深入研究 sEMG 作為生物反饋方式背后的科學(xué)
信號(hào)從您的大腦傳輸?shù)侥募∪猓俚侥谋砻婕‰妶D (sEMG) 傳感器，最后出現(xiàn)在您的屏幕上。本文介紹了這次旅行，并為臨床醫(yī)生提供了有關(guān)使用 sEMG 生物反饋的最佳實(shí)踐的指導(dǎo)。
sEMG 和您的患者
您使用 sEMG 生物反饋系統(tǒng)開始與患者進(jìn)行吞咽困難練習(xí)，并在計(jì)算機(jī)屏幕上看到可能如下所示的信號(hào)（圖 1）。即使您以前從未使用過 sEMG，您也可以很快推斷出，當(dāng)您的患者吞咽時(shí)，藍(lán)線上升，而當(dāng)您的患者放松時(shí)，藍(lán)線是平的。但是這條線對(duì)于您的患者吞咽意味著什么？為什么垂直軸以 mV（微伏）為單位？牛頓（N）不是力的單位嗎？或者也許是千帕 (kPa) 表示壓力？
這些都是很好的問題，我希望在本文中回答它們。我的目標(biāo)是讓每個(gè)有興趣了解它的人都可以使用我認(rèn)為是一項(xiàng)美麗的技術(shù)。
圖 1. 吞咽工作站的典型 sEMG 生物反饋顯示。
從大腦到肌肉當(dāng)然，我們的旅程始于大腦。我們知道我們的大腦充滿了電化學(xué)活動(dòng)。據(jù)說成人大腦包含超過 800 億個(gè)神經(jīng)元（Azevedo 等，2009）。這幾乎和我們銀河系中的恒星一樣多！這些小神經(jīng)元中的每一個(gè)每秒都可以發(fā)送多個(gè)信息（稱為動(dòng)作電位），讓您可以做任何事情：從拿起筆到閱讀這篇文章，再到安全有效地吞咽。動(dòng)作電位是沿著神經(jīng)元細(xì)胞發(fā)送的信息。神經(jīng)遞質(zhì)是神經(jīng)元細(xì)胞之間傳遞的信息。動(dòng)作電位是沿軸突長度（神經(jīng)元的長尾狀部分）傳播的短暫電事件，并最終觸發(fā)神經(jīng)遞質(zhì)的釋放（圖 2）。這些動(dòng)作電位最終被皮膚表面的 sEMG 傳感器接收到。
圖 2. 動(dòng)作電位是沿著神經(jīng)元細(xì)胞發(fā)送的信息。
它們導(dǎo)致突觸間隙（神經(jīng)元之間的空間）中神經(jīng)遞質(zhì)的釋放。如果這張圖片中的手臂就像神經(jīng)元，動(dòng)作電位就是沿著手臂長度發(fā)送的信息，而字母則相當(dāng)于神經(jīng)遞質(zhì)。
大多數(shù)閱讀本文的人可能已經(jīng)熟悉從大腦皮層到腦神經(jīng)再到肌肉纖維的信息（動(dòng)作電位）（圖 3）。在圖 3 所示的示例中，可以看到三叉神經(jīng)下頜支的神經(jīng)支配著二腹肌的前腹部 (Kim & Loukas, 2019)。極好的！但是這些信號(hào)是如何導(dǎo)致肌肉運(yùn)動(dòng)的呢？
圖 3. 從大腦皮層到下頜支 (CN V3) 再到二腹肌纖維前腹的信號(hào)示例。
二腹肌的前腹部，就像大多數(shù)吞咽肌肉一樣，有橫紋（Shaw & Martino, 2013）。如果我們?cè)絹碓浇胤糯笏覀儠?huì)發(fā)現(xiàn)來自這些類型肌肉的細(xì)胞（稱為肌纖維）由肌原纖維組成，肌原纖維由肌節(jié)組成，而肌節(jié)又由微小的重復(fù)組成 含有肌動(dòng)蛋白和肌球蛋白絲的單元。現(xiàn)在我們真的放大了！沒關(guān)系，我們需要接近這一點(diǎn)。正是這些細(xì)絲的作用最終導(dǎo)致了我們所謂的肌肉收縮。圖 3（藍(lán)線）中的神經(jīng)元稱為運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元。