CN111513713B - 一种评估躯干肌肉大脑皮质运动代表区的方法及其应用 - Google Patents

一种评估躯干肌肉大脑皮质运动代表区的方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种评估躯干肌肉大脑皮质运动代表区的方法及其应用，所述方法通过生物压力反馈仪监测受试者躯干肌肉的收缩程度，同时利用经颅磁刺激技术刺激大脑皮质运动代表区，记录躯干肌肉运动诱发电位的波幅和潜伏期，最终通过Python3.7软件进行数据处理，得出躯干肌肉在大脑皮质运动代表区的三维图像。本发明方法将大型、笨重的表面肌电图设备改进为易携带、方便、小巧的生物压力反馈仪，精简实验设备，节省实验场地，使实验流程更加流畅，更具有广泛的适用性。同时，利用编程软件对实验结果进行有效处理，生成三维图片，使实验结果更加清晰明确、形象生动，对于更好的理解疼痛‑大脑‑肌肉三者关系具有重要的意义。

Description

一种评估躯干肌肉大脑皮质运动代表区的方法及其应用
技术领域
本发明涉及一种评估躯干肌肉大脑皮质运动代表区的方法及其应用。
背景技术
经颅磁刺激技术是Barker等人在1985年提出的一种神经生理刺激技术，其基本原理是通过电流在线圈产生磁场，磁场可以穿过完整的颅骨，在相应大脑皮质产生局部微小电流，这些电流足以引起大脑皮质及皮质下神经元去极化，可以用于研究运动皮层生理学和运动系统的完整性，包括运动控制的基本机制和正常及病理条件下的神经可塑性，是一种非侵入性手段；相比与功能磁共振成像等其它设备，不受体位和空间的限制，可以研究动态任务下的运动皮层兴奋性。
从2008年开始澳大利亚昆士兰大学Hodges团队和加拿大Massé-Alarie团队等国外研究者将经颅磁刺激技术结合表面肌电图技术，记录运动皮层刺激引起的肌肉活动来测量运动诱发电位，在该测试中获得的运动诱发电位数据，用于评估受试者脑部神经网络的兴奋性和腹横肌或者多裂肌在大脑运动皮层的代表区，随着时间的推移还可以跟踪皮质形态的变化。国内使用此技术主要用于评估拇短展肌和第一背外侧骨间肌，但对于躯干肌肉大脑皮质运动代表区还未开展。
腰痛是近30年来造成非致命性健康损失的三大主要原因之一，研究显示，腰痛与腹横肌和多裂肌在姿势和功能任务中的功能障碍有关。大脑通过皮质脊髓通路向脊髓运动神经元投射来激活腹横肌和多裂肌，然而，该传导通路位于深层，无法在体外实现。因此，有必要开发一种能够评估腹横肌、多裂肌等躯干肌肉大脑皮质运动代表区系统的方法。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种通过经颅磁刺激技术评估躯干肌肉大脑皮质运动代表区系统的方法及其应用。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种评估躯干肌肉大脑皮质运动代表区的方法，包括如下步骤：
(1)受试者坐位，戴上制作好的标准网络定位帽，寻找最佳刺激点，确定静息运动阈值和最佳刺激强度；
(2)受试者通过生物压力反馈仪监测腹横肌或多裂肌运动，使其保持在10～20％最大自主等长收缩；同时对定位帽上的每个1×1cm的单元格进行经颅磁刺激，每个格子刺激10次，10次中有5次运动诱发电位波幅≥50μV才被视为有效刺激，记录有效刺激的运动诱发电位的潜伏期和波幅；
(3)对数据进行处理，得到相应的躯干肌肉大脑皮质运动代表区图像。
本发明方法通过利用生物压力反馈仪替代表面肌电图技术，简化了实验方法和流程，成本更低，且更利于实验的有效开展。
作为本发明的优选实施方式，所述步骤(2)中腹横肌或多裂肌运动的最大自主等长收缩为10％。
作为本发明的优选实施方式，所述步骤(2)中的腹横肌测试方法具体为：受试者靠墙坐直，一只手拿着血压计，双脚放在地板上，将气囊放置在腰椎后面，在不改变脊柱位置变化的情况下，受试者缓慢地将小腹和肚脐向后拉以收缩腹横肌，将气囊压到50±2mmHg。
作为本发明的优选实施方式，所述步骤(2)中的多裂肌测试方法具体为：受试者靠墙坐直，一只手拿着血压计，双脚放在地板上。将气囊放置在肩胛骨内侧缘的水平，受试者缓慢地后伸腰椎以收缩多裂肌，将气囊压到50±2mmHg。
为了使监测腹横肌或多裂肌收缩的操作更加方便，对腹横肌和多裂肌的测试方法进行了改进，经过试验测得：当生物压力反馈仪气囊压到50±2mmHg时，能够使腹横肌和多裂肌保持在10～20％最大自主等长收缩，满足实验要求。
一般地，测试时实验人员在整个测试过程中可以进行口头提醒动作正确与否，以保证实验的有效性。当气囊压到50±2mmHg时，说明腹横肌或多裂肌运动的最大自主等长收缩约为10％。
