三维步态分析低频重复经颅磁刺激治疗脑卒中后偏瘫的步态变化

doi:10.12307/2022.124

中国组织工程研究 ›› 2022, Vol. 26 ›› Issue (5): 762-767.doi: 10.12307/2022.124

• 组织构建临床实践 clinical practice in tissue construction • 上一篇下一篇

三维步态分析低频重复经颅磁刺激治疗脑卒中后偏瘫的步态变化

单莎瑞，黄旭明，张明兴，王秀坤，郑翔，鲍赛荣，洪峰

广东药科大学附属第一医院，广东省广州市 510080

收稿日期:2021-03-04 修回日期:2021-03-13 接受日期:2021-04-10 出版日期:2022-02-18 发布日期:2021-12-01
通讯作者: 黄旭明，主任医师，广东药科大学附属第一医院，广东省广州市 510080
作者简介:单莎瑞，女，1986年生，河南省正阳县人，汉族，2013年南方医科大学毕业，硕士，主治医师，主要从事神经康复研究。
基金资助:
广东省教育厅青年创新人才类项目、广东药科大学‘创新强校工程’青年创新人才类项目(2017KQNCX109)，项目负责人:单莎瑞；广东药科大学附属第一医院院内课题(201405)，项目负责人：单莎瑞；广东药科大学附属第一医院教育教学研究与改革项目(2020JX06)，项目负责人：单莎瑞

Three-dimensional gait analysis of low-frequency repetitive transcranial magnetic stimulation for post-stroke hemiplegia

Shan Sharui, Huang Xuming, Zhang Mingxing, Wang Xiukun, Zheng Xiang, Bao Sairong, Hong Feng

The First Affiliated Hospital of Guangdong Pharmaceutical University, Guangzhou 510080, Guangdong Province, China

Received:2021-03-04 Revised:2021-03-13 Accepted:2021-04-10 Online:2022-02-18 Published:2021-12-01
Contact: Huang Xuming, Chief physician, The First Affiliated Hospital of Guangdong Pharmaceutical University, Guangzhou 510080, Guangdong Province, China
About author:Shan Sharui, Master, Attending physician, The First Affiliated Hospital of Guangdong Pharmaceutical University, Guangzhou 510080, Guangdong Province, China
Supported by:
the Young Innovative Talent Project of Guangdong Provincial Department of Education, the Young Innovative Talent Project Innovative Strong School Project of Guangdong Pharmaceutical University for Young Innovative Talents, No. 2017KQNCX109 (to SSR); a grant from the First Affiliated Hospital of Guangdong Pharmaceutical University, No. 201405 (to SSR); the Education and Teaching Research and Reform Project of the First Affiliated Hospital of Guangdong Pharmaceutical University, No. 2020JX06 (to SSR)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
经颅磁刺激技术(transcranial magnetic stimulation，TMS)：是一种无痛、无创的绿色治疗方法，磁信号可以无衰减地透过颅骨而刺激到大脑神经，实际应用中并不局限于头脑的刺激，外周神经肌肉同样可以刺激，因此现在都叫它为“磁刺激”。
重复经颅磁刺激(repetitive transcranial magnetic stimulation，rTMS)：主要是通过改变它的刺激频率而分别达到兴奋或抑制局部大脑皮质功能的目的。高频率、高强度rTMS，可产生兴奋性突触后电位总和，导致刺激部位神经异常兴奋，低频刺激的作用则相反，通过双向调节大脑兴奋与抑制功能之间的平衡来治疗疾病。经过重复经颅磁刺激的局部神经通过神经网络之间的联系和互相作用对多部位功能产生影响；对于不同患者的大脑功能状态，需用调整不同的强度、频率、刺激部位、线圈方向，才能取得良好的治疗效果。

