高密度肌電（HD-sEMG）在吞咽與發音評估方面的應用
導讀
吞咽是維持人類生存最基本的生理功能，為人體生命健康提供必須的營養物質；發音則是保持社會交流最重要的生理功能，是人類與外界進行信息交流的重要途徑。吞咽和發音功能的正常維系都依賴面部肌肉和頸部肌肉的運動收縮和協調工作，這些肌肉一旦發生損傷或病變，就會使得吞咽和發音功能受到不同程度的影響，甚至引起吞咽障礙或構音障礙。表面肌電（sEMG）是利用電極在皮膚表面采集到的微弱電壓信號，sEMG信號與肌肉的活動情況和功能狀態間有著較強的關聯性，可以在不同程度上體現出相應神經肌肉的活動水平。然而目前吞咽和發音相關的臨床和研究大多采用少量電極采集sEMG信號，因信息量有限無法對吞咽和發音功能做出全面的了解與評估。由于使用電極數量有限，不能準確捕捉到引起吞咽或發音異常的受損肌群，也因此無法實現對受損肌群進行有效的功能康復訓練，從而限制了吞咽和發音障礙的臨床康復效果。針對目前吞咽和發音功能理論研究和臨床應用中存在的問題，本研究提出采用高密度表面肌電技術，研究吞咽、發音過程中面頸部肌肉群的電生理功能及協同工作機制，建立多模態吞咽功能和發音功能生理信息評價系統，為吞咽障礙、構音障礙患者的臨床診斷提供更加準確、無創、客觀的新理論和新方法。
本章主要表明：高密度表面肌電技術可以用以實現吞咽和發音過程的動態可視化，呈現面部和頸部肌肉的動態活動情況及協同工作機制，從而實現吞咽功能和發音功能的客觀評估，可以為吞咽及發音患者的病因診斷和靶向干預提供實驗基礎和客觀依據。
吞咽
吞咽是人類生存活動最基本的功能，是食物經咀嚼而形成的食團由口腔運送入胃的過程，健全的吞咽功能可以為人體生命健康所必須的營養物質的攝取提供基本保障；發音則是人類社會交流的基本功能，是人們與外界進行信息交流的重要途徑，更是社會文明進步的橋梁。吞咽和發音兩種活動之間有著密切的關系，在吞咽、發音活動產生和執行過程中，都需要依賴許多相同的器官和肌肉，比如口腔、咽喉、咬肌、下頦肌群等。一旦與吞咽（發音）活動相關的器官和神經組織發生病變，都可以導致相應的肌肉出現異常，使得吞咽和發音功能受到不同程度的影響，從而引起吞咽障礙（或構音障礙），進而嚴重影響人們的正常生活，甚至危害到生命。因此，研究基于神經肌肉信息融合的吞咽與發音功能評估方法，可為客觀評估與診斷吞咽障礙和構音障礙提供理論依據和技術基礎。
神經肌肉相關疾病會導致吞咽障礙（或構音障礙）
正常發音與構音障礙
嗓音是人的“第二張面孔”，是人們社會交流的重要媒介，是人類社會文明進步的橋梁。正常的發音功能才能提供有效、高質的嗓音，是人們進行有效溝通的基本保障。正常的發音功能是指在中樞神經系統的控制下由發音器官、肌肉進行有效的協同工作形成的。醫學上通常將正常發音所涉及的器官分為8部分：主要包括肺、膈肌（動力），聲帶、假聲帶（振動），咽腔、喉腔（共鳴），唇、齒（構語）。構音障礙是指與發音相關的神經系統或組織器官發生病變，發音過程中無法給出正確指令，使得發音肌群麻痹、肌力減弱或增強從而導致發音肌群無法協調運動，引發發音功能障礙（李勝利和張慶蘇，2003）。
