胫骨前的肌肉脑卒中结构参数和足下垂修复的潜在影响

抽象

卒中后背屈肌无力和四肢麻痹性足下垂增加了跌倒和跌倒的风险，降低了整体功能的灵活性。我们感兴趣的是，背屈肌无力是否起源于神经学，或者形态差异是否也会导致损伤。对10例脑卒中后偏瘫患者采用非侵入性医学成像技术进行双侧成像。磁共振成像用于识别胫骨前肌体积和肌腹长度的变化。超声检查测量神经束长度和神经束束角。我们发现所有受试者在任何建筑参数上均无临床意义的双侧差异，这表明这些受试者具有足背收缩的肌肉能力。因此，卒中后背屈肌无力主要起源于神经系统，可能是由于肌肉激活失败或足底屈肌痉挛增加所致。目前的发现表明，电刺激方法或额外的神经肌肉再训练可能比以肌肉力量为目标更有益。，增加肌肉量)。

1.简介

仅在美国，大约有795,000人，每年新的或复发性卒中受苦1]。卒中幸存者往往偏瘫或肌肉无力挨在身体的一侧。足下垂通常由在患侧腿和本身表现为在运动的背屈范围的减小肌无力发生[2]。对于许多幸存者卒中后，偏瘫肢体足下垂增加绊倒和摔倒的风险，并降低了流动性的功能[2]。目前还不清楚背屈肌无力是否仅仅是中风后的神经损伤，还是肌肉结构的改变是另外的影响因素。肌束长度和阴茎角。，the angle in which the fascicles insert themselves into the aponeuroses of the muscle) are two architectural parameters that can influence how a muscle generates force. Varying these two parameters can alter the functional ability of a muscle, including range of motion and total force production [3]。因此，在分册长度或羽状角度的变化可以有助于中风后背屈弱点[4]。

医学成像技术（例如，超声和磁共振成像）经常被用来研究肌肉架构在活的有机体内在健康人群和患有神经系统疾病[五-11]。然而，我们对中风后肌肉结构的变化知之甚少。在上肢，超声发现受累一侧的肱肌束长度较短[8]。同样，Gao等人[4]报道相比于健康成年人在患侧内侧腓肠肌分册长度，羽状角，和运动范围的减小。此外，拉姆齐等。[9]观察到胫骨前肌（TA）和麻痹肌肉nonparetic卷之间没有差异[9]。然而，在其它结构参数如分册长度，羽状角和整体肌肉长度的变化也可能导致中风后背屈弱点。更好地了解偏瘫胫前肌架构将允许医生到不同的技术应用，以帮助患者减少足下垂，从而提高步行的流动性。

本研究的目的是使用医学成像技术来量化偏瘫和nonparetic胫前肌之间发生的结构变化。我们测量肌肉参数是肌肉量，肌肉长度，肌肉分册长度和羽状角。我们假设会有任何肌肉参数麻痹和nonparetic侧之间没有变化，这将表明背屈的弱点主要是神经损伤。

2.方法

2.1。主题

十卒中后的受试者（ yrs., 8 males,因为中风个月）被招募为这项研究（表1）。主题had no other conditions that affected walking (e.g., Parkinson’s disease and joint replacement), no bone or joint problems in the legs or spine, or no shortness of breath without exertion in the last 6 months, could understand spoken instructions and were able to communicate with the investigators, had no implanted magnetic or electronic device, and could walk without the assistance of another person but may have used a leg brace or an assistive device if needed. All subjects were provided and signed an informed consent approved by the University of Delaware review board.