背景：目前国内外可见大量关于健侧低频重复经颅磁刺激治疗或者患侧高频重复经颅磁刺激治疗均具有提升脑卒中患者上肢运动功能的相关研究，而对下肢运动功能影响的相关研究较少。
目的：通过三维步态分析采集步态参数，探讨低频重复经颅磁刺激对偏瘫步态的影响。
方法：36例脑卒中偏瘫恢复期患者被随机分为试验组和伪刺激组，每组各18例，均予常规药物及康复治疗，试验组则在常规治疗的基础上采用Magneuro100型经颅磁刺激仪进行低频重复经颅磁刺激，8 字形线圈与患者颅骨健侧对应的第一躯体运动皮质区域脑部表面相切，设定刺激频率为1 Hz，刺激强度为运动阈值的90%，20次脉冲/序列，30 个序列/次，序列间隔 2 s，每次治疗持续刺激20 min；伪刺激组给予假重复经颅磁刺激。治疗6 d/周，1次/d，连续3周。分别在治疗前、治疗后3周采用Gait Watch三维步态分析仪采集2组患者步态参数评估疗效。研究方案经过广东药科大学附属第一医院伦理委员会的审核。
结果与结论：①治疗前，试验组和伪刺激组各项步态参数差异无显著性意义(P > 0.05)；治疗后，试验组步速、步幅、步频、步行周期、健患侧支撑相比值、患健侧摆动相比值改善程度均优于伪刺激组(P < 0.05)；试验组步宽、双支撑期、患侧支撑相时间(%)、患侧摆动相时间(%)、健侧支撑相时间(%)、健侧摆动相时间(%)改善程度与伪刺激组相比差异无显著性意义(P > 0.05)；②结果说明，低频重复经颅磁刺激提升了患者步速、步频、步幅及步态对称性参数，但对平衡性相关参数如双支撑期、步宽等无改善作用，低频重复经颅磁刺激能在一定程度上改善患者偏瘫步态。

https://orcid.org/0000-0003-3352-628X (单莎瑞)；https://orcid.org/0000-0003-1496-5877 (黄旭明)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

关键词: 低频重复经颅磁刺激, 偏瘫步态, 三维步态分析

Abstract: BACKGROUND: At present, there are a large number of studies on contralateral low-frequency repetitive transcranial magnetic stimulation treatment or affected side high-frequency repetitive transcranial magnetic stimulation treatment, both of which can improve the upper limb motor function of stroke patients, whereas the effect on lower limb motor function is less reported.
OBJECTIVE: To investigate the effect of low-frequency repetitive transcranial magnetic stimulation on hemiplegic gait by collecting gait parameters through three-dimensional gait analysis.
METHODS: Thirty-six patients with hemiplegic stroke recovery were randomly divided into experimental group and pseudo stimulation group (n=18 per group), receiving both conventional drug and rehabilitation treatments. The experimental group on the basis of routine therapy received low-frequency repetitive transcranial magnetic stimulation using Magneuro100 transcranial magnetic stimulator. The 8-shaped coil was tangent to the brain surface of the first motor cortex corresponding to the healthy side of the patient’s skull. The stimulation frequency was set to 1 Hz, the stimulation intensity was 90% of the motor threshold, 20 pulses per sequence, 30 sequences once. The sequence interval was 2 seconds, and each treatment lasted for 20 minutes. The pseudo stimulation group was given false repetitive transcranial magnetic stimulation. Treatment in each group was performed once a day, 6 days per week, for 3 consecutive weeks. Gait Watch three-dimensional gait analyzer was used to collect the gait parameters of patients in the two groups to evaluate the efficacy. The study protocol was approved by the Ethics Committee of the First Affiliated Hospital of Guangdong Pharmaceutical University.
RESULTS AND CONCLUSION: There was no significant difference in gait parameters between the two groups prior to the treatment (P > 0.05), whereas walking velocity, stride length, stride frequency, gait cycle, affected side to healthy side limb support phase ratio, and affected side to healthy side swing phase ratio in the experimental group were superior to those in the pseudo stimulation group after treatment (P < 0.05). No significant differences were found between the two groups in terms of stride width, double limb support phase, affected side limb support phase (%), affected side limb swing phase (%), contralateral support phase (%), and contralateral swing phase (%) (P > 0.05). To conclude, low-frequency repetitive transcranial magnetic stimulation improves walking velocity, stride frequency, stride length and gait symmetry parameters, but has no effect on balance related parameters such as double limb support phase and stride width. Low-frequency repetitive transcranial magnetic stimulation can improve the gait of patients with hemiplegia to some extent.

