌肉的机械特性改变可能有很大作用[3]。另外，研究者指出，反射回路的亢进的原因可能是由于运动神经元活性改变，也可能是由于中间神经元活性改变而产生。从系统控制的角度来看，这两种原因对应于控制系统增益(Gain)的提高或牵张反射阈值(Threshold)的降低。因此，如何对神经控制系统的增益或牵张反射阈值进行定量测试或估计成为一个重要问题。对此不同研究者有不同的结论，Lee和Rymer提出[4]，在肌肉痉挛病人随意(voluntary)运动时，痉挛肢体和对侧肢体的牵张反射增益无显著区别。Sinkjaer等报道[5,6]，MS病人痉挛肌肉的非反射阻力有所增高，而由反射造成的肌肉阻力与正常人无显著区别。上述研究者指出，肌肉阻力的提高不能简单认为是反射亢进的证据，因此要在考虑肢体位置、肌肉力量等因素的条件下设法将反射和非反射的贡献区分开。目前对痉挛机理的研究主要是从肌肉的机械特性和反射特性两方面着手，在研究反射特性时十分重视对反射环路增益和反射阈值的研究，相信这方面的研究对了解痉挛机理和真正实现定量评估有很大帮助。在临床康复和生物医学工程领域，人们一直在探讨痉挛程度的客观评价指标和方法，但由于问题的复杂性，目前尚无公认的可行方法。正如Levin指，出现在许多研究者同意这样的观点,没有那一种单独的测量是最适合描述肌肉痉挛的[7]。因此从多方面研究肌肉痉挛及其对关节神经肌肉系统特性的影响，以及如何从关节神经肌肉系统综合特性来定量评估肌肉痉挛是有重要意义的。
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2 痉挛的定量评估实验与分析方法
目前，在临床和生物医学工程中，对痉挛尚无公认的客观定量评估方法，现行的临床评估方法存在很大的主观性，而一些工程方法还很不实用。因此临床医师主要依赖主观评测，辅以病人自述的症状，以及对如阵挛发生频率和程度等的观察来作出评价。在研究客观评价指标时，人们将注意力主要集中于研究痉挛对反射特性和机械特性的影响上，主要的方法都是对这两方面的测量和特征提取。应当指出的是，在研究新的量化评估技术时，需要与临床广泛采用的方法进行比较，从而对新方法的信度和效度作出评价，并使定量评估指标为临床所接受。
2.1 Ashworth量化指标 临床中有一系列评估痉挛程度的指标，但大部分未得到广泛运用和认可。其中比较广泛认可的是Ashworth评价指标，其它如Clonus评分，反射测试评分等也可作为参考指标。
Ashworth测试是通过对患肢肌肉紧张程度进行测试得出0～4级的评分，其标准如表1所示。测试时令患者处于舒适的坐姿或仰卧，由有经验的医师或物理治疗师对肢体双向运动中牵张反射和肌肉紧张程度进行评估，然后按表1的规则给出评分。在临床工作中为针对某一类型的痉挛作出更合理的评估，发展了若干修正的标准，称为修改的Ashworth量表。
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表1 评估痉挛程度的Ashworth量表 0级
静止肌紧张程度无增加
1级
静止股紧张程度轻微增加，表现为抓放时，或运动到极限位时阻力的少许增加
2级
在大部分运动范围内肌紧张程度有明显增加，但尚可很容易地移动受影响的肢体
3级
肌紧张显著增加，难以移动受影响的肢体
4级
受影响的肢体很僵硬，屈伸移动很困难
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Ashworth分级标准是一种通过手工测试，主观感觉来评定痉挛病情级别的指标，该方法分级比较粗糙，对病情的描述是主观定性的，因此可靠性不是很高。从统计意义上看，实测评分有向中间级别(2～4级)集中的趋势，评估的敏感性受到一定影响。尽管Ashworth评分法存在上述局限性，由于其简单易行，无需其他附加的设备和技术处理，是临床中应用最广的方法。