2.2。磁共振成像协议

肌肉体积和胫骨前肌肌腹的长度从磁共振图像获得。肌肉体积使用由Ramsay等人以前描述的方法来计算。[9]。Axial T1-weighted MR images were acquired for both legs using a 1.5 T Signa LX scanner (GE Medical, Milwaukee, WI). To limit any movement during scanning and maintain neutral hip rotation, subjects lay supine with their feet taped together at the toes. Two overlapping regions of the lower leg were imaged using a repetition time of 450 ms, echo time of 10 ms, slice thickness of 10 mm, and a distance between slices of 11.5 mm. IMOD software (University of Colorado, Boulder, CO; Kremer et al. [12]）用于手动跟踪的TA肌肉的边界在整个肌肉长度。截面积，使用梯形积分算法计算和，调整脂肪抑制像素阈值之后，体积通过求和乘以切片厚度在肌肉的长度的横截面面积来计算。其他的研究已经使用了类似的灰度级（像素强度）的方法瘦的骨骼肌和脂肪组织[区分13-15]。利用腹部肌肉的起源和插入，肌肉长度（）was calculated by multiplying the space between slices (11.5 mm) by the number of scan slices spanning each muscle. Mean values for volume and muscle length were calculated for the paretic and nonparetic sides.

2.3。超声协议

受试者在等角测力计（Biodex，雪莉，NY）与他们的膝盖完全伸展和脚踝固定在中立姿势就座直立（图1）。个人麻痹和nonparetic肌肉分册长度（）和羽状角（）从一个GE LOGIQ P6（GE医疗集团，沃基肖，WI，USA）超声装置获得。大号ongitudinal ultrasound images of the TA were collected using a B-mode scanner with a 15 MHz high-resolution linear array probe (ML6-15). For all subjects, two images of both legs were acquired at neutral ankle position (Figure2）。所有图像用在两个腿的每个关节角度处于静止状态下的对象。当分册长度长于标准场的视场的扩展的视图而使用。这种方法已经被证明是一个测量值的5％内是准确的[16]。分册长度从深腱膜到浅腱膜测量（图2）。羽状角度从肌肉分册到深腱膜测量（图2）。分册长度标准化为主体的高度，既归分册长度和羽状角横渡重复扫描的平均值。

2.4。统计分析

肌肉体积，肌肉长度，归一化的分册长度和羽状角在中性关节角度被确定为正态分布使用里尔福斯测试数据和四肢采用配对之间进行比较-tests。患侧和nonparetic肌腹周长之间的平均绝对差异也跨所有科目确定。

3.结果

3.1。肌肉体积和肌肉长度

目前还没有显着性差异（）麻痹之间（ cm³）和nonparetic（ cm³)肌肉量(表2）。为麻痹和nonparetic两侧肌肉长度均无统计学差异（）和平均厘米, cm, respectively (Table2）。The average difference between paretic and nonparetic muscle length was 0.4 cm.

3.2。分册长度和羽状角的中间角度

在中性脚踝角度标准化分册长度没有显著不同（)之间(）和nonparetic（）两侧。患侧羽状角（度）不显著不同（）比nonparetic羽状角（°）在中性脚踝角度（表2）。

4。讨论

在这项研究中，我们使用了非侵入性的医学成像技术。，中号[RI and ultrasound) to quantify changes between the paretic and nonparetic tibialis anterior muscle in poststroke individuals. Muscle volumes, muscle lengths, fascicle lengths, and pennation angles at neutral joint angle were all similar between sides. Overall, we determined that there are no meaningful bilateral differences in poststroke tibialis anterior muscle architecture. This indicates that these subjects have the muscular capacity to dorsiflex their foot and that dorsiflexor strength is primarily inhibited by neurological impairment.

肌肉萎缩已被证明行程之后存在，但大多数看的横截面面积[17]或体积[9，11，18，19]作为肌肉大小的量度。然而，已经表明，在慢性中风患者由于缩短跖屈肌的长度缩短而跖屈肌肉纤维的加固[20]。为了确定该机制是否也发生在TA和给出关于TA的卒中后萎缩更具代表性的视图，我们提出两个肌肉体积和肌肉长度数据。这些科目的平均肌肉体积是类似于我们以前的工作，并确认肌肉卷不麻痹和四肢nonparetic之间变化发现。另外，肌肉的长度也是双方之间的相似。这些结果一起证实，卒中后TA的大小并没有改变以下中风。