Key words: low-frequency repetitive transcranial magnetic stimulation, hemiplegic gait, three-dimensional gait analysis

中图分类号:

单莎瑞, 黄旭明, 张明兴, 王秀坤, 郑翔, 鲍赛荣, 洪峰. 三维步态分析低频重复经颅磁刺激治疗脑卒中后偏瘫的步态变化[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(5): 762-767.

Shan Sharui, Huang Xuming, Zhang Mingxing, Wang Xiukun, Zheng Xiang, Bao Sairong, Hong Feng. Three-dimensional gait analysis of low-frequency repetitive transcranial magnetic stimulation for post-stroke hemiplegia[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2022, 26(5): 762-767.

图/表（结果） 4

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引言

中国脑卒中发病率位居世界首位，每年发病率高达 274/10万人，且近年来逐渐呈现出年轻化趋势[1]。虽然近年来脑卒中急性期病死率明显下降，但急性期治疗后75%的患者会遗留不同程度的肢体功能障碍，重度残疾比例高达40%，严重影响脑卒中患者日常生活活动能力，最终不能回归社会[2-3]。脑卒中后常见并发症有共济失调及偏瘫等，其中偏瘫步态导致日常生活能力下降，且治疗难度较大，影响患者生活质量[4]。偏瘫步态是脑卒中患者步行障碍的主要原因之一，偏瘫步态常因脑卒中患者偏瘫侧肌力下降和肌张力异常等使躯干旋转不足、髋关节和膝关节屈曲受限、踝关节过度跖屈，造成身体重心偏离支撑面，进而导致步行不稳，表现出明显的偏瘫步态；这也是患者平衡能力下降、跌倒风险增加的重要原因 [5]。
近年来随着脑科学发展，在脑卒中康复方面出现不少新技术，而其中研究热点为无创性神经调控技术的重复经颅磁刺激(repetitive transcranial magnetic stimulation，rTMS)，它通过磁场调控大脑皮质的神经电活动，改变皮质可塑性，达到治疗疾病的目的，已成为脑卒中后康复治疗的新方向 [6-7]。重复经颅磁刺激目前已广泛用于临床康复中，可改善脑卒中所致的肢体活动功能障碍、言语吞咽功能障碍、偏侧忽视、偏身感觉障碍和脑卒中后焦虑抑郁等[8]。目前国内外可见大量关于健侧低频重复经颅磁刺激或者患侧高频重复经颅磁刺激治疗均具有提升脑卒中患者上肢运动功能作用的相关研究[9-11]，而对下肢运动功能影响的研究较少，且国内外关于重复经颅磁刺激对脑卒中患者步态影响的研究更鲜见。基于脑卒中患者易出现继发性癫痫，而高频刺激有诱发癫痫的风险[12]，此次研究以低频重复经颅磁刺激对脑卒中试验组患者进行治疗，并采用目前国内外较为先进的三维步态分析仪采集步态中各元素，如步频、步速、步行周期等，观察低频重复经颅磁刺激是否具有矫正步态、改善偏瘫步态的作用。中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