2.2 电生理指标 一般认为，上运动神经元损伤后，脊髓中枢失去上位中枢的控制，会造成节段中间神经元和运动神经元活性的改变，导致电生理活动发生相应的变化。肌电图检查是临床常用的电生理指标检测方法。实践中常采用Hoffmann反射波(H波)、H波与M波比值、屈肌反射、腱反射(T反射)波与H波比值及F波振幅、时程等综合肌电图指标，反映脊髓α运动神经元、γ运动神经元、Renshaw细胞及一般中间神经元的活性，从而研究痉挛的节段性病理生理机制。在临床中在评价药物效果和康复治疗效果时，常将电生理指标作为定量评估的一种客观指标，但电生理指标通常只能反映神经兴奋和传导特性的变化，以及神经互相抑制的情况。一些学者指出，痉挛机理可能涉及更复杂的因素，而不仅仅是神经活性和传导特性的改变，至少一些类型的痉挛与神经活性改变是没有直接关系的，因此电生理指标只能从一个侧面对痉挛程度给出参考性结论。
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2.3 肌肉反射与腱反射 用于评估节段牵张反射弧(segmental stretch reflex arc)活动度的标准方法是肌肉和肌腱反射测试，通过牵拉肌肉或用叩诊锤敲击肌腱的方法引发反射，通过测量反射的肌肉收缩强度或肢体的运动用于评定[2,7,8,9]。由于叩击的强度难于控制，该方法通常难以精确量化，为此一些研究者开发了带有力传感器的叩诊锤，从而对叩击力进行测量，并开发了自动化的击振装置，使叩击幅度可控[9]。通常该方法可以准确测定特定条件下反射特性的变化，但无法测量机械特性变化。而且，多数情况下对肌肉收缩强度或肢体运动程度的描述是半定量的。另外，由于测量的输出是反射响应的力或肢体运动，而不是反射阈值或增益，需要利用其他方法对这些特征参数进行估计。Zhang等人利用系统辨识技术对肌腱反射的动态特性进行了研究，将腱反射考虑为在叩击作用下的系统冲击响应，进而通过相关分析得到了髌韧带反射的系统冲击响应曲线(impulse response，IRF)，并从冲击响应曲线上抽取了描述反射的若干系统特征参数，从而更精确地描述系统的反射响应特征[10]。该方法已经用于对MS病人的评估，结果表明：测试的特征参数在正常对照组与痉挛组间存在显著性差异，特征参数间以及特征参数与临床测试结果存在良好的相关性。在测试中关节位置固定，肌肉保持等长收缩状态，减小了非反射部分对关节力矩的影响，通过匹配测试条件减小了测试误差，并且使正常与痉挛肢体的特征参数具有可比性。为解决用反射特征参数对痉挛病情分类问题，可以使用如人工神经网络等非线性分类工具对特征参数进行处理，实现对特征参数的模式识别。初步研究表明，采用人工神经网络对特征参数进行综合分析可以收到良好效果[11]。
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利用系统辨识技术对肌腱反射的动态特性进行研究的潜在优势在于，有可能实现对反射阈值和增益的同步估计。例如，反射阈值与叩击力、叩击速度以及关节角度有关，而响应的幅度与反射增益有关。如果在叩击中对叩击力和速度有很好的控制，在较宽的范围内进行测量，有可能通过系统辨识技术对阈值、增益等作出估计。
2.4 摆动实验 这是目前临床中尝试较多的量化测试手段，其方法是让肢体从一定高度自由下摆，测试其摆动的特性参数，其理论基础是认为肢体的摆动类似于一个具有线性阻尼的悬摆。由于肌肉强度(stiffness)不同，牵张反射强度不同，使得系统的阻尼不同，因此摆动的幅度和周期都不同。为比较测量的摆动曲线，可以在曲线上提取若干参数，如第一个摆动波的上升幅度，摆动次数，摆动时间，幅度比以及放松指数等[12]。更细致的分析表明[13]，肢体摆动的特性并不严格遵从单摆的运动规律：由于反射阈值的作用，使运动阻尼表现很复杂，破坏了摆动的运动规律；由于屈肌与伸肌的弹性与阻尼的贡献不同，肢体可能作不对称运动。所以，简单用单摆运动的特征参数无法精确描述痉挛肢体的运动规律。
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近年,一些研究者利用系统建模仿真方法对摆动实验进行研究。Jiping利用建模仿真方法研究了肢体姿态和肌肉长度对牵张反射敏感程度的影响[14]，他们对59例MS病人进行了Ashworth评分，摆动实验和模型仿真，得到了摆动轨迹对应的3种牵张反射模式。建模仿真研究结果发现，在牵张反射响应中，除牵张强度对诱发痉挛有直接作用外，还有其它复杂的因素。采用建模仿真途径可以对系统的行为进行更深入的研究，例如对各个因素的影响进行独立的试验，从而揭示深层的机制。Feng等人对肘关节的摆动试验建立了骨骼神经肌肉系统和牵张反射模型[15]，其中包括了静态和动态的反射阈值和反射环路增益等参数。他们利用模型对上述阈值和增益的影响进行了定量研究，并与临床测试结果进行了比较，对阈值和增益对痉挛的影响进行了讨论。