作为本发明的优选实施方式，所述步骤(3)中的图像处理方法为通过Python3.7软件进行数据处理，得出大脑皮质运动代表区三维图像。
本发明方法通过Python3.7软件可制备得到相应的三维图像，相比原来的二维平面图，能够更清晰的表达躯干肌肉大脑皮质运动代表区神经网络兴奋性。
作为本发明的优选实施方式，所述大脑皮质运动代表区三维图像的具体制作方法为：将记录到的每个格子的5次有效刺激波幅进行平均，每个格子的平均值再除以最大的波幅，即得到标准化的波幅，然后通过Python3.7软件处理，即可得到躯干肌肉大脑皮质运动代表区三维图像。
本发明还要求保护所述方法制备得到的躯干肌肉大脑皮质运动代表区神经网络图。
作为本发明的优选实施方式，所述图像为三维图像。
本发明还要求保护所述方法在制备躯干肌肉大脑皮质运动代表区神经网络图中的应用。
本发明一种评估躯干肌肉大脑皮质运动代表区系统的方法，将大型、笨重的表面肌电图设备改进为易携带、方便、小巧的生物压力反馈仪，精简实验设备，节省实验场地，使实验流程更加简便，适用性更广。同时，利用编程软件对实验结果进行有效处理，生成三维图片，使实验结果更加清晰明确、形象生动，对于更好的理解疼痛-大脑-肌肉三者关系有重要的意义。
附图说明
图1为本发明一种评估躯干肌肉大脑皮质运动代表区的方法的流程图。
图2为本发明网络定位帽(A)及相应的网格分布(B)。
图3为生物压力反馈仪设备图。
图4为通过本发明方法进行腹横肌测试的示意图。
图5为通过本发明方法进行多裂肌测试的示意图。
图6本发明方法制备的躯干肌肉大脑皮质运动代表区示例图，A为躯干肌肉大脑皮质运动代表区三维图；B为三维示意图对应的二维平面图。
具体实施方式
为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
本发明一种评估躯干肌肉大脑皮质运动代表区的方法的实施例，包括如下步骤(流程如图1所示)：
(1)受试者坐位，戴上制作好的标准网络定位帽(如图2)，寻找最佳刺激点，确定静息运动阈值和最佳刺激强度；
(2)嘱受试者将生物压力反馈仪(如图3)的气囊压到50±2mmHg使腹横肌或多裂肌完成大约10％的最大自主等长收缩，对定位帽上的每个1×1cm的单元格进行经颅磁刺激，每个格子刺激10次，10次中有5次运动诱发电位波幅≥50μV才被视为有效刺激，记录有效刺激的运动诱发电位的潜伏期和波幅；
(3)对数据进行处理，得出躯干肌肉大脑皮质运动代表区图像。
所述腹横肌测试方法具体为：受试者靠墙坐直，一只手拿着血压计，双脚放在地板上，将气囊放置在腰椎后面(如图4，虚线圈中阴影部分为气囊)，在不改变脊柱位置变化的情况下，受试者缓慢地将小腹和肚脐向后拉以收缩腹横肌，将气囊压到50±2mmHg；
所述多裂肌测试方法具体为：受试者靠墙坐直，一只手拿着血压计，双脚放在地板上。将气囊放置在肩胛骨内侧缘的水平(如图5，虚线圈中阴影部分为气囊)，受试者缓慢地后伸腰椎以收缩多裂肌，将气囊压到50±2mmHg；
将记录到的每个格子的5次有效刺激波幅进行平均，每个格子的平均值再除以最大的波幅，即得到标准化的波幅，通过Python软件进行数据处理，得出大脑皮质运动代表区三维图像。
通过本发明方法制备的三维图像示例图如图6所示。水平方向虚线为两耳前凹之间的连线，垂直方向虚线为鼻根至枕骨粗隆的连线，两者相交的点为顶点。X轴代表从中间向侧边的距离(cm)，Y轴代表前后的距离(cm)，Z轴和光柱代表标准化的波幅(％)。
实施例2生物压力反馈仪的重测信度
实验对象：本研究从我院实习生中招募31名健康青年志愿者，其中6名男性，25名女性，年龄22.23±1.96岁,体重56.65±8.98kg,身高164.19±7.54cm,BMI 21.00±2.59kg/cm2。纳入标准：①BMI为±20％标准；②右利手；③无肌肉骨骼系统疾病、神经系统疾病或精神心理疾病等；④无腹部、腰/骶部外伤史、手术史；⑤无脊柱侧弯；⑥过去的6个月内无肌肉疲劳和腰痛现象，实验前24小时内未从事剧烈运动。排除标准：①无法正确完成动作任务者；②女性生理期者；③孕妇。本实验已获得我院伦理委员会批准，所有受试者均签署知情同意书。
实验设备：
生物压力反馈仪(Pressure Biofeedback Unit，PBU)(Chattanooga Group Inc.,LLC Vista,California,USA)由一个三腔压力充气囊、一个导管和一个血压计组成，大小为16.7×24.0cm，血压计的量程为0-200mmHg，最小单位为2mmHg。对气囊施加压力可引起压力计上刻度的变化，在实验开始前，要将气囊的压力充气到40mmHg(橙色带)，然后关闭阀门以防止漏气。为了确保PBU测量的准确性，该装置通过在24h内加载静态重量为4kg的预测试，只有当PBU在24h内损失不超过0.5mmHg，PBU才被认为合格。
