高密度表面肌電（HD-sEMG）信息分析在神經(jīng)肌肉功能康復(fù)研究
導(dǎo)語(yǔ)
神經(jīng)肌肉疾病是一種來(lái)源于神經(jīng)或肌肉病變的常見(jiàn)疾病，嚴(yán)重影響患者日常生活。為了提高康復(fù)治療效果，對(duì)其病因和病理的準(zhǔn)確評(píng)估十分重要。高密度肌電信息分析是對(duì)神經(jīng)肌肉疾病的一個(gè)重要評(píng)估手段，中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院李光林教授是這方面的權(quán)威專家。在今年的中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程大會(huì)康復(fù)工程分會(huì)的特邀報(bào)告中，李光林教授系統(tǒng)闡述了高密度肌電技術(shù)在神經(jīng)肌肉功能康復(fù)中的研究進(jìn)展。
研究背景
神經(jīng)-肌肉系統(tǒng)是人類的動(dòng)能系統(tǒng)，支撐人體各項(xiàng)器官的運(yùn)動(dòng)活動(dòng)（圖1）。其主要通過(guò)中樞神經(jīng)通路與外周神經(jīng)通路，經(jīng)神經(jīng)肌肉接頭，連接并控制骨骼肌、心肌、平滑肌等肌肉組織進(jìn)行收縮活動(dòng)，以產(chǎn)生期望的人體運(yùn)動(dòng)行為。神經(jīng)-肌肉系統(tǒng)異常會(huì)導(dǎo)致眾多身體功能障礙，嚴(yán)重影響人類健康。這些神經(jīng)肌肉功能障礙包括糖尿病神經(jīng)病變、吞咽功能障礙、肢體癱瘓、肌萎縮側(cè)索硬化（漸凍人）、截肢、退行性疾病（失能）等，廣泛存在于人群之中。在2020年Lancet期刊中的一篇綜述研究顯示，全球有17億人存在肌肉骨骼系統(tǒng)異常，也就意味著每3人中就有1人需要接受康復(fù)治療。因此，針對(duì)神經(jīng)肌肉功能障礙的康復(fù)技術(shù)具有重大需求。
圖1：神經(jīng)-肌肉系統(tǒng)
為了實(shí)現(xiàn)對(duì)神經(jīng)肌肉功能障礙的有效康復(fù)，需要精準(zhǔn)檢測(cè)人體神經(jīng)肌肉的電生理信號(hào)（圖2）。肌電信號(hào)就是其中一種常見(jiàn)的神經(jīng)肌肉電生理信號(hào)。它是眾多肌纖維中運(yùn)動(dòng)單元?jiǎng)幼麟娢唬∕otor Unit Action Potential, MUAP）在時(shí)間和空間上的疊加，會(huì)伴隨肌肉收縮而產(chǎn)生。對(duì)肌電信號(hào)的采集主要包括針電極采集與表面電極采集。相對(duì)于針電極肌電，表面肌電在測(cè)量上具有非侵入性、無(wú)創(chuàng)傷、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。因而，表面肌電在神經(jīng)肌肉功能康復(fù)評(píng)估方面具有重要的實(shí)用價(jià)值。
圖2：神經(jīng)肌肉電生理信號(hào)
隨著表面肌電信號(hào)采集技術(shù)的改進(jìn)，其從傳統(tǒng)的單極肌電、雙極肌電、線性肌電陣列等簡(jiǎn)單的一維肌電采集方案，發(fā)展為高密度肌電陣列等復(fù)雜的二維肌電采集方案（圖3）。其中高密度肌電信號(hào)由于可以提供豐富、全面的神經(jīng)肌肉功能信息，在國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了很多研究。本課題組也進(jìn)行了相關(guān)研究，取得了許多研究成果。主要研究進(jìn)展如后所示：
圖3：表面肌電信號(hào)采集的發(fā)展方向
研究進(jìn)展
1.肌電信號(hào)分解
肌電信號(hào)分解在高密度肌電研究中占很大比例，其主要通過(guò)進(jìn)行肌電信號(hào)逆過(guò)程計(jì)算，將肌電信號(hào)還原成其基本的組成成分——運(yùn)動(dòng)單元?jiǎng)幼麟娢恍蛄校M(jìn)而從根本上了解中樞運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的活動(dòng)狀態(tài)，為神經(jīng)肌肉功能的康復(fù)評(píng)估提供一個(gè)客觀準(zhǔn)確的工具。目前的表面肌電分解算法主要有模板匹配、盲源分離、深度學(xué)習(xí)等。在神經(jīng)肌肉功能康復(fù)研究方面，周平教授課題組采用卷積核抵消（Convolution Kernel Compensation, CKC）的盲源分離算法，對(duì)卒中后偏癱患者的手部第一骨間背側(cè)肌高密度肌電進(jìn)行了分解，可以得到患側(cè)和健側(cè)肌肉的運(yùn)動(dòng)單元放電信息。最終發(fā)現(xiàn)患側(cè)的運(yùn)動(dòng)單元放電率小于健側(cè)，而在運(yùn)動(dòng)單元放電率與肌肉收縮水平的相關(guān)性方面，患側(cè)斜率也小于健側(cè)斜率（圖4）。D. Farina教授課題組針對(duì)接受靶向肌肉神經(jīng)功能重建手術(shù)后的上肢高位截肢患者，設(shè)計(jì)盲源分離算法，分解由柔性高密度肌電電極采集到的胸部肌電信號(hào)，獲得運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元放電信息。并基于直接比例控制方法與肌骨模型，可實(shí)現(xiàn)對(duì)患者上肢運(yùn)動(dòng)意圖的準(zhǔn)確識(shí)別，完成多自由度假肢控制（圖5）。對(duì)于肌電假肢控制，高密度肌電技術(shù)還可以用于分析最優(yōu)的肌電采集位置與采集數(shù)量，提高動(dòng)作識(shí)別精度。