材料方法

1.1 设计随机对照临床试验，组内均数比较采用配对t检验，组间均数比较采用两样本t检验。
1.2 时间及地点病例选取2019年3月至2020年10月在广东药科大学附属第一医院康复科住院的脑卒中患者。
1.3 对象纳入的36例患者签署知情同意书后，通过Minimize软件将36例患者随机分为试验组和伪刺激组。
1.3.1 诊断标准入选的36例患者均符合《中国各类主要脑血管病诊断要点2019》脑卒中诊断标准 [13]，并经头颅CT或MRI证实。
1.3.2 纳入标准 ①首次脑卒中发病，病灶为单侧基底节或放射冠区，遗留单侧肢体偏瘫，病程为脑卒中恢复期(2-24周)；②病情稳定，无意识障碍，认知力正常，无视物重影及偏侧忽略；③单侧肢体偏瘫，患侧肢体无明显深、浅感觉异常；④偏瘫侧下肢Brunnstrom分期为Ⅲ-Ⅵ期，改良 Ashworth痉挛量表评分≤2 分，站位平衡≥2 级，可独立或者在拐杖辅助下连续行走 12 m；⑤汉密尔顿抑郁量表、汉密尔顿焦虑量表排除抑郁和焦虑状态；⑥试验前已告知患者试验内容，患者及家属签署“知情同意书”。
1.3.3 排除标准 ①脑血管病病情尚未稳定；②下肢外伤或疾病影响康复训练或者致患者不能步行；③有癫痫病史；④具有植入心脏安装起搏器、心脏或脑血管支架、搭桥术病史；⑤有重要脏器功能衰竭如肝、肾功能障碍，急性心衰、恶性肿瘤病史；⑥有精神系统疾病(焦虑、抑郁)、痴呆、意识障碍等或者合并其他系统严重疾病，影响康复训练的患者。
1.3.4 中止试验标准 ①治疗过程出现严重不良反应；②治疗期间再发脑卒中或出现严重的并发症；③受试者不能配合治疗，依从性差；④坚决要求自行退出研究。
研究方案经过广东药科大学附属第一医院伦理委员会的审核。36例患者依从性较好，均签署知情同意书，无病例退出试验。
1.4 方法
1.4.1 常规治疗 2组患者均接受常规药物治疗和康复训练3周，常规药物治疗包括脑卒中二级预防相关药物、神经营养药物、基础疾病药物；康复训练包括：良肢位摆放、电动起立床训练、神经肌肉电刺激治疗、偏瘫肢体综合训练(PNF疗法、Bobath疗法)、有氧训练、关节松动训练、运动再学习疗法、生活能力训练等。入组患者无精神方面问题如焦虑抑郁等，治疗期间未使用镇静药或抗抑郁药。
1.4.2 磁刺激治疗研究采用南京伟思医疗科技股份有限公司生产的Magneuro100型经颅磁刺激仪进行治疗。每个受试者治疗前先测定健侧对应的M1区静息运动阈值：患者坐位，8 字形线圈与患者健侧对应的M1区头皮相切，记录电极与健侧拇短展肌连接，参考电极与拇指第一关节连接，调节线圈位置，寻找出能诱发最大波幅、最短潜伏期的位置，此位置为刺激点，逐渐减小刺激强度，并将连续刺激10 次至少有 5 次能诱发运动诱发电位> 50 μV 的刺激强度作为为运动阈值。患者仰卧位，8 字形线圈与患者颅骨健侧对应的第一躯体运动皮质区域脑部表面相切，设定刺激频率为1 Hz，刺激强度为运动阈值的90%，20次脉冲/序列，30 个序列/次，序列间隔 2 s，每次治疗持续刺激20 min，每日治疗 1 次，6次/周，共3周。伪刺激组治疗参数同试验组，线圈与患者健侧对应的M1区颅骨垂直，治疗时间等同试验组。所有患者严格按重复经颅磁刺激操作指南进行治疗[14]。在治疗过程中密切监测患者的生命体征。
1.4.3 步态参数采集在科室无磁场干扰的病区上设定起点及终点，两点之间为一条12 m直线，打开Gait Watch 三维步态分析系统，在起点上对其步行角度等参数校准；36例患者均穿着平日习惯性衣袜、鞋子，按照操作要求分别将7个传感器固定在骶骨、双下肢股骨外侧及胫骨内侧和双足背处，尽可能以标准立正姿势站立在起点处，进行原点校准后，患者在已规定不受干扰的病区平地上直线行走12 m；硬件数据采集系统记录其行走时姿势，同时计算并保存三维平面内老年人骨盆、髋、膝、踝各关节的运动数据，同步将步态数据传输到步态分析软件中进行分析。分别在试验前和试验后对所有患者进行三维步态分析测量，采集患者的步速、步频、步幅、步行周期、左右步长、双支撑相、左右支撑相、左右摆动相等时空参数。
1.5 主要观察指标 ①患者步速、步频、步幅；②患者步行周期、健患侧支撑相比值、患健侧摆动比值；③患者步宽、双支撑时间、患侧支撑时间；④患者摆动时间、健侧支撑时间、健侧摆动时间。
1.6 统计学分析采用SPSS 13.0统计软件对试验结果进行统计学分析。计量资料用x±s表示，计数资料采用百分率表示，行 χ2 检验，各组患者组内均数比较采用配对t检验；组间均数比较采用两样本t检验。以P < 0.05提示差异有显著性意义。