2.5 机械扰动实验(Mechanical Perturbations) 在研究中人们发展了多种复杂的机械扰动方法对痉挛肢体的机械特性进行测量，但这些方法一般只在实验室中用于研究。所谓机械扰动方法是利用机械装置对痉挛肢体进行特定的牵拉运动，测量运动过程中的肢体力矩、位移以及相关肌肉的肌电信号等，在此基础上对运动的阻力系数，痉挛肌肉的反射收缩等给出定量的描述，并用这些描述来表达病情。在这类研究中，扰动信号的设计是一个关键问题，需要考虑合理地设计实验，将需要考察的特征参数提取出来，并抵销其他因素的影响。
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利用机械运动对痉挛进行客观评估的方法，包括利用大幅度的运动对力矩～角度关系的测量，利用小幅度的机械扰动对运动系统参数进行辨识等。前者是在痉挛肢体被动移动时，对肢体运动的力矩～角度关系进行测量[1,2]，这种方法是对主观评估(如Ashworth量化评分)的直接量化的尝试。但研究者发现其结果与患者的病症表现的相关性很差，其重要原因之一是运动中位移与受力是非线性关系，同时，在双向运动时，力与位移的关系呈滞回曲线(hysteresisloop)关系，因此在不同的测试条件下(关节角度，移动方向，移动速度等)得出的力矩～角度关系是不同的，测试的结论也会有很大差异。
Lehmann等[16]使用正弦分析和奈奎斯特图(Nyquist plots)描述痉挛肢体的同相位(in phase)和非同相位(out of phase)阻力对关节力矩的贡献，其中同相位阻力对应系统的弹性阻尼(stiffness)部分，而非同相阻力对应系统的粘滞阻尼(viscosity)。同时，他们利用线积分方法(对测试中作功的一种测量)表达痉挛的严重程度，对痉挛肢体在不同正弦频率下奈奎斯特图的线积分值作了比较。这种方法的问题是没有明确的生理意义的支持，也不容易用于日常的临床工作。
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在实践中，采用等速运动和“等速牵拉+位置保持”类的扰动信号对分析很有帮助，由于实惯量对关节力矩的贡献排除掉。通过调整扰动的幅度或速度，可以将与牵张幅度或牵张速度有关的反射力矩的贡献分开进行评估。更深入的分析还可以研究关节净力矩中被动阻力和肌肉主动收缩的相对贡献。这种方法的代价是由于技术的复杂性，难以在日常的临床工作中广泛应用。与此类似，近年来随着系统辨识技术的发展，许多研究人员使用小幅度白噪类信号作为系统扰动进行实验，并采用系统辨识方法估计系统参数。这种方法由于其严格的理论基础和辨识算法的稳定性、可靠性，从定量计算和评估的角度看是很有吸引力的，但由于其复杂性而难于在临床中推广应用。
机械扰动方法与适当的系统建模仿真技术或系统辨识技术结合，可以对系统的参数进行细致的分析。其困难主要有两方面，一个是如何建立合理的模型，能够较好地描述生理系统的特征；另一个是如何利用测量的机械运动(位移、力、力矩等信号)估计系统参数，并进而通过对系统参数的分析来进行痉挛机理或程度评估。为解决前一个问题，人们试图利用神经生理系统研究的成果，对肌肉的静态和动态特性、肌肉的神经控制、神经控制中的反射环路等建立描述，并通过适当的联结，构成系统模型。这方面有代表性的工作主要有Kearney等[17]建立的串-并联结构的模型，Zhang等[18]建立的NDDE(Nonlinear Delay Differential Equation)模型等。串-并联结构模型对肢体机械阻尼部分和反射通路部分分别作了描述，并表示为它们的串-并联结构，模型中包含了非线性环节。通过复杂的系统辨识算法可以区分系统固有机械阻尼与反射对关节力矩和系统刚度(stiffness)的贡献。Mirbagheri等利用该模型对SCI痉挛病人的牵张反射特性和强度(stiffness)特性进行了研究[19]，比较了不同实验条件下SCI病人和正常人的反射和机械特性，对痉挛肢体机械和反射特性的变化给出了一些启发性的结果。NDDE模型更多地考虑了模型的物理和生理意义，将牵张速度和关节位置对反射的作用分别考虑，并对高尔基氏腱器官(Golgi Tendon Organs)的反射作用进行了处理。模型可以更精细地描述反射环路的机理，Zhang等利用该模型对MS病人的反射和机械特性进行了研究，并与Ashworth评分进行了对比[20]。研究中将牵张反射特性区分为静态与动态两部分分别加以考察，结果表明，MS病人的静态牵张反射增益低于正常人，而动态牵张反射增益高于正常对照组，同时MS病人与正常人相比，机械阻尼特性也有显著变化。