圖4：基于高密度肌電分解的偏癱研究（Li et al., IEEE. Trans. Biomed. Eng., 2015）
圖5基于高密度肌電分解的多功能假肢控制研究（Farina et al., Nat. Biomed. Eng., 2017）
2.腰背痛
腰背痛是一種常見(jiàn)的神經(jīng)肌肉骨骼疾病癥狀。有調(diào)查顯示，成年人中高達(dá)84%在一生中會(huì)經(jīng)歷腰背痛，嚴(yán)重影響生活與工作質(zhì)量。超過(guò)85%的慢性腰背痛病因不清，這也直接導(dǎo)致對(duì)它的診斷及康復(fù)干預(yù)效果不佳。本課題組通過(guò)獲取腰背痛相關(guān)的腰背部高密度神經(jīng)肌肉電生理信息，一方面構(gòu)建腰背痛的準(zhǔn)確診斷標(biāo)準(zhǔn)，另一方面設(shè)計(jì)和優(yōu)化對(duì)腰背痛的康復(fù)干預(yù)方法，以幫助改善腰背痛患者生活質(zhì)量。我們通過(guò)構(gòu)建高密度肌電地形圖，可以發(fā)現(xiàn)健康受試者的下背部肌肉活動(dòng)存在對(duì)稱效應(yīng)，腰部的豎脊肌和背闊肌部分區(qū)域在腰部運(yùn)動(dòng)中起重要作用（圖6）。此外，為了找到腰背痛經(jīng)顱刺激干預(yù)的有效刺激靶點(diǎn)位置，我們結(jié)合高密度肌電和運(yùn)動(dòng)誘發(fā)電位，提出了基于運(yùn)動(dòng)誘發(fā)電位地形圖的靶點(diǎn)定位方法，初步探索了可獲最佳定位效果的刺激參數(shù)（Jiang et al., IEEE Trans. Neural. Syst. Rehabil. Eng., 2021, 圖7）。我們還將高密度肌電應(yīng)用于腰部外骨骼設(shè)計(jì)方面，分析腰背部肌肉負(fù)重，幫助改善腰部外骨骼系統(tǒng)設(shè)計(jì)，降低腰背痛發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。
圖6：基于高密度肌電的腰背痛肌肉活動(dòng)研究
圖7：基于高密度肌電的腰背痛經(jīng)顱刺激靶點(diǎn)定位研究（Jiang et al., IEEE Trans. Neural. Syst. Rehabil. Eng., 2021）
4.脊柱側(cè)彎
特發(fā)性脊柱側(cè)彎是一種高發(fā)于青少年的脊柱畸形疾病，青少年的高患病率、脊柱畸形帶來(lái)的身心影響以及巨額醫(yī)療開(kāi)支給患者及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)了持久的負(fù)面影響。因此特發(fā)性脊柱側(cè)彎的全面科學(xué)篩查和治療是我國(guó)重點(diǎn)關(guān)注的青少年健康問(wèn)題之一。當(dāng)前脊柱側(cè)彎的臨床診斷以體表特征和骨性畸形為主，缺乏對(duì)高度冗余的、大面積脊柱側(cè)彎區(qū)域的神經(jīng)肌肉生理信息的有效評(píng)估。本課題組基于高密度表面肌電的生理信息檢測(cè)技術(shù)，評(píng)估青少年脊柱側(cè)彎患者背部的神經(jīng)肌肉電生理特征。通過(guò)對(duì)肌電信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻域信號(hào)特征分析并提取神經(jīng)肌肉協(xié)同矩陣，研究發(fā)現(xiàn)側(cè)彎患者的肌電圖表現(xiàn)出了與側(cè)彎程度、側(cè)彎位置相關(guān)的特征，可以作為脊柱側(cè)彎篩查和評(píng)估時(shí)的重要指標(biāo)（Wang et al., IEEE. Trans. Biomed. Eng., 2021, 圖8）。研究還進(jìn)一步探索了側(cè)彎患者椎旁肌肉在脊柱側(cè)彎發(fā)展進(jìn)程中的作用，通過(guò)向凹側(cè)椎旁肌注射肉毒素來(lái)探索介入后側(cè)彎區(qū)域的神經(jīng)肌肉激活及協(xié)同變化，對(duì)探索側(cè)彎患者病因和椎旁肌作用提供了有價(jià)值的信息突破口。
圖8：基于高密度肌電的特發(fā)性脊柱側(cè)彎研究（Wang et al., IEEE. Trans. Biomed. Eng., 2021）
5.肌電柔性傳感及高密度采集系統(tǒng)