當(dāng)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元接觸肌肉時(shí)，動(dòng)作電位會(huì)在肌肉細(xì)胞內(nèi)擴(kuò)散并引發(fā)連鎖反應(yīng)，最終導(dǎo)致肌肉收縮。為了維持肌肉收縮（而不僅僅是簡單的抽搐），必須反復(fù)激活。從肌肉到傳感器這些小信息（動(dòng)作電位）是 sEMG 傳感器在皮膚表面接收到的信息。這意味著 sEMG 傳感器不會(huì)測(cè)量肌肉收縮的結(jié)果，例如力（牛頓）或壓力（千帕）。相反，sEMG 傳感器會(huì)檢測(cè)肌肉收縮（微伏）之前和期間發(fā)生的電化學(xué)事件（Vigotsky、Halperin、Lehman、Trajano 和 Vieira，2017 年）（圖 4）。在這位作者的偏見看來，這讓 sEMG 傳感器變得超級(jí)酷，因?yàn)樗鼈兛梢愿嬖V您更多信息！
圖 4. 導(dǎo)致肌肉收縮產(chǎn)生的力的事件和可能拾取這些事件的不同生物反饋傳感器。
sEMG 傳感器檢測(cè)皮膚水平的動(dòng)作電位，因此，這些動(dòng)作電位可能來自皮膚表面下的不同肌肉。例如，放置在頦下區(qū)域的傳感器可能會(huì)從二腹肌前腹部接收信號(hào)，也可能從下頜舌骨和頸闊肌接收信號(hào)。因此，sEMG 信號(hào)可能會(huì)因傳感器放置的細(xì)微差異而有所不同。此外，信號(hào)或信息僅僅由于已經(jīng)穿過脂肪和皮膚組織的所有層到達(dá)傳感器而經(jīng)歷了一些修改。從傳感器到屏幕傳感器接收到的 sEMG 信號(hào)由您正在使用的設(shè)備記錄并進(jìn)行進(jìn)一步修改，這次不是來自您身體自身的組織，而是由生物醫(yī)學(xué)工程師編程。雖然這些修改的基本原理在不同公司是相同的，但在如何實(shí)現(xiàn)方面存在細(xì)微差別。這些修改可能包括使信號(hào)更大（放大）和使信號(hào)全部為正（整流）。還可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波以去除或減少電噪聲和運(yùn)動(dòng)偽影（Stepp，2012）。最后，信號(hào)可能會(huì)變成平滑的輪廓或“包絡(luò)”，以便于解釋（平滑）。由此產(chǎn)生的 sEMG 信號(hào)形狀（如圖 1 所示）很容易快速解釋，臨床醫(yī)生可以使用它來監(jiān)測(cè)肌肉活動(dòng)。這意味著一家公司的 100mV 可能是另一家公司的 95mV。肌電圖生物反饋和吞咽練習(xí)當(dāng)與患者合作時(shí)，表面肌電生物反饋可用于教授和練習(xí)各種吞咽練習(xí)。例如，正常吞咽的表面肌電信號(hào)可能看起來像一個(gè)簡單的峰值（圖5，（a））。當(dāng)完成強(qiáng)力吞咽時(shí)，信號(hào)的形狀可能看起來像正常吞咽，但峰值更高（圖5，（b））。這是因?yàn)楦嗟呐赡軐?dǎo)致更多的運(yùn)動(dòng)單位被招募，因此傳感器檢測(cè)到更多的動(dòng)作電位。另一方面，當(dāng)完成門德爾松動(dòng)作吞咽時(shí)，信號(hào)的形狀將改變?yōu)轭愃朴谑苋讼矏鄣慕?jīng)典電影《第三類親密接觸》中的平坦山峰（圖5，（c））。這是因?yàn)殡S著時(shí)間的推移，肌肉持續(xù)收縮。
圖 5. sEMG信號(hào)示例來自（a）正常吞咽、（b）強(qiáng)力吞咽和（c）門德爾松動(dòng)作吞咽練習(xí)。
在臨床中使用 sEMG 的一些重要要點(diǎn)是什么
-
sEMG 信號(hào)是肌肉興奮的重要指標(biāo)。
-