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3 讨论
目前流行的痉挛定量评估方法有若干方面的弱点，例如，象Ashworth评分这一类临床分级评估方法是主观标准，不够精确，不够敏感，不易重复，而且在不同评测者间难于统一标准，这些因素阻碍了它们在量化评估方面的作用。而腱反射一般仅作为在一定关节角度下的反射响应幅度的一种度量，通常人们并不将其作为衡量痉挛程度的主要指标。
传统的单摆测试方法仅限于对少数关节运动特性的观察，由于缺乏严格的模型，对摆动的运动规律及与肌肉痉挛的关系难于作出准确的评价。另一方面，传统的测试方法使用如量角器(goniometer)类的测量手段，使用不方便，对动态系统的测试也比较粗糙。近年来，一些研究者采用建模仿真分方法对单摆实验进行研究收到了较好效果[14,15]。许多研究者在测量方面使用的专门的实验仪器，如CybexII运动测试仪等[12]，使结果更加可信。但这种方法要在临床中得到广泛应用，尚需要进一步的研究和更多的临床实验结果。
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一些研究者认为，对痉挛定量评估最直接和实际可行的方法是从痉挛机理研究出发，对牵张反射阈值及反射增益，或者相关参数作出识别，并综合考虑这些因素对痉挛的影响。利用机械扰动对系统特性进行辨识，可以对反射的阈值和增益等参数作出估计，并有可能区分机械和反射的贡献，是目前最精细的定量评估方法。近年来这方面已经取得了一些重要进展[17～20]，其主要问题是技术上的复杂性和测试成本较高。
总的来看，痉挛的机理研究和定量评定仍然是康复医学中的一个难题，至今尚无普遍认可的方法。人们从多方面对评定问题进行了探讨，力图克服主观评定方法的缺陷，发展更为客观，容易操作的评价体系。为达到这一目标，尚需要生物医学工程研究人员与临床医生的密切合作。
参考文献
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(收稿：2000-03-15), 百拇医药
单位：清华大学电机系生物医学工程研究所，北京100084
关键词：肌肉痉挛；定量评估；脊髓损伤；临床检测；牵张反射
现代康复000503
摘要 对临床和康复工程中肌肉痉挛定量评估的方法及其特点作了介绍，对Ashworth评价指标、电生理评价指标、肌肉与肌腱反射特征、摆动实验、机械扰动实验等临床和工程方法的特点和局限性进行了分析。介绍了上述方面的主要研究进展和代表性的工作。
中图分类号 R496 文献标识码 A 文章编号 1007-5496(2000)05-0650-03
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(Biomedical Engineering Institute, Tsinghua University, Beijing 100084,China)
Abstract Introduces the advancement of quantitative assessment of muscle spasticity in clinical application and rehabilitation engineering. Reviews the key feature and limitation of several quantitative assessment methods, such as clinical evaluation, electrophysiological test, muscle reflex and tendon- jerk, pendulum test and mechanical perturbations.