研究者通常將廣義的構音障礙劃分為三大類，包括器質性、運動性、功能性三種類型，臨床患者一般表現為發聲困難、發音不準、咬字不清、聲響聲調及速率、節律異常等癥狀（丘衛紅，2004）。器質性構音障礙是指發音過程中與發音相關的器官出現了形態異常，進而導致發音問題，臨床上相關疾病的表現病癥有先天性唇腭裂、先天性面裂、巨舌癥、聲帶異常等。運動性構音障礙是由于發音相關的肌肉及神經系統病變而導致的，一般包括弛緩型、痙攣型、運動失調型、運動過少型等（李勝利，2001；燕鐵斌和竇祖林，1999）。功能性構音障礙是指發音相關的器官、神經、肌肉均無異常，但發音過程會出現系統功能紊亂，出現伴隨有錯誤構音呈固定狀態的異常發音。
發音相關生理結構示意圖
聲帶異常引起的構音障礙
吞咽障礙與構音障礙的同理性和普遍性
正常的吞咽和發音過程都是在神經系統調節下，通過控制相關肌群協同收縮來完成的。吞咽和發音活動是非常復雜的肌肉運動過程，與吞咽和發音功能相關的主要發音肌群集中在頸部和面部。其中與吞咽相關的肌群多達20多條，包括口輪匝肌、咬肌、頦下肌群、舌骨下肌群等，在肌群的協同作用下，正確完成吞咽過程，保證食物安全有序地從口腔通過食道進入胃里面（Jestrovi? 等，2016；周立富，2014）；而與發音相關的肌群可多達30多條，包括咬肌、鼻肌、口輪匝肌、頦下肌群等，從聲帶運動到共鳴構音器官的運動，涉及到的肌群大部分為小肌肉群的精細運動。相關研究表明，在吞咽和發音過程中，二者均會涉及到面頸部一些共同的肌群，比如咬肌、口輪匝肌、頦下肌群、斜角肌等，吞咽和發音是復雜的神經肌肉活動，相關肌群運動的速度、力量、范圍、方向和協調性影響著吞咽和發音功能，其間任何一個肌肉功能發生異常都會導致吞咽障礙和（或）構音障礙（Flowers等，2017；Bahia等，2016；CostaandMourao，2015），其障礙程度與神經肌肉受損的程度密切相關。
解決的問題及目標
肌電信號是肌肉收縮時產生的電信號，肌電信號與肌肉的活動情況和功能狀態間有著較強的關聯性，所以可以在不同程度上體現出相應神經肌肉的活動水平。吞咽活動是由多達20多塊肌肉通過神經調節實現有序的協同工作來完成的，單純的利用幾個表面電極不可能采集到完整吞咽過程中各項肌肉電生理活動，因此基于少量電極采集的sEMG信號無法對吞咽活動及吞咽功能障礙做出全面的了
解與評估；完整的發音過程，是通過30多塊肌肉從聲帶運動到共鳴構音器官的運動，其間涉及到的肌群大部分為小肌肉群的精細運動，因此很難用單個或幾個電極來對發音功能進行評價。現有用于對吞咽和發音活動評估的表面肌電檢測手段采用的電極數量少，主要通過對少數幾個與吞咽或發音過程相關的肌肉電生理活動進行分析，無法獲得吞咽和發音過程中肌肉活動完整的電生理活動信息，更無法實現對吞咽和發音功能準確地進行評價和檢測。另外，由于使用的肌電采集電極數量有限，不能準確捕捉到引起吞咽或發音異常或障礙的受損肌群，也就無法實現對受損肌群進行有目標的功能康復訓練，從而限制了肌肉功能臨床康復的效果。針對目前吞咽和發音功能研究領域和臨床應用中存在的問題，本研究旨在通過采用高密度表面肌電技術，研究吞咽、發音過程中面頸部肌肉群的電生理功能及協同工作機制，建立多模態吞咽功能和發音功能生理信息評價系統，為吞咽障礙、構音障礙患者的臨床診斷提供更加準確、無創、客觀的檢測評估新理論和新方法。
采用高密度肌電技術研究吞咽和發音功能
吞咽實驗方案