當(dāng)前高密度肌電信號(hào)的采集存在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)、電極間距一致性差、硬質(zhì)電極與柔軟組織不匹配等一系列問(wèn)題。此外，由于大量人體活動(dòng)時(shí)的肌肉形變量較大，對(duì)電極的拉伸性能產(chǎn)生了一定的需求。因此，基于柔性傳感的高密度肌電采集具有重大需求。本課題組設(shè)計(jì)了各種柔性傳感材料，如透氣透汗電極、活性器件、基于機(jī)械互鎖策略的電極、高密度微針電極陣列等，探索了對(duì)高密度柔性肌電電極的應(yīng)用，發(fā)表了一系列高水平文章（Li et al., ACS Nano, 2021; Chen et al., Nat. Chem. Biol., 2022; Zhu et al., Adv. Mater., 2022; Zhao et al., ACS AMI, 2022; Wang et al., IEEE. Trans. Biomed. Eng., 2021, 圖9）。針對(duì)高密度肌電的采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)，邁爾諾醫(yī)療推出了可實(shí)現(xiàn)從4通道到256通道、從有線連接到無(wú)線連接的電生理信號(hào)采集系統(tǒng)（見(jiàn)文末）。
圖9：柔性高密度肌電電極的研究（Li et al., ACS Nano, 2021; Chen et al., Nat. Chem. Biol., 2022; Zhu et al., Adv. Mater., 2022; Zhao et al., ACS AMI, 2022）
研究展望
未來(lái)，對(duì)神經(jīng)-肌肉系統(tǒng)功能信息的檢測(cè)將從功能信息模態(tài)和功能信息維度兩個(gè)方面不斷發(fā)展（圖10）。在功能信息模態(tài)方面，其已從以往的單一功能信息（電、血氧、代謝等）的檢測(cè)，轉(zhuǎn)向多模功能信息（電+血氧+代謝等）的檢測(cè)，并將繼續(xù)發(fā)展為復(fù)合模態(tài)信息（生理信息+結(jié)構(gòu)信息）的檢測(cè)。在功能信息維度方面，其則將從當(dāng)前的一維生理信息檢測(cè)和二維生理信息檢測(cè)，發(fā)展為三維生理信息的檢測(cè)。
圖10：神經(jīng)-肌肉系統(tǒng)功能信息檢測(cè)和分析的發(fā)展趨勢(shì)
便攜式高密度肌電（HD-sEMG）采集系統(tǒng)
高密度肌電測(cè)試系統(tǒng)由 64 通道（最大支持256通道）無(wú)線高密度肌電信號(hào)采集系統(tǒng)以及專用分析軟件組成。能進(jìn)行肌電信號(hào)采集，具備在運(yùn)動(dòng)條件下測(cè)量數(shù)據(jù)的能力，具有良好的兼容性與擴(kuò)展性且支持離線采集。該系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于人機(jī)交互、腦機(jī)接口、虛擬現(xiàn)實(shí)、智能假肢、康復(fù)醫(yī)療以及運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練等領(lǐng)域。
豐富的配件
分布式多通道常規(guī)肌電圖，每組4、8、16通道傳感器（最大256通道）
32/64 通道 8 x 8 HD-EMG 網(wǎng)格可以根據(jù)客戶需求定制不同的電極間距電極片（8mm / 10mm / ...）傳感器
分散式高密度肌電，每組4、8、16通道傳感器（最大256通道）
可重復(fù)使用 4 / 8 / 16 / 32 / 64通道高密度織物肌電傳感器（支持定制）
高密度肌電采集分析軟件
主要優(yōu)勢(shì)：
1、多模態(tài)數(shù)據(jù)同步模塊，可實(shí)現(xiàn)多種信號(hào)實(shí)時(shí)同步傳輸；
2、可配置設(shè)備的采集參數(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步采集功能，可顯示實(shí)時(shí)波形、實(shí)時(shí)頻譜圖、實(shí)時(shí)電勢(shì)圖和3D模型姿態(tài)；
3、自定義動(dòng)作序列播放功能，并用Mark點(diǎn)標(biāo)記動(dòng)作事件信息；
軟件操作界面
支持肌電、心電、腦電、慣性信號(hào)、血氧、血壓的多種信號(hào)聯(lián)合采集，并配置設(shè)備采集參數(shù)
實(shí)時(shí)顯示設(shè)備的連接狀態(tài)、電量和信號(hào)強(qiáng)度
實(shí)時(shí)顯示波形
實(shí)時(shí)頻譜圖、時(shí)域頻譜
肌肉疲勞分析
自定義動(dòng)作序列播放功能，并用Mark點(diǎn)標(biāo)記動(dòng)作事件信息，不同動(dòng)作序列用不同顏色表示
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