讨论

脑卒中患者下肢伸肌痉挛状态使患者伸膝伸髋、屈髋屈膝困难，足跖屈并内翻，因而走路时下肢强直，足尖先点地，形成划圈步态即偏瘫步态，若卒中恢复期大脑重建时未及时纠正这种痉挛的运动模式，可能导致患者终身致残[15]。偏瘫步态是由于高级神经中枢不能控制部分运动系统，导致皮质下运动中枢被抑制的反射得以释放，使肢体运动肌群协调性被打破[16]、运动模式粗大、肌张力增高、腱反射亢进等形成的一种步态。其发生的根本原因可归于脑卒中后上运动神经元受损，大脑皮质作为调节躯体运动功能的高级中枢受到抑制；而脊髓水平的反射则因高位中枢受损而摆脱抑制，其控制的原始反射和肢体整体运动模式被释放出来，干扰了正常运动的传导，从而引起肢体活动的异常[17]。
重复经颅磁刺激能够产生足够的电场去极化浅表轴突和激活大脑皮质网络，通过调控大脑皮质的兴奋性，改变皮质可塑性，达到治疗疾病的目的，目前已经广泛应用于脑卒中后的临床治疗[18]，如偏瘫肢体活动功能障碍、言语吞咽功能障碍、偏侧忽视、偏身感觉障碍和脑卒中后焦虑抑郁等临床康复及科研研究[19]。重复经颅磁刺激按照治疗频率分为高频(>1 Hz)和低频( ≤ 1 Hz) [20]，高频刺激会增加皮质代谢，细胞内钙离子浓度增高，增加脑血流量，进一步增强大脑皮质兴奋性[21-22]；低频刺激则减慢皮质代谢，降低细胞内钙离子浓度，减少脑血流量，降低大脑皮质兴奋性[8，23]。重复经颅磁刺激最常见的不良反应是轻度和即刻头痛[12]，一般停止治疗后可立即缓解，而高频有诱发癫痫的风险，在治疗前为降低癫痫发生率，需进行安全风险评估、筛查。总体而言，重复经颅磁刺激是安全的。
基于以上介绍，此次试验采取低频重复经颅磁刺激治疗，治疗更安全，整个试验过程中所有患者无任何不良反应，未有患者出现癫痫发作。脑卒中患者偏瘫侧肢体肌力下降、肌张力增加，步行周期延长 [24]，步幅缩短，步宽增加，步频、步速下降 [25]，偏瘫侧摆动相百分比可达站立相百分比2倍以上，步行时重心偏离支撑面，这种偏瘫步态也导致患者步行能力和平衡能力下降，跌倒风险增加[26]。此次试验治疗前后健患侧支撑相比值及患健侧摆动相比值均有下降，且试验组经重复经颅磁刺激治疗后健患侧支撑相比值及患健侧摆动相比值下降更明显，更趋近于1，步态对称性更佳。两组患者的步速、步频、步幅较试验前均有明显提升，步行周期较试验前减少，步行能力较试验前增加，且试验组经低频重复经颅磁刺激治疗后步速、步频、步幅提升更明显，其中步速、步幅是反映步行能力的重要指标[24]，步频反映步行的节奏性和稳定性[27]，证明低频重复经颅磁刺激治疗能改善偏瘫患者步行能力和步态稳定性。两组患者试验后步宽、双支撑相、健侧摆动相、患者摆动相、健侧支撑相、患侧支持相较试验前均有提升，但试验组经低频重复经颅磁刺激治疗后患者以上指标与伪刺激组治疗后比无明显差异。脑卒中后双支撑相明显延长，则平衡功能下降[15]，此次试验初步可见低频重复经颅磁刺激治疗未明显改善患者平衡相关性指标，尤其双支撑相、健侧支撑相、步宽两组间无明显区别，双支撑期及健侧支撑相延长及步宽增加是脑卒中偏瘫步态为保持步态稳定性的特征性步态。