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Key word muscle spasticity;quantitative assessment;spin cord injury;clinical measurement;stretch reflex
1 前言
肌肉痉挛(Spasticity)是一种伴随着上运动神经元损伤，如脊髓损伤(Spin Cord Injury,SCI)、脊髓多节段硬化(Multiple Sclerosis,MS)、中风(Stroke)以及帕金森病(Parkinson's disease,PD)等出现的常见并发症。其表现主要包括肌张力升高、肌肉僵硬、抽搐性痉挛等症状。痉挛严重影响患者日常活动能力和康复治疗效果。例如，对不完全性SCI，肌肉的抽搐会伴随严重的疼痛，肌肉痉挛造成的肌张力升高和僵硬制约了肢体活动范围，影响自主运动。对完全性截瘫病人的肌肉痉挛会给病人的护理造成困难并可能引发肌肉、骨骼和关节的畸形变化。目前，痉挛的治疗手段主要有药物治疗、手术治疗和电刺激等方法。临床中采用多种药物，如baclofen(氯苯氨丁酸)、benzodiazepines(苯并呋喃)、dantrolene(硝苯呋海因)、botulinum toxin(肉毒杆菌毒素)及其他一些镇定药物等缓解痉挛。上述药物都对服用者精神或肠胃存在一定的副反应，限制了药物的应用并对药物的剂量管理提出了较高要求，需要对药物治疗的效果有比较准确的评价，最好是客观定量评估，以达到合理的剂量处方。痉挛的手术治疗包括软组织手术(STO)、选择性后根切除(SPR)、截骨术(OT)等多种方法，上述方法对降低患肢肌张力，改善关节活动度，消除或缓解阵挛等有一定的短期疗效，但手术的长期效果及其副反应问题尚待观察评价。对肌肉/神经电刺激、直肠电刺激(RPES)等治疗的机理和效果评价，目前依然是临床中迫切需要解决的问题，因此对肌肉痉挛程度和治疗效果的定量评估研究是康复工程的一个重要课题。
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目前对痉挛的定量评估尚缺乏很好的方法。由于痉挛有多种表现，评价方法和标准不统一，影响了对病情的准确诊断。同时，由于对痉挛机理的认识尚不统一，实践中从不同的侧面看问题可能出现不同的结论。例如，痉挛的主要外在表现之一为肢体运动阻力的提高，而阻力的提高可能由于中枢紧张性反射(tonicreflex)造成静止肌张力的提高，或者由于肌肉以及连接组织机械特性的改变，或者二者兼而有之。一些研究者断言痉挛是由于运动神经控制回路反射亢进引起[1,2]，另一些则相信肌肉张力的提高与反射亢进是不相关的，而肌肉的机械特性改变可能有很大作用[3]。另外，研究者指出，反射回路的亢进的原因可能是由于运动神经元活性改变，也可能是由于中间神经元活性改变而产生。从系统控制的角度来看，这两种原因对应于控制系统增益(Gain)的提高或牵张反射阈值(Threshold)的降低。因此，如何对神经控制系统的增益或牵张反射阈值进行定量测试或估计成为一个重要问题。对此不同研究者有不同的结论，Lee和Rymer提出[4]，在肌肉痉挛病人随意(voluntary)运动时，痉挛肢体和对侧肢体的牵张反射增益无显著区别。Sinkjaer等报道[5,6]，MS病人痉挛肌肉的非反射阻力有所增高，而由反射造成的肌肉阻力与正常人无显著区别。上述研究者指出，肌肉阻力的提高不能简单认为是反射亢进的证据，因此要在考虑肢体位置、肌肉力量等因素的条件下设法将反射和非反射的贡献区分开。目前对痉挛机理的研究主要是从肌肉的机械特性和反射特性两方面着手，在研究反射特性时十分重视对反射环路增益和反射阈值的研究，相信这方面的研究对了解痉挛机理和真正实现定量评估有很大帮助。在临床康复和生物医学工程领域，人们一直在探讨痉挛程度的客观评价指标和方法，但由于问题的复杂性，目前尚无公认的可行方法。正如Levin指，出现在许多研究者同意这样的观点,没有那一种单独的测量是最适合描述肌肉痉挛的[7]。因此从多方面研究肌肉痉挛及其对关节神经肌肉系统特性的影响，以及如何从关节神经肌肉系统综合特性来定量评估肌肉痉挛是有重要意义的。
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2 痉挛的定量评估实验与分析方法