吞咽實驗過程中，受試者放松并坐在舒適的椅子上，上半身保持豎直，頭部保持正直。吞咽過程中，受試者應避免頭部轉動。實驗員將定量的吞咽物盛于小勺內，喂給受試者，受試者在沒有聽到吞咽指令時，應將食物含在口中。當聽到實驗員給出“吞”的指令后，開始以正常速度吞咽。對于每一位受試者，吞咽過程的高密度動態肌電數據采集分以下三個步驟：（1）靜態數據采集：電極放置好后，在受試者不做任何吞咽動作的放松狀態下，采集2-3分鐘的高密度肌電數據作為“基線肌電信號”；（2）動態數據采集：在受試者以正常速度完成吞咽實驗要求的吞咽動作時，實時同步采集高密度肌電數據；（3）靜態肌電數據采集：所有吞咽實驗結束后，在受試者不做任何吞咽動作的放松狀態下，再次采集2-3 分鐘的高密度肌電數據作為“基線肌電信號”。
吞咽實驗采用96通道表面肌電電極，所有電極以二維陣列的形式分布在受試者頸部，每兩個相鄰的電極之間保持15mm間距，以保證覆蓋在肌肉表面的電極在肌肉運動過程中不會互相碰撞，同時也保證電極之間有較小的間距，以獲取足夠多的信息量。96個電極以6×16的陣列排布，其中6行沿脖子方向從上到下排列，16列電極從頸部右側到左側排列。另外，參考電極采用織物電極手環，佩戴在受試者右手手腕上。
吞咽實驗96個高密度肌電位置
吞咽實驗流程
發音實驗方案
發音實驗涉及的主要設備是高密度肌電數據采集系統，采用120通道電極以陣列的方式均勻的分布在面頸部肌群上，高密度肌電系統采樣率設置為2048Hz。發元音實驗在專業聲電屏蔽室內進行，背景噪聲＜45dB。實驗過程中，高密度肌電數據與語音數據同步采集。語音信號采用麥克風收集，麥克風離口唇15cm，與水平線呈15°角。整個實驗過程中，受試者保持頭部正位，發音實驗過程中保持不做吞咽動作，受試者根據實驗人員指令完成實驗。
為了獲取較全面的肌電信息，需要足夠的電極數量和較小電極間距離。根據受試者的具體情況，電極以陣列的形式按一定的間距密集地貼在面頸部肌群上。首先，為保證數據的質量使用酒精棉清潔每一個電極，同時對受試者面頸部皮膚進行清潔，以去掉干燥的真皮和皮膚油脂；然后采用導電膏和雙面小型膠紙，以保證電極與皮膚之間的良好粘合性和導電性，確保信號質量；最后將120個表面電極以陣列的方式均勻地、左右對稱的放置在面頸部皮膚表面；最后將織物電極放置在受試者的左手腕上作為參考電極。
高密度肌電電極在人體面頸部分布示意圖
面頸部電極陣列分布示意圖
為了研究不同嗓音負荷下對發聲運動過程中肌電的影響，發音實驗主要涉及了音調變化時發3個元音（[a:]、[i:]、[?:]），面頸部肌電的采集與分析。具體實驗方案如下：（1）分別用50dB/70dB/85dB音量，分別發[a:]、[i:]、[?:]3個元音，每個元音為一組實驗，每組元音重復發聲3次，每組實驗之間休息2-5分鐘；（2）連續音量變化實驗，用連續變化音量（低音量-高音量和高音量-低音量），分別發[a:]、[i:]、[?:]3個元音，每個元音為一組實驗，每組元音重復發聲3次，每組實驗之間休息5-8分鐘。對于每一位受試者，發音過程的高密度動態肌電和語音數據采集分以下三個步驟：靜態數據采集：電極放置好后，在受試者不做任何發音動作的放松狀態下，采集2-3分鐘的肌電數據作為“基線肌電信號”；動態數據采集：在受試者完成以上發音動作時，實時同步采集肌電及語音數據；靜態數據采集：所有發音實驗結束后，在受試者不做任何發音動作的放松狀態下，再次采集2-3分鐘的肌電數據作為“基線肌電信號”。
