《臨床語(yǔ)音學(xué)手冊(cè)》選譯：肌電圖(EMG)
本內(nèi)容選譯《臨床語(yǔ)音學(xué)手冊(cè)》(Manual of Clinical Phonetics)第20章Electromyography部分內(nèi)容。該章節(jié)由的Jennifer M. Vojtech博士和Cara E. Stepp博士共同編寫(xiě)。
Jennifer M. Vojtech是一名研究科學(xué)家，畢業(yè)于波士頓大學(xué)。她在STEPP感覺(jué)運(yùn)動(dòng)康復(fù)工程實(shí)驗(yàn)室與Cara E. Stepp一起專(zhuān)注于開(kāi)發(fā)改善語(yǔ)音障礙臨床評(píng)估的計(jì)算方法，應(yīng)用定量技術(shù)來(lái)增強(qiáng)用戶(hù)對(duì)可替代通信設(shè)備的訪問(wèn)。
Cara E. Stepp是波士頓大學(xué)語(yǔ)言、語(yǔ)言和聽(tīng)力科學(xué)、耳鼻喉頭頸外科和生物醫(yī)學(xué)工程系的副教授，指導(dǎo)感覺(jué)運(yùn)動(dòng)康復(fù)工程的STEPP實(shí)驗(yàn)室。Stepp博士的研究是使用工程工具來(lái)改善對(duì)聲音和言語(yǔ)的感覺(jué)運(yùn)動(dòng)障礙的評(píng)估和康復(fù)。
01 肌電圖簡(jiǎn)介
Emil du Bois-Reymond (1848) 首次證明可以在隨意收縮( [醫(yī)] voluntary contraction)期間檢測(cè)到人體肌肉的電活動(dòng)。之后，法國(guó)科學(xué)家 étienne Marey在1890年首先記錄了這一活動(dòng)，并在后來(lái)創(chuàng)造了肌電圖或EMG這個(gè)術(shù)語(yǔ)。
早期的肌電圖研究是為了檢查與言語(yǔ)語(yǔ)音產(chǎn)生相關(guān)的肌肉活動(dòng)，如內(nèi)外喉肌和呼吸肌。早期研究者研究了特定肌群和語(yǔ)音之間的關(guān)系，包括喉肌(Faaborg-Andersen, Edfeldt, & Nyk?bing, 1958; Hiroto, Hirano, Toyozumi, & Shin, 1967)、咽肌(Minifie, Abbs, Tarlow, & Kwaterski, 1974)以及各種口面部肌肉，還有下頜肌(Alfonso & Baer, 1982; Sussman, MacNeilage, & Hanson, 1973; Sussman, MacNeilage, & Powers, 1977; Tuller, Kelso, & Harris, 1982) 和呼吸肌(Eblen, 1963) 。研究者們也研究了獨(dú)立的發(fā)音器官，如嘴唇(Gay, Ushijima, Hiroset, & Cooper, 1974; ?hman, 1967; Sussman, MacNeilage, & Hanson, 1973) 和舌頭(MacNeilage & Sholes, 1964; Smith, & Hirano, 1968) 。下面將詳細(xì)討論言語(yǔ)障礙領(lǐng)域肌電圖研究的生理學(xué)理論、記錄技術(shù)和分析方法。
在肌肉收縮過(guò)程中，運(yùn)動(dòng)信息通過(guò)上位運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的工作從大腦的運(yùn)動(dòng)皮層傳遞到腦干或脊髓。這些上位運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元與一類(lèi)被稱(chēng)為阿爾法運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元(α-MNs)的下位運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元形成連接，然后將與運(yùn)動(dòng)相關(guān)的脈沖轉(zhuǎn)移到標(biāo)準(zhǔn)骨骼肌纖維上。當(dāng)進(jìn)入骨骼肌時(shí)，α-MN的軸突分支末端與單個(gè)肌纖維進(jìn)行突觸間的接觸；由α-MN產(chǎn)生的神經(jīng)脈沖導(dǎo)致肌肉纖維收縮。一個(gè)α-MN和它所支配的所有肌肉纖維的術(shù)語(yǔ)被稱(chēng)為一個(gè)運(yùn)動(dòng)單位 (MU; Liddell and Sherrington, 1925)。MU被認(rèn)為是骨骼肌的基本功能單位。而隨意收縮( [醫(yī)] voluntary contraction)的范圍、力度和類(lèi)型與就跟MU的數(shù)量、放電模式和頻率有關(guān)(Moritani, Stegeman, & Merletti, 2004)。有充分的證據(jù)表明，肌肉收縮的力量隨著MU的數(shù)量和放電頻率的增加而增加。此外，運(yùn)動(dòng)精度與MU中存在的肌纖維的數(shù)量有關(guān)，其中肌纖維與運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的比例較低，可導(dǎo)致更精細(xì)的運(yùn)動(dòng)控制。例如，喉內(nèi)肌肉估計(jì)每個(gè)運(yùn)動(dòng)單位包含3-21個(gè)肌肉纖維(Rüedi, 1959; Santo Neto & Marques, 2008)，所有喉內(nèi)肌肉的MU數(shù)量為30(Engish&Blevins，1969)。喉內(nèi)肌快速精準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)可以調(diào)節(jié)嗓音產(chǎn)出（如使聲帶振動(dòng)）和呼吸。
同側(cè)α-MNs的時(shí)空脊髓圖
圖源于Gogeascoechea et al. (2020) (doi: https://doi.org/10.3389/fneur.2020.00493)
當(dāng)α-MN被激活時(shí)，一個(