目前，在临床和生物医学工程中，对痉挛尚无公认的客观定量评估方法，现行的临床评估方法存在很大的主观性，而一些工程方法还很不实用。因此临床医师主要依赖主观评测，辅以病人自述的症状，以及对如阵挛发生频率和程度等的观察来作出评价。在研究客观评价指标时，人们将注意力主要集中于研究痉挛对反射特性和机械特性的影响上，主要的方法都是对这两方面的测量和特征提取。应当指出的是，在研究新的量化评估技术时，需要与临床广泛采用的方法进行比较，从而对新方法的信度和效度作出评价，并使定量评估指标为临床所接受。
2.1 Ashworth量化指标 临床中有一系列评估痉挛程度的指标，但大部分未得到广泛运用和认可。其中比较广泛认可的是Ashworth评价指标，其它如Clonus评分，反射测试评分等也可作为参考指标。
Ashworth测试是通过对患肢肌肉紧张程度进行测试得出0～4级的评分，其标准如表1所示。测试时令患者处于舒适的坐姿或仰卧，由有经验的医师或物理治疗师对肢体双向运动中牵张反射和肌肉紧张程度进行评估，然后按表1的规则给出评分。在临床工作中为针对某一类型的痉挛作出更合理的评估，发展了若干修正的标准，称为修改的Ashworth量表。
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表1 评估痉挛程度的Ashworth量表 0级
静止肌紧张程度无增加
1级
静止股紧张程度轻微增加，表现为抓放时，或运动到极限位时阻力的少许增加
2级
在大部分运动范围内肌紧张程度有明显增加，但尚可很容易地移动受影响的肢体
3级
肌紧张显著增加，难以移动受影响的肢体
4级
受影响的肢体很僵硬，屈伸移动很困难
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Ashworth分级标准是一种通过手工测试，主观感觉来评定痉挛病情级别的指标，该方法分级比较粗糙，对病情的描述是主观定性的，因此可靠性不是很高。从统计意义上看，实测评分有向中间级别(2～4级)集中的趋势，评估的敏感性受到一定影响。尽管Ashworth评分法存在上述局限性，由于其简单易行，无需其他附加的设备和技术处理，是临床中应用最广的方法。
2.2 电生理指标 一般认为，上运动神经元损伤后，脊髓中枢失去上位中枢的控制，会造成节段中间神经元和运动神经元活性的改变，导致电生理活动发生相应的变化。肌电图检查是临床常用的电生理指标检测方法。实践中常采用Hoffmann反射波(H波)、H波与M波比值、屈肌反射、腱反射(T反射)波与H波比值及F波振幅、时程等综合肌电图指标，反映脊髓α运动神经元、γ运动神经元、Renshaw细胞及一般中间神经元的活性，从而研究痉挛的节段性病理生理机制。在临床中在评价药物效果和康复治疗效果时，常将电生理指标作为定量评估的一种客观指标，但电生理指标通常只能反映神经兴奋和传导特性的变化，以及神经互相抑制的情况。一些学者指出，痉挛机理可能涉及更复杂的因素，而不仅仅是神经活性和传导特性的改变，至少一些类型的痉挛与神经活性改变是没有直接关系的，因此电生理指标只能从一个侧面对痉挛程度给出参考性结论。
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2.3 肌肉反射与腱反射 用于评估节段牵张反射弧(segmental stretch reflex arc)活动度的标准方法是肌肉和肌腱反射测试，通过牵拉肌肉或用叩诊锤敲击肌腱的方法引发反射，通过测量反射的肌肉收缩强度或肢体的运动用于评定[2,7,8,9]。由于叩击的强度难于控制，该方法通常难以精确量化，为此一些研究者开发了带有力传感器的叩诊锤，从而对叩击力进行测量，并开发了自动化的击振装置，使叩击幅度可控[9]。通常该方法可以准确测定特定条件下反射特性的变化，但无法测量机械特性变化。而且，多数情况下对肌肉收缩强度或肢体运动程度的描述是半定量的。另外，由于测量的输出是反射响应的力或肢体运动，而不是反射阈值或增益，需要利用其他方法对这些特征参数进行估计。Zhang等人利用系统辨识技术对肌腱反射的动态特性进行了研究，将腱反射考虑为在叩击作用下的系统冲击响应，进而通过相关分析得到了髌韧带反射的系统冲击响应曲线(impulse response，IRF)，并从冲击响应曲线上抽取了描述反射的若干系统特征参数，从而更精确地描述系统的反射响应特征[10]。该方法已经用于对MS病人的评估，结果表明：测试的特征参数在正常对照组与痉挛组间存在显著性差异，特征参数间以及特征参数与临床测试结果存在良好的相关性。在测试中关节位置固定，肌肉保持等长收缩状态，减小了非反射部分对关节力矩的影响，通过匹配测试条件减小了测试误差，并且使正常与痉挛肢体的特征参数具有可比性。为解决用反射特征参数对痉挛病情分类问题，可以使用如人工神经网络等非线性分类工具对特征参数进行处理，实现对特征参数的模式识别。初步研究表明，采用人工神经网络对特征参数进行综合分析可以收到良好效果[11]。