sEMG 信號(hào)是在診所或家中進(jìn)行吞咽運(yùn)動(dòng)的絕佳輔助手段（Albuquerque、Pernambuco、da Silva、Chateaubriand 和 da Silva，2019 年）。它可以用作生物反饋，讓人們意識(shí)到肌肉收縮（例如，用于教育）和相對(duì)肌肉收縮（例如，在吞咽過程中引起更多努力或持續(xù)時(shí)間更長的收縮）。
-
由于 sEMG 信號(hào)本身可能會(huì)因會(huì)話而異，因此應(yīng)將校準(zhǔn)值用于臨床目標(biāo)。這意味著臨床醫(yī)生不應(yīng)將給定的幅度 mV 作為目標(biāo)，而應(yīng)使用百分比（例如，在該會(huì)話中獲得的常規(guī)吞咽的 90%、110%、200%，用于該傳感器放置）。
-
生物反饋可用于通過向患者展示漸進(jìn)式改善和跟蹤他們對(duì)鍛煉計(jì)劃的依從性來養(yǎng)成習(xí)慣。
-
可以使用對(duì)患者（例如，更短的進(jìn)餐時(shí)間）和臨床醫(yī)生（例如，吞咽安全性和效率的儀器評(píng)估）都有意義的結(jié)果來衡量進(jìn)展。
-
當(dāng)您可以訪問可以使用復(fù)雜技術(shù)提取信息的狡猾數(shù)據(jù)科學(xué)家時(shí)，sEMG 信號(hào)可以提供非常豐富的信息。在那之前，使用 sEMG 的最佳方法是作為生物反饋（而不是對(duì)力量產(chǎn)生的前/后測(cè)量）。用另一位作者的話來說，
-
“總的來說，旨在得出有關(guān)肌肉力量產(chǎn)生的結(jié)論的 sEMG 研究 [...] 當(dāng)僅基于 sEMG 幅度時(shí)是有問題的。通常，為了得出機(jī)械結(jié)論，需要更先進(jìn)的 sEMG 處理和建模技術(shù)。” （Vigotsky 等人，2017 年）。
參考
Albuquerque, L. C. A., Pernambuco, L., da Silva, C. M., Chateaubriand, M. M., & da Silva, H. J. (2019). Effects of electromyographic biofeedback as an adjunctive therapy in the treatment of swallowing disorders: a systematic review of the literature. Eur Arch Otorhinolaryngol, 276(4), 927-938. doi:10.1007/s00405-019-05336-5
Azevedo, F. A., Carvalho, L. R., Grinberg, L. T., Farfel, J. M., Ferretti, R. E., Leite, R. E., . . . Herculano-Houzel, S. (2009). Equal numbers of neuronal and nonneuronal cells make the human brain an isometrically scaled-up primate brain. Journal of Comparative Neurology, 513(5), 532-541. doi:10.1002/cne.21974
Kim, S. D., & Loukas, M. (2019). Anatomy and variations of digastric muscle. Anatomy and Cell Biology, 52(1), 1-11. doi:10.5115/acb.2019.52.1.1
Shaw, S. M., & Martino, R. (2013). The normal swallow: muscular and neurophysiological control. Otolaryngologic Clinics of North America, 46(6), 937-956.