使用UMI-SE-I系统表面机电仪(绍兴联合医疗器械有限公司)对患侧腹横肌和多裂肌进行信号采集和数据处理。处理皮肤后将一次性Ag/AgCl表面电极按照欧洲通用标准放置方法进行放置。电极直径0.5cm，间距2.0cm，肌电图采样频率为3000Hz，带宽为15-1000Hz，输入噪声＜1μV，最高分辨率≤0.1μV，共模抑制比＞110db。记录平均表面肌电(AEMG)作为反映肌肉活动程度的指标。
实验方法：采集受试者的基本信息，实验人员向受试者讲解腹横肌和多裂肌的解剖知识、生物力学及功能，所有受试者被要求在测试前禁食至少两个小时，排空膀胱，并避免在测试前进行任何类型的腹部运动。根据既往研究方法指导患者进行腹横肌和多裂肌测试。腹横肌：受试者靠墙坐直，一只手拿着血压计，双脚放在地板上，将气囊放置在腰椎后面，在不改变脊柱位置变化的情况下，受试者缓慢地将小腹和肚脐向后拉以收缩腹横肌；多裂肌：受试者靠墙坐直，一只手拿着血压计，双脚放在地板上。将气囊放置在肩胛骨内侧缘的水平，受试者缓慢地后伸腰椎以收缩多裂肌。受试者将气囊压到50mmHg，实验人员在整个测试过程中可以进行口头提醒动作正确与否，每个压力值重复测3次，间隔休息30s，允许目标压力变化±2mmHg。所有受试者1周后按照同样的方法进行重复测试。
实验结果：实验结果如表1所示。
表1 PBU在50mmHg时肌电图(％MVIC)的结果和重测信度
Figure BDA0002477085750000061
注释：ICC值介于0-1之间，0表示不可信，1表示完全可信，ICC≤0.20为很差，>0.20～0.40为差，>0.40～0.60为一般，>0.60～0.80为好，>0.80为非常好；P<0.05有统计学意义。
腹横肌在50mmHg压力时两次测试的肌肉收缩程度分别为13.5％和11.88％，多裂肌分别为10.23％和10.37％，符合经颅磁刺激技术评估躯干肌肉大脑皮质运动代表区时的10％-20％肌肉收缩。重测效度结果显示，腹横肌的ICC为0.724，多裂肌ICC为0.819，腹横肌的重测信度较好，多裂肌的重测信度非常好。说明在进行经颅磁刺激技术评估躯干肌肉大脑皮质运动代表区时，可以用生物压力反馈仪代替表面肌电图监测肌肉的收缩程度。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (3)

1.一种评估躯干肌肉大脑皮质运动代表区的方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）受试者坐位，戴上制作好的标准网络定位帽，寻找最佳刺激点，确定静息运动阈值和最佳刺激强度；
（2）受试者通过生物压力反馈仪监测腹横肌或多裂肌运动，使其保持在10~20%最大自主等长收缩；同时对定位帽上的每个1×1cm的单元格进行经颅磁刺激，每个格子刺激10次，10次中有5次运动诱发电位波幅≥50
Figure 299572DEST_PATH_IMAGE001
才被视为有效刺激，记录有效刺激的运动诱发电位的潜伏期和波幅；
（3）对数据进行处理，得到相应的躯干肌肉大脑皮质运动代表区图像；
所述步骤（2）中腹横肌或多裂肌运动的最大自主等长收缩为10%；
所述步骤（2）中的腹横肌测试方法具体为：受试者靠墙坐直，一只手拿着血压计，双脚放在地板上，将气囊放置在腰椎后面，在不改变脊柱位置变化的情况下，受试者缓慢地将小腹和肚脐向后拉以收缩腹横肌，将气囊压到50±2 mmHg；
所述步骤（2）中的多裂肌测试方法具体为：受试者靠墙坐直，一只手拿着血压计，双脚放在地板上，将气囊放置在肩胛骨内侧缘的水平，受试者缓慢地后伸腰椎以收缩多裂肌，将气囊压到50±2 mmHg。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（3）中的图像处理方法为通过Python3.7软件进行数据处理，得出大脑皮质运动代表区三维图像。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，制备所述大脑皮质运动代表区三维图像的具体方法为：将记录到的每个格子的5次有效刺激波幅进行平均，每个格子的平均值再除以最大的波幅，即得到标准化的波幅，然后通过Python3.7软件处理，即可得到躯干肌肉大脑皮质运动代表区三维图像。
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