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利用系统辨识技术对肌腱反射的动态特性进行研究的潜在优势在于，有可能实现对反射阈值和增益的同步估计。例如，反射阈值与叩击力、叩击速度以及关节角度有关，而响应的幅度与反射增益有关。如果在叩击中对叩击力和速度有很好的控制，在较宽的范围内进行测量，有可能通过系统辨识技术对阈值、增益等作出估计。
2.4 摆动实验 这是目前临床中尝试较多的量化测试手段，其方法是让肢体从一定高度自由下摆，测试其摆动的特性参数，其理论基础是认为肢体的摆动类似于一个具有线性阻尼的悬摆。由于肌肉强度(stiffness)不同，牵张反射强度不同，使得系统的阻尼不同，因此摆动的幅度和周期都不同。为比较测量的摆动曲线，可以在曲线上提取若干参数，如第一个摆动波的上升幅度，摆动次数，摆动时间，幅度比以及放松指数等[12]。更细致的分析表明[13]，肢体摆动的特性并不严格遵从单摆的运动规律：由于反射阈值的作用，使运动阻尼表现很复杂，破坏了摆动的运动规律；由于屈肌与伸肌的弹性与阻尼的贡献不同，肢体可能作不对称运动。所以，简单用单摆运动的特征参数无法精确描述痉挛肢体的运动规律。
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近年,一些研究者利用系统建模仿真方法对摆动实验进行研究。Jiping利用建模仿真方法研究了肢体姿态和肌肉长度对牵张反射敏感程度的影响[14]，他们对59例MS病人进行了Ashworth评分，摆动实验和模型仿真，得到了摆动轨迹对应的3种牵张反射模式。建模仿真研究结果发现，在牵张反射响应中，除牵张强度对诱发痉挛有直接作用外，还有其它复杂的因素。采用建模仿真途径可以对系统的行为进行更深入的研究，例如对各个因素的影响进行独立的试验，从而揭示深层的机制。Feng等人对肘关节的摆动试验建立了骨骼神经肌肉系统和牵张反射模型[15]，其中包括了静态和动态的反射阈值和反射环路增益等参数。他们利用模型对上述阈值和增益的影响进行了定量研究，并与临床测试结果进行了比较，对阈值和增益对痉挛的影响进行了讨论。
2.5 机械扰动实验(Mechanical Perturbations) 在研究中人们发展了多种复杂的机械扰动方法对痉挛肢体的机械特性进行测量，但这些方法一般只在实验室中用于研究。所谓机械扰动方法是利用机械装置对痉挛肢体进行特定的牵拉运动，测量运动过程中的肢体力矩、位移以及相关肌肉的肌电信号等，在此基础上对运动的阻力系数，痉挛肌肉的反射收缩等给出定量的描述，并用这些描述来表达病情。在这类研究中，扰动信号的设计是一个关键问题，需要考虑合理地设计实验，将需要考察的特征参数提取出来，并抵销其他因素的影响。
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利用机械运动对痉挛进行客观评估的方法，包括利用大幅度的运动对力矩～角度关系的测量，利用小幅度的机械扰动对运动系统参数进行辨识等。前者是在痉挛肢体被动移动时，对肢体运动的力矩～角度关系进行测量[1,2]，这种方法是对主观评估(如Ashworth量化评分)的直接量化的尝试。但研究者发现其结果与患者的病症表现的相关性很差，其重要原因之一是运动中位移与受力是非线性关系，同时，在双向运动时，力与位移的关系呈滞回曲线(hysteresisloop)关系，因此在不同的测试条件下(关节角度，移动方向，移动速度等)得出的力矩～角度关系是不同的，测试的结论也会有很大差异。
Lehmann等[16]使用正弦分析和奈奎斯特图(Nyquist plots)描述痉挛肢体的同相位(in phase)和非同相位(out of phase)阻力对关节力矩的贡献，其中同相位阻力对应系统的弹性阻尼(stiffness)部分，而非同相阻力对应系统的粘滞阻尼(viscosity)。同时，他们利用线积分方法(对测试中作功的一种测量)表达痉挛的严重程度，对痉挛肢体在不同正弦频率下奈奎斯特图的线积分值作了比较。这种方法的问题是没有明确的生理意义的支持，也不容易用于日常的临床工作。