doi:10.1016/j.otc.2013.09.006Stepp, C. E. (2012). Surface Electromyography for Speech and Swallowing Systems: Measurement, Analysis, and Interpretation. Journal of Speech, Language, and Hearing Research, 55(4), 1232-1246. doi:10.1044/1092-4388(2011/11-0214)
Vigotsky, A. D., Halperin, I., Lehman, G. J., Trajano, G. S., & Vieira, T. M. (2017). Interpreting Signal Amplitudes in Surface Electromyography Studies in Sport and Rehabilitation Sciences. Frontiers of Physiology, 8, 985. doi:10.3389/fphys.2017.00985
01
便攜式多模態(tài)生物信號(hào)傳感器
一種把動(dòng)態(tài)PPG、血氧SPO、慣性傳感器、肌電傳感器、皮膚電傳感器、皮溫傳感器集成在一個(gè)可穿戴式手環(huán)設(shè)備中的生物信號(hào)采集設(shè)備，可用于數(shù)據(jù)研究、產(chǎn)品開發(fā)、方案驗(yàn)證和試驗(yàn)分析。
使用此款產(chǎn)品可以做什么？
我們提供數(shù)據(jù)記錄服務(wù)，可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行自定義處理，可用于POC、原型或研究中的輔助證據(jù)。
使用我們的大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，可以輕松的訪問，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化分析與研究。
基于我們的項(xiàng)目進(jìn)行二次開發(fā)，快速實(shí)現(xiàn)自己的應(yīng)用程序。
應(yīng)用領(lǐng)域
癲癇、抑郁癥、睡眠障礙、帕金森氏病、運(yùn)動(dòng)康復(fù)、情緒監(jiān)測(cè)、肌肉萎縮、手勢(shì)識(shí)別、動(dòng)作行為預(yù)測(cè)、運(yùn)動(dòng)捕捉、機(jī)械手臂、焦慮癥
分布式多通道無線表面肌電采集系統(tǒng)
該系統(tǒng)可以在有限的通道數(shù)內(nèi)，最大限度地獲取人體肌肉在運(yùn)動(dòng)中的信息。結(jié)合九軸數(shù)據(jù)，可以適用于更多的應(yīng)用場(chǎng)景，尤其是在混合控制方面提高了系統(tǒng)對(duì)于動(dòng)作跟蹤捕捉的準(zhǔn)確性，兼顧肌電與慣性傳感器兩種獲取動(dòng)作信息的方法，提高了分布式系統(tǒng)動(dòng)作識(shí)別的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性，減少了實(shí)現(xiàn)動(dòng)作跟隨的代價(jià)。
肌電信號(hào)采集方法主要有針電極和表面電極兩類。針電極作為有創(chuàng)方法發(fā)展最早，也是目前臨床肌肉相關(guān)疾病診斷的標(biāo)準(zhǔn)。但針電極刺入人體肌肉會(huì)帶來疼痛，為了減輕患者的痛苦，隨后又開發(fā)出了表面電極，但該方法難以取代針電極作為診斷措施。
03
便攜式高密度腦肌電采集系統(tǒng)
肌電信號(hào)采集方法主要有針電極和表面電極兩類。針電極作為有創(chuàng)方法發(fā)展最早，也是目前臨床肌肉相關(guān)疾病診斷的標(biāo)準(zhǔn)。但針電極刺入人體肌肉會(huì)帶來疼痛，為了減輕患者的痛苦，隨后又開發(fā)出了表面電極，但該方法難以取代針電極作為診斷措施。
針電極因?yàn)榍秩胧剑梢灾苯荧@得運(yùn)動(dòng)單元信息作為肌肉疾病診斷的依據(jù)；表面肌肉電極雖然可以獲取運(yùn)動(dòng)意圖信息，但難以還原出運(yùn)動(dòng)單元信號(hào)。為了解決這個(gè)問題，人們開發(fā)了高密度表面肌電電極，高密度表面肌電信號(hào)可以通過信號(hào)分解算法還原出運(yùn)動(dòng)單元信息。
本產(chǎn)品由32/64通道無線高密度腦/肌電信號(hào)采集系統(tǒng)（最大可擴(kuò)展256通道），以及專用軟件分析系統(tǒng)組成。能同時(shí)兼顧腦電和肌電的采集需要，具備獨(dú)有的在運(yùn)動(dòng)條件下測(cè)量數(shù)據(jù)的能力，良好的兼容性與擴(kuò)展性，在連接不穩(wěn)定或者設(shè)備離線情況下均能保證數(shù)據(jù)不丟失。
如果您對(duì)肌電圖感興趣，請(qǐng)與我們聯(lián)系！
聲明：文章僅用于學(xué)術(shù)交流，不用于商業(yè)行為，若有侵權(quán)及疑問，請(qǐng)后臺(tái)留言，管理員即時(shí)刪侵！
