帕金森病中的肌电图（EMG）分析及其与运动分节的相关性

《Journal of Electromyography and Kinesiology》：EMG analysis and correlates of motor segmentation in Parkinson’s disease

　　

丽贝卡·J·丹尼尔斯 | 克里斯托弗·A·奈特

特拉华大学运动学与应用生理学系，美国特拉华州纽瓦克市

摘要

当帕金森病（PwPD）患者进行快速收缩时，肌电图（EMG）显示出现与疾病相关的变化，包括初始EMG信号减弱以及异常的EMG爆发。同样，等长力量记录显示力量发展速率（RFD）降低，并伴有瞬间的RFD下降，这通过力（F”(t)的二阶时间导数中的零交叉点增加来衡量。由于震颤可能会掩盖EMG爆发的起始，因此进行力量分析可能更为简单。我们比较了健康成年人（OA）和PwPD患者的EMG数据，并量化了PwPD患者中EMG与力量测量值之间的关系。12名健康成年人和16名正在服药的PwPD患者完成了手指外展的快速等长收缩，收缩力达到最大力的40%，同时从第一背侧骨间肌记录EMG信号。力量测量指标包括第一个时间段的峰值RFD（RFDpk）以及达到峰值力的时间段数。PwPD患者的RFDpk和第一个EMG爆发幅度较低，且力量时间段数和EMG爆发次数更多（p ≤ 0.001）。相关性分析表明，EMG爆发次数与力量时间段数之间存在显著关联（ρ = 0.84），RFDpk与初始EMG幅度之间也存在显著关联（ρ = 0.83）。因此，可以考虑使用基于力量的方法来研究PwPD患者的运动分段现象，而非仅依赖表面EMG数据。

引言

在帕金森病患者（PwPD）中，快速动态或等长收缩期间的表面肌电图（EMG）提供了有关该疾病的宝贵信息，这些信息与正常衰老过程不同（Hallett和Khoshbin, 1980; Robichaud等人, 2009; Vaillancourt等人, 2006; Wierzbicka等人, 1991）。健康成年人在进行快速动态或等长收缩时，会产生一个简短的初始肌电爆发，其幅度随运动速率的变化而变化（Brown和Cooke, 1981; Corcos等人, 1989, 1990; Gottlieb等人, 1989; Klass等人, 2008; Park和Stelmach, 2006）。而在PwPD患者中，初始肌电爆发的幅度和持续时间减少，完成上肢或下肢的等长或动态快速收缩需要更多的肌电爆发（Hallett等人, 1977; Hallett和Khoshbin, 1980; Pfann等人, 2001; Vaillancourt等人, 2004, 2006; Wierzbicka等人, 1991）。先前的研究利用这些EMG特征来评估帕金森病（PD）症状的机制（Hallett和Khoshbin, 1980）、药物的作用（Baroni等人, 1984; Benecke等人, 1987; Berardelli等人, 1986; Robichaud等人, 2002, 2004, 2006）或运动疗法的效果（David等人, 2016），以及区分PwPD患者与健康老年人（OA）（Pfann等人, 2001; Robichaud等人, 2009; Vaillancourt等人, 2004, 2006, Wierzbicka等人, 1991）。

等长肌肉力量记录可能提供类似的信息，但具有某些优势。例如，EMG检测需要专门的仪器、专业知识和时间，这限制了其在临床或研究中的应用。相比之下，等长力量记录是一种更简单的评估帕金森病（PD）相关异常的方法。帕金森病的一个典型症状是运动迟缓（bradykinesia）。快速等长收缩通常表现为力量发展速率（RFD）降低和达到峰值力所需时间（ttp）延长（例如在膝关节伸展、手指外展、握力以及肘部屈曲任务中）（Rose等人, 2013; Daniels和Knight, 2025; Daniels等人, 2024; Park和Stelmach, 2007）。除了运动迟缓外，快速等长收缩还表现出特定于PD的异常现象，即EMG信号的间歇性减弱导致RFD短暂下降以及力曲线的分段（Wierzbicka等人, 1991）。健康成年人通常只产生一个EMG爆发，从而在单个时间段内达到峰值力；而PwPD患者则可能需要多个EMG爆发和多个力量时间段才能达到峰值力（图1，Wierzbicka等人, 1991）。我们将这种异常的力量产生现象称为“运动分段”（motor segmentation），它是通过力（F”(t)的二阶导数中的零交叉点增加来量化的（Howard等人, 2022）。这种现象已在肘部屈曲（Stelmach等人, 1989; Wierzbicka等人, 1991）、握力（Daniels等人, 2024）以及手指外展（Daniels和Knight, 2025, Howard等人, 2022）中得到证实。具有运动分段的PwPD患者在峰值RFD（RFDpk）方面表现出更严重的损伤，且第一个力量时间段较短，RFDpk较低（Daniels和Knight, 2025）。这些指标在PwPD患者中具有可靠性（Howard等人, 2022），并且比基于EMG的指标更快、更易于获取。因此，等长力量记录提供了一种实用、成本较低且信息丰富的方法，适用于现场或临床环境中对疾病特異性损伤的检测。尽管低RFD和力量分段现象表明PwPD患者在进行快速收缩时会产生多个小的EMG爆发（如Hallett和Khoshbin, 1980所述在动态收缩中，或Wierzbicka等人, 1991所述在等长收缩中），但EMG与描述分段的力测量指标之间的关系尚未直接量化。阐明这些关系可能进一步支持在帕金森病评估中使用基于力量的方法。因此，目标1是通过同时比较PwPD患者和健康成年人的EMG和力量测量结果，来展示分段的疾病特异性。我们假设PwPD患者在两组测量中的表现都会比健康成年人更差，表现出特定的分段特征。目标2是通过量化力测量指标与更接近潜在机制的EMG测量指标之间的关系，为等长分段协议提供进一步的支持。我们假设由于神经肌肉兴奋的中断是机械输出中断的机制基础，因此EMG与基于力量的分段测量指标之间存在显著关联（Wierzbicka等人, 1991）。