虽然中风后可能不会发生整体规模的变化，我们也感兴趣是否发生了两任丛生的变化在中性位置和整个运动的每一个人的范围。在束状水平的变化也将影响肌肉的肌肉，因为力被传递到沿肌肉分册轴肌腱和正比于羽状角的余弦产生力量的能力。内侧已报道腓肠肌肌束长度中风后为更短和羽状角比健康值小[4]，即建议将被动束状张力增高的组合。此外，增加了在羽状角已被报道与肌肉肥大重合[21]。然而，我们没有发现任何结果证实在胫骨前的任何束状变化。在中立位置的脚踝，有在分册长度和边之间的角度羽状没有差异。

The overall implication for rehabilitation of foot drop provided by our findings is that interventions that are directly designed to target dorsiflexor weakness should be designed to address the underlying physiological deficit, which is neurological impairment (e.g., decrease in voluntary muscle activation, the ability to activate higher numbers of motor units, or number of active motor units). Rehabilitation targeting muscle strength solely by increasing muscle mass will be ineffective, as atrophy and architectural differences do not exist in the TA. One useful intervention technique is electrical stimulation. Electrical stimulation of the dorsiflexors has been used to improve walking in subjects with hemiparesis [22，23]和可植入延长，日常使用[23]。从背屈电刺激等神经好处是，它可以通过交互抑制减少跖屈痉挛[24-26]并且也降低了跖屈牵张反射[27，28]。然而，虽然电刺激是既作为矫形器和恢复工具是有用的，它是不常见的临床实践[28]。在光我们的研究结果，我们建议，因为它解决了神经功能缺损促进背屈弱点使用电刺激或神经肌肉再训练的另一种形式的将是有益的。

有一些假设和限制值得解释这些结果时指出。首先，我们假设胫骨前肌是与足下垂的唯一背屈肌肉。我们相信，包括更深层次的肌肉不会改变这项研究的胫骨前的结果，是全国最大的背屈肌肉和可能对运动的影响最大。其次，我们认识到静止状态期间测量了肌参数和肌肉收缩期间将发生的变化。我们还认识到整体的肌肉结构不完全在工作描述。肌肉肌束是由肌纤维和，在较小规模上，一系列肌节。使用激光衍射[技术29]已经能够测量这种参数，并且可以是感兴趣的完全描述卒中后胫骨前肌的架构。这也是要注意重要的是我们选择的参数是针对主动肌力的生产，而不是被动的。跟腱性能已显示偏瘫和nonparetic两侧[之间变化20]，以及是否中风胫骨前肌腱的属性发生变化，目前还不清楚。最后，我们没有看到在肌纤维类型，虽然变化[三十]对胫骨前肌进行组织学活检，发现II型肌纤维数量和直径减少，主要向I型肌纤维转移。这种纤维类型比例的变化，如果对慢性中风幸存者一致，可能是激活失败或停用的指示。

五，结论

我们发现在胫骨前肌和非胫骨前肌的结构参数上没有临床意义上的差异。因此，我们认为，麻痹性背屈肌无力不是由于肌肉结构的改变，而更可能是由于激活失败或足底屈肌痉挛的增加。因为这些人有能力使他们的脚背屈，所以他们的脚下垂一定是由于神经系统的损伤(例如，随意肌的激活能力下降，激活更多运动单位的能力下降，或者激活更多运动单位的能力下降)。电刺激可能是一个有效的康复工具，以解决这些因素，并应考虑更多的临床设置。

利益冲突

作者声明，这篇论文的发表没有任何利益冲突。

致谢

笔者想感谢的诊断成像协会为他们与MRI数据收集和特拉华州康复研究所生物统计学家，瑞安Pohlig帮助，与统计分析帮助。这项工作是由美国国立卫生研究院NS055383，NIH NR010786，美国国立卫生研究院GM103333，并授予约翰·W·拉姆齐特拉华研究生奖学金的资助大学。

