基于肌電地形圖評估腰部外骨骼對腰背部肌肉活動的作用研究
導語
腰背痛（Low Back Pain，LBP）是一種常見的神經肌肉骨骼病變癥狀。2020年的國際頂級醫學期刊Lancet的一篇研究報告顯示，全球每3人中就有1人需要接受康復治療，其中占比最多的就是腰背痛患者，達到了5.6億人。這些腰背痛患者的疼痛癥狀極易反復發作，需長期接受康復治療，這樣不但會對患者的運動功能產生障礙，還會給其心理上蒙上巨大陰影，嚴重影響正常生活和工作，給家庭和社會帶來長期的負擔。在今年的中國生物醫學工程大會康復工程分會中，姜乃夫副研究員報告了一項基于肌電地形圖評估腰部外骨骼對腰背部肌肉活動的作用研究，現特把報告內容分享給大家。
研究背景
相對于疼痛發生后的康復治療，在疼痛發生之前就對腰背痛提前干預，可以減少腰背痛發病率，更有效地降低腰背痛對患者和社會的影響。腰部外骨骼助力技術就是這樣一種早期干預手段，其通過輔助人體進行腰部負重運動，減輕腰部肌肉負載，可幫助降低腰背痛一大誘因——腰背部肌肉過度疲勞——的產生風險。
圖1：國內外腰部外骨骼研究進展
對腰部外骨骼的研究是國內外研究熱點，其主要需求在于如何提高外骨骼助力效率，降低腰背部肌肉活動能耗。通過采集腰背部表面肌電信號，分析腰背部肌肉活動，是當前評估腰背部肌肉活動能耗的重要手段，廣泛應用于腰部外骨骼助力效率的評估研究中。但以往單一肌電電極的使用，無法檢測出腰背部肌肉的病變位置，也很難評估腰背部不同肌肉之間的協同作用。高密度肌電等多通道表面肌電電極陣列技術提供了一種解決方法，其在吞咽障礙、偏癱、截肢等方面已取得了很多研究成果。因此，本課題組采用多通道表面肌電電極陣列，采集并分析腰背部肌電地形圖信息，評估腰部外骨骼對腰背部肌肉活動的作用效果。
圖2：研究需求及當前解決方法
研究方法
十名被招募的受試者被要求在三種外骨骼佩戴狀態下完成兩項動作任務：（1）重復10次的重物上下搬運（動態周期性搬運任務）；（2）維持重物搬起的姿勢，直到腰背部肌肉的疲勞完全無法承受（靜態疲勞維持任務）。三種外骨骼佩戴狀態分別為未佩戴外骨骼的狀態（NoExo）、有佩戴外骨骼但外骨骼未工作的狀態（OffExo）、有配戴外骨骼且外骨骼已工作的狀態（OnExo）。一個表面肌電電極陣列被均勻放置在腰背部皮膚表面，以記錄任務進行中的肌電信號。然后通過計算各個通道肌電信號的均方根值（Root Mean Square, RMS）和中頻值（Median Frequency, MDF），構建RMS肌電地形圖與MDF肌電地形圖，并提取平均像素值、重心分布值和熵值等特征參數，以量化評估腰背部肌肉活動。
圖3：研究方法框圖
研究結果
通過肌電地形圖及其特征參數的分析，可以發現在腰部動態周期性搬運任務中，相對于未佩戴外骨骼狀態，佩戴外骨骼狀態下的椎旁肌大部分區域顯示出更強的能量活動特性，這在肌電地形圖重心坐標值特征參數中可量化體現。而地形圖平均像素值等特征參數在NoExo和OnExo兩種外骨骼佩戴狀態下，并未顯示出顯著性差異，這說明腰部外骨骼在腰部動態周期性搬運任務中對腰背部肌肉的減負效果較差。而在靜態疲勞維持任務中，通過分析肌電地形圖，可以看到佩戴已工作的外骨骼時，能夠顯著減緩腰背部肌肉疲勞的產生過程。
圖4：動態周期性搬運任務下的肌電地形圖
圖5：靜態疲勞維持任務下的肌電地形圖
總結
這些發現說明外骨骼的重量在外骨骼設計中仍然是一個重要的考量元素，需要通過平衡外骨骼重量和外骨骼助力能力，以提高外骨骼助力效率。而基于多通道表面肌電陣列的肌電地形圖分析方法，可以為腰部外骨骼系統的設計提供一種可靠有效的分析工具。
便攜式電生理測試系統
高密度肌電測試系統由 64 通道（最大支持256通道）無線高密度肌電信號采集系統以及專用分析軟件組成。能進行肌電信號采集，具備在運動條件下測量數據的能力，具有良好的兼容性與擴展性且支持離線采集。該系統可廣泛應用于人機交互、腦機接口、虛擬現實、智能假肢、康復醫療以及運動訓練等領域。
豐富的配件
分布式多通道常規肌電圖，每組4、8、16通道傳感器（最大256通道）
32/64 通道 8 x 8 HD-EMG 網格可以根據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
如果您對肌電腰部外骨骼研究感興趣，請與我們聯系！
聲明：文章僅用于學術交流，不用于商業行為，若有侵權及疑問，請后臺留言，管理員即時刪侵！