每種說話方式都包含兩種語言：英語和中文。該發音實驗是在受試者說話的過程中，通過多通道表面肌電從面部和頸部區域的肌肉中收集相應的高密度肌電信號。首先，在每個實驗之前，受試者保持放松狀態，不做任何動作或行為，以記錄靜息時的表面肌電作為信號的基線，記錄時長為40秒；然后，要求受試者分別用有聲語音和無聲語音的方式，說英語和中文的十個數字（0到9）（表2.1）。在實驗過程中，受試者被要求每個數字在1秒鐘內說話，兩個動作之間保持3秒以上的休息時間，以避免肌肉疲勞對信號質量的影響，實驗過程中，每個數字重復28次。
總結
表面肌電（sEMG）信號與肌肉的活動情況和功能狀態間有著較強的關聯性，可以在不同程度上體現出相應神經肌肉的活動水平。然而目前吞咽和發音相關的臨床和研究大多采用少量電極采集sEMG信號，因信息量有限無法對吞咽和發音功能做出全面的了解與評估。由于使用電極數量有限，不能準確捕捉到引起吞咽或發音異常的受損肌群，也因此無法實現對受損肌群進行有效的功能康復訓練，從而限制了吞咽和發音障礙的臨床康復效果。針對目前吞咽和發音功能理論研究和臨床應用中存在的問題，本研究提出采用高密度表面肌電技術，研究吞咽、發音過程中面頸部肌肉群的電生理功能及協同工作機制，建立多模態吞咽功能和發音功能生理信息評價系統，為吞咽障礙、構音障礙患者的臨床診斷提供更加準確、無創、客觀的新理論和新方法。
結果表明，高密度sEMG技術可以用以實現吞咽和發音過程的動態可視化，呈現面部和頸部肌肉的動態活動情況及協同工作機制，從而實現吞咽功能和發音功能的客觀評估，為吞咽及發音患者的病因診斷和靶向干預提供實驗基礎和客觀依據。
言語發聲神經電信號測量系統
當前大多數利用表面肌電信號進行語音識別的研究中,存在使用的電極數量少、位置選取不夠科學的問題。高密度肌電設備對語音識別時電極位置對識別性能的影響進行分析,來達到更好地選擇電極位置和數量的效果具有不可替代的作用。
同時在神經工程領域，越來越多的研究嘗試同步采集腦電與肌電的信號，用來探索包括發音在內的運動意圖由大腦傳遞到肌肉執行的過程中潛在的規律。高密度腦肌電測量識設備使得研究情緒，肌肉活動到最終發音的全過程研究與實驗成為可能。
Speech HD-64 型言語發聲神經電信號測量系統是一套采集語音過程中的腦/肌神經肉肌電信號的設備，并可通過后端的分析軟件，以及與力學、運動學設備的同步信號分析，開展語言學、人體運動特性、模式識別、假肢設計、虛擬現實等多領域的研究工作。
分散式高密度肌電，每組4、8、16通道傳感器（最大256通道）
腦電模塊（可同步實時采集高密度腦/肌電）
主要優勢：
1、多模態數據同步模塊，可實現多種信號實時同步傳輸；
2、可配置設備的采集參數，實現數據同步采集功能，可顯示實時波形、實時頻譜圖、實時電勢圖和3D模型姿態；
3、自定義動作序列播放功能，并用Mark點標記動作事件信息；
軟件操作界面
支持肌電、心電、腦電、慣性信號、血氧、血壓的多種信號聯合采集，并配置設備采集參數
實時顯示設備的連接狀態、電量和信號強度
實時顯示波形
實時頻譜圖、時域頻譜
肌肉疲勞分析
自定義動作序列播放功能，并用Mark點標記動作事件信息，不同動作序列用不同顏色表示
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