目标3旨在解决帕金森病患者肌电爆发分析中的一些挑战，这些挑战与复杂的“基线”活动有关。EMG爆发的起始和结束通常由一个幅度阈值来定义，该阈值用于区分爆发和基线活动。在帕金森病患者中，由于僵硬导致的静止时的张力活动（Cantello等人, 1995）或由于震颤导致的EMG爆发（Wierzbicka等人, 1993）可能会掩盖与运动相关的EMG爆发起始。尽管如此，EMG测量仍能提供关于速率控制损伤潜在机制的关键信息。为了应对这一挑战，某些EMG测量可以在不区分爆发起始的情况下进行计算（例如EMG上升的峰值速率RER），或者使用更容易确定的力参考点。因此，为了支持帕金森病患者EMG测量的方法学发展，我们的第三个目标是评估一组不需要确定爆发起始的候选EMG测量指标。我们假设需要确定爆发起始的EMG测量指标和不需要确定的EMG测量指标在结果上会有相似的表现，并且它们之间会有中等至强的相关性。消除对EMG起始/结束确定的依赖将简化这一人群中的EMG使用。

章节摘录

方法

共有16名帕金森病患者（13名男性，年龄69.9±6.3岁，身高1.70±0.12米，体重75.3±25.8公斤，诊断时间7.3±5.5年，每日左旋多巴等效剂量733.5±430.2毫克，运动障碍协会统一帕金森病评分量表第三部分得分35.4±12.3分，Hoehn和Yahr分期2.1±0.3，蒙特利尔认知评估得分28.2±1.6分）在本研究中参与，处于用药状态。12名健康成年人（8名男性，年龄65.3±9.4岁，身高1.73±0.13米，体重80.6±18.6公斤，运动障碍……

结果

每位受试者的平均峰值力范围为38.8–42.3% MVC，两组之间没有差异。健康成年人和帕金森病患者之间的力量和EMG变量差异详见表1。所有力量测量指标均显示了显著的组间差异，且效应大小通常大于EMG测量指标。帕金森病患者的RFDpk低121.6% MVC/s，第一个时间段的持续时间短59.8毫秒，达到RFDpk的时间长181.9毫秒，力量时间段数多1.7个。同样，EMG幅度……

讨论

为了评估基于力量的分段测量方法与基于EMG的结果之间的差异，我们计算了许多变量，以量化帕金森病患者和健康成年人在速率控制方面的异常。主要目的是为临床研究界提供支持，帮助他们在面临基线EMG受震颤或僵硬影响等方法学挑战时选择合适的分段测量指标。在目标1中，PwPD患者和健康成年人之间的比较支持了使用所有力量测量方法。

目标1

本研究基于先前关于帕金森病患者运动速率神经肌肉控制的发现，支持我们的假设，即基于力量和基于EMG的分段测量方法同样可以区分帕金森病患者和健康成年人。健康成年人产生的快速力量脉冲通常伴随着一个高幅度的EMG爆发，其峰值RER较高，从而在82毫秒内达到峰值RFDpk（表1）。而帕金森病患者最初的EMG幅度较低，需要额外的爆发，且达到峰值RER的时间几乎是健康成年人的5倍。

目标2

我们观察到第一个EMG爆发的特征（包括幅度、持续时间和积分、峰值EMG以及第一个力量时间段内的峰值RER）与RFDpk之间存在强烈的正相关关系。这支持了我们的第二个假设，将等长力量中的特定分段异常与潜在的EMG异常联系起来。与RFDpk相关性最强的变量（ρ > 0.8）是幅度测量指标，包括RMS和峰值EMG幅度。

未引用的参考文献

Carboncini等人，2001年；Movingslope和Central File，2025年；Robichaud等人，2004年。

CRediT作者贡献声明

丽贝卡·J·丹尼尔斯：撰写 – 审阅与编辑、原始草稿编写、数据可视化、软件开发、方法设计、研究设计、资金获取、正式数据分析、数据整理、概念构思。克里斯托弗·A·奈特：撰写 – 审阅与编辑、监督、资源协调、方法设计、资金获取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的利益冲突或个人关系。

致谢

本研究由Shake It Off Inc.（位于宾夕法尼亚州West Chester的501(c)3机构）、Delaware Curative Workshop（501(c)3机构）以及特拉华大学研究生院的博士奖学金资助。项目赞助商未直接参与本研究，所有观点仅代表作者本人。我们感谢David Grenet博士对力量分段分析算法的贡献。