参考

1. V. L.罗杰，A. S.围棋，D. M.劳埃德 - 琼斯等人，“心脏病和中风的统计数据，2012最新消息：来自美国心脏协会的报告，”。循环卷。125，没有。1，第E2-E220，2012。查看在：出版商网站|谷歌学术搜索
2. A. I. R. Kottink，L. J. M. Oostendorp，J. H. Buurke，A. V.内内，H. J.赫和M. J. IJzerman，“功能性电刺激对行走的脑卒中患者改善了的矫正效果下降脚的系统评价，”人工器官，第28卷，第2期。第577-586页，2004年。查看在：出版商网站|谷歌学术搜索
3. R.利伯和J.Fridén，“骨骼肌架构的临床意义，”临床骨科及相关研究卷。383，第140-151，2001。查看在：谷歌学术搜索
4. F.高，T. H.格兰特，E. J.罗斯和张良军，“变化腓肠肌被动的机械性能在肌肉肌束和中风幸存者联合水平，”物理医学与康复档案卷。90，没有。5，第819-826，2009。查看在：出版商网站|谷歌学术搜索
5. F.高，赵令欢，D.盖布勒-斯培拉和张良军，“体内腓肠肌肌束和脑瘫患儿跟腱的形态变化的评价，”美国中华物理医学与康复卷。90，没有。5，第364-371，2011。查看在：出版商网站|谷歌学术搜索
6. A. P.肖特兰，C·A·哈里斯，M.高夫和R. O.罗宾逊，“痉挛性双瘫患儿腓肠肌内侧的建筑，”发育医学与儿童神经病卷。44，没有。3，第158-163，2002。查看在：出版商网站|谷歌学术搜索
7. L.李，K. Y.塘，和X胡“关于肱肌架构脑卒中损害的影响，通过超声检测，”物理医学与康复档案卷。88，没有。2，第243-250，2007。查看在：出版商网站|谷歌学术搜索
8. A. A. Mohagheghi，T.汗，T. H.草甸，K. Giannikas，五Baltzopoulos和C. N. Maganaris“的患侧和非患侧腿之间腓肠肌结构的差异在儿童偏瘫脑瘫，”临床生物力学卷。22，没有。6，第718-724，2007。查看在：出版商网站|谷歌学术搜索
9. J. W.拉姆齐，P. J. Barrance，T. S.布坎南和J. S.希金森，“麻痹肌肉萎缩和在后冲程下肢各个肌肉的非收缩性组织的内容，”杂志生物力学卷。44，没有。16，第2741至2746年，2011。查看在：出版商网站|谷歌学术搜索
10. R. Lampe, S. Grassl, J. Mitternacht, L. Gerdesmeyer，和R. Gradinger，“脑瘫致痉挛性偏瘫青年下肢肌肉体积的磁共振测量”脑与发展，第28卷，第2期。8，第500-506，2006年。查看在：出版商网站|谷歌学术搜索
11. C. S.克莱恩，D.布鲁克斯，D.理查森，W. E.麦克罗伊和M. T.贝利，“自愿激活失败贡献更大跖屈弱点比拮抗剂共激活和慢性中风患者肌肉萎缩，”应用生理学杂志卷。109，没有。5，第1337至1346年，2010。查看在：出版商网站|谷歌学术搜索
12. J. R.克莱默，D.N。Mastronarde和J. R. McIntosh的，“使用IMOD的三维图像数据的计算机可视化，”[结构生物学，第116卷，不。1，第71-76页，1996。查看在：出版商网站|谷歌学术搜索
13. R.罗斯，J.皓，H. Pedwell，J.克利福德和P. Shragge，“饮食和运动对骨骼肌，男性的内脏脂肪组织的影响，”应用生理学杂志卷。81，没有。6，第2445至2455年，1996。查看在：谷歌学术搜索
14. J·A·肯特 - 布朗，A.五伍和K.年轻，“骨骼肌收缩和在年轻人和老年妇女和男子非收缩性成分，”应用生理学杂志卷。88，没有。2，第662-668，2000。查看在：谷歌学术搜索
15. B. H.古德帕斯特，V. A.斯滕格尔，F.博阿达等人，“通过磁共振成像骨骼肌脂质浓度定量，”美国临床营养学杂志卷。79，没有。5，第748-754，2004。查看在：谷歌学术搜索