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在实践中，采用等速运动和“等速牵拉+位置保持”类的扰动信号对分析很有帮助，由于实惯量对关节力矩的贡献排除掉。通过调整扰动的幅度或速度，可以将与牵张幅度或牵张速度有关的反射力矩的贡献分开进行评估。更深入的分析还可以研究关节净力矩中被动阻力和肌肉主动收缩的相对贡献。这种方法的代价是由于技术的复杂性，难以在日常的临床工作中广泛应用。与此类似，近年来随着系统辨识技术的发展，许多研究人员使用小幅度白噪类信号作为系统扰动进行实验，并采用系统辨识方法估计系统参数。这种方法由于其严格的理论基础和辨识算法的稳定性、可靠性，从定量计算和评估的角度看是很有吸引力的，但由于其复杂性而难于在临床中推广应用。
机械扰动方法与适当的系统建模仿真技术或系统辨识技术结合，可以对系统的参数进行细致的分析。其困难主要有两方面，一个是如何建立合理的模型，能够较好地描述生理系统的特征；另一个是如何利用测量的机械运动(位移、力、力矩等信号)估计系统参数，并进而通过对系统参数的分析来进行痉挛机理或程度评估。为解决前一个问题，人们试图利用神经生理系统研究的成果，对肌肉的静态和动态特性、肌肉的神经控制、神经控制中的反射环路等建立描述，并通过适当的联结，构成系统模型。这方面有代表性的工作主要有Kearney等[17]建立的串-并联结构的模型，Zhang等[18]建立的NDDE(Nonlinear Delay Differential Equation)模型等。串-并联结构模型对肢体机械阻尼部分和反射通路部分分别作了描述，并表示为它们的串-并联结构，模型中包含了非线性环节。通过复杂的系统辨识算法可以区分系统固有机械阻尼与反射对关节力矩和系统刚度(stiffness)的贡献。Mirbagheri等利用该模型对SCI痉挛病人的牵张反射特性和强度(stiffness)特性进行了研究[19]，比较了不同实验条件下SCI病人和正常人的反射和机械特性，对痉挛肢体机械和反射特性的变化给出了一些启发性的结果。NDDE模型更多地考虑了模型的物理和生理意义，将牵张速度和关节位置对反射的作用分别考虑，并对高尔基氏腱器官(Golgi Tendon Organs)的反射作用进行了处理。模型可以更精细地描述反射环路的机理，Zhang等利用该模型对MS病人的反射和机械特性进行了研究，并与Ashworth评分进行了对比[20]。研究中将牵张反射特性区分为静态与动态两部分分别加以考察，结果表明，MS病人的静态牵张反射增益低于正常人，而动态牵张反射增益高于正常对照组，同时MS病人与正常人相比，机械阻尼特性也有显著变化。
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3 讨论
目前流行的痉挛定量评估方法有若干方面的弱点，例如，象Ashworth评分这一类临床分级评估方法是主观标准，不够精确，不够敏感，不易重复，而且在不同评测者间难于统一标准，这些因素阻碍了它们在量化评估方面的作用。而腱反射一般仅作为在一定关节角度下的反射响应幅度的一种度量，通常人们并不将其作为衡量痉挛程度的主要指标。
传统的单摆测试方法仅限于对少数关节运动特性的观察，由于缺乏严格的模型，对摆动的运动规律及与肌肉痉挛的关系难于作出准确的评价。另一方面，传统的测试方法使用如量角器(goniometer)类的测量手段，使用不方便，对动态系统的测试也比较粗糙。近年来，一些研究者采用建模仿真分方法对单摆实验进行研究收到了较好效果[14,15]。许多研究者在测量方面使用的专门的实验仪器，如CybexII运动测试仪等[12]，使结果更加可信。但这种方法要在临床中得到广泛应用，尚需要进一步的研究和更多的临床实验结果。
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一些研究者认为，对痉挛定量评估最直接和实际可行的方法是从痉挛机理研究出发，对牵张反射阈值及反射增益，或者相关参数作出识别，并综合考虑这些因素对痉挛的影响。利用机械扰动对系统特性进行辨识，可以对反射的阈值和增益等参数作出估计，并有可能区分机械和反射的贡献，是目前最精细的定量评估方法。近年来这方面已经取得了一些重要进展[17～20]，其主要问题是技术上的复杂性和测试成本较高。
总的来看，痉挛的机理研究和定量评定仍然是康复医学中的一个难题，至今尚无普遍认可的方法。人们从多方面对评定问题进行了探讨，力图克服主观评定方法的缺陷，发展更为客观，容易操作的评价体系。为达到这一目标，尚需要生物医学工程研究人员与临床医生的密切合作。
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(收稿：2000-03-15), 百拇医药