有研究表明经颅磁刺激联合其他康复治疗方式对急性期、亚急性期及慢性期卒中的步行速度及协调性均有改善作用[28-29]。也有研究用5 Hz刺激下肢运动皮质，治疗3周，发现患者步行速度、步态对称性和下肢远端运动功能均较治疗前改善，而对平衡及运动功能无明显作用[30-31]。重复经颅磁刺激可通过调节下肢 M1 区的皮质兴奋性有效治疗下肢痉挛[32]。RASTGOO及NAGHDI等[33-34]研究中，在经过 1 Hz重复经颅磁刺激健侧大脑半球下肢 M1 区后，小腿三头肌痉挛及股四头肌痉挛好转，改良 Ashworth评分改善，且疗效可持续1周。RASTGOO等[33]将20例脑卒中患者随机分为治疗组和对照组，通过重复经颅磁刺激下肢运动区，治疗结束后重复经颅磁刺激组患者改良 Ashworth评分明显改善，还通过改善肌肉痉挛、共济失调等来改善步态障碍及下肢运动功能。
此次试验选择在健侧M1区，予以低频重复经颅磁刺激治疗，不良反应较小，36例患者无明显不良反应。此次研究通过低频重复经颅磁刺激提升了患者步速、步频、步幅及协调性参数(健患侧支撑相比值、患健侧摆动相比值)，研究结果与Vaz等[28]研究结果相似，进一步证明1 Hz重复经颅磁刺激改善了部分步态参数，从而修正偏瘫步态。而患者步宽、双支撑期、患侧支撑相时间(%)、患侧摆动相时间(%)、健侧支撑相时间(%)、健侧摆动相时间(%)等参数在治疗结束后无明显差异。RODACKI等[35]既往研究中步态参数中步宽及双支撑期与平衡有着明显相关性，此次研究提示低频重复经颅磁刺激对脑卒中患者平衡能力无明显作用。
LINDOW等[36]通过FMRI发现：发病第1天健侧 M1区信号激活增强，证明脑卒中后患侧运动神经网络和双侧运动神经网络进行了重组，进而促进功能的恢复。BODDINGTON等[37]研究认为双侧大脑半球通过胼胝体纤维连接交互抑制，健侧大脑半球感觉运动皮质过度激活与卒中慢性期运动功能恢复较差有关。相反，REHME等[38]研究认为健侧 M1区通过增加大脑半球内和半球间的功能连接来促进卒中急性期运动功能的恢复。UEDA等[39]在观察重复经颅磁刺激联合作业疗法对卒中后运动功能障碍的研究中发现，FMRI提示患侧和健侧中央前回功能连接较治疗前增强，从而促进患侧肢体运动功能恢复。此次研究通过1 Hz重复经颅磁刺激治疗脑卒中偏瘫患者健侧相应M1区，通过三维步态分析仪采集步态时空参数，发现试验组步速、步频、步幅、步行周期及步态协调性参数(健患侧支撑相比值、患健侧摆动相比值)较伪刺激组明显改善，间接论证了低频重复经颅磁刺激作用于非受累侧皮质，降低健侧皮质兴奋性，恢复两侧半球之间的平衡，进而调控皮质脊髓束的传导，促进患侧下肢运动功能恢复，改善偏瘫步态。
此次研究证实低频重复经颅磁刺激提升了步态中步行能力及协调性相关性指标，但不能改善步态平衡性相关性指标，只在一定程度上矫正了偏瘫步态。目前重复经颅磁刺激作用机制尚未完全明确，其在脑卒中后的治疗效果仍在被不断探索，在今后的临床研究过程中可结合近红外光谱功能成像技术、功能核磁共振、脑电等逐步探索其临床作用机制及疗效。此次试验因目前住院日限制，只研究3周，必要时可予延长治疗时间，进一步观察低频重复经颅磁刺激对偏瘫步态长期影响；另一方面研究是小样本试验结果，今后可逐渐开展多中心、大样本研究。中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

三维步态分析低频重复经颅磁刺激治疗脑卒中后偏瘫的步态变化

Three-dimensional gait analysis of low-frequency repetitive transcranial magnetic stimulation for post-stroke hemiplegia

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