16. L.翁，A.P。Tirumalai，C. M.洛厄等人，“美国扩展场的视图成像技术，”放射科卷。203，没有。3，第877-880，1997。查看在：谷歌学术搜索
17. A. S.瑞恩，C. L. Dobrovolny，G. V.史密斯，K. H.银和R. F. Macko，“偏瘫肌肉萎缩和增加的在中风患者肌内脂肪，”物理医学与康复档案卷。83，没有。12，页。1703年至1707年，2002年。查看在：出版商网站|谷歌学术搜索
18. N. Metoki，Y.佐藤，K.佐藤，K.奥村，和J.岩本，“肌萎缩在大腿偏瘫患者中风后，”美国中华物理医学与康复卷。82，没有。11，第862-865，2003。查看在：出版商网站|谷歌学术搜索
19. B. A. Knarr，J.W拉姆齐，T. S.布坎南，J.S。希金森和S. A.粘合剂 - Macleod的，“肌肉体积的在足底屈肌最大的力产生能力的预测中风后，”肌肉与神经卷。48，第971-976，2013。查看在：谷歌学术搜索
20. 赵令欢，Y.仁，吴Y.，S Q.刘和张良军，“跟腱的超声评价肌腱机械性脑卒中”应用生理学杂志卷。106，没有。3，第843-849，2009。查看在：出版商网站|谷歌学术搜索
21. 肌肉纤维弯曲角度在肥大肌肉中比在正常肌肉中更大。应用生理学杂志卷。74，没有。6，第2740年至2744年，1993。查看在：谷歌学术搜索
22. T. M.凯萨尔，R·佩吕马尔，D.S。赖斯曼等人，“脚踝的功能性电刺激屈肌和背屈肌肉：脑卒中后步态的影响，”。行程卷。40，没有。12，第3821-3827，2009。查看在：出版商网站|谷歌学术搜索
23. D. G. Embrey, S. L. Holtz, G. Alon, B. A. Brandsma，和S. W. McCoy，“在步态中对背屈肌和足底屈肌进行功能性电刺激，以改善成人慢性偏瘫患者的行走，”物理医学与康复档案卷。91，没有。5，第687-696，2010。查看在：出版商网站|谷歌学术搜索
24. J. A. Apkarian和S.瑙曼，“牵张反射抑制使用正常受试者和痉挛电刺激，”生物医学工程杂志卷。13，没有。1期，第67-73，1991。查看在：出版商网站|谷歌学术搜索
25. C. Crone, J. Nielsen, N. Petersen, M. Ballegaard，和H. Hultborn，“痉挛性患者踝关节伸肌的双钠互抑制”，大脑卷。117，没有。5，第1161至1168年，1994。查看在：出版商网站|谷歌学术搜索
26. H.森田，C.科龙，D. Christenhuis，N. T.彼得森和J. B.尼尔森，“突触前抑制和痉挛随意运动过程中disynaptic倒数IA抑制的调制”大脑卷。124，没有。4，第826-837，2001。查看在：出版商网站|谷歌学术搜索
27. P. H. Veltink，M. Ladouceur和T.Sinkjœr“的三头肌的抑制通过小腿与痉挛中风者腓深神经的刺激牵张反射，”物理医学与康复档案卷。81，没有。8，第一〇一六年至1024年，2000。查看在：出版商网站|谷歌学术搜索
28. A. K.汤普森，K. L. Estabrooks的，S.冲，和R. B.斯坦，“脊髓反射在脚踝屈肌和伸肌慢性中枢神经系统病变和功能性电刺激之后，”神经康复和神经修复卷。23，没有。2期，第133-142，2009。查看在：出版商网站|谷歌学术搜索
29. R. L.利伯，G. J.洛伦和J. Friden，“体内人腕的测量伸肌小节的长度变化，”神经生理学杂志的卷。71，没有。3，第874-881，1994。查看在：谷歌学术搜索
30. R. Scelsi，S.洛塔，G. Lommi，P.波吉，和C.马尔凯蒂，“偏瘫萎缩：在患有脑血管意外的胫骨前肌的形态学研究结果，”ACTA Neuropathologica卷。62，没有。4，第324-331，1984。查看在：出版商网站|谷歌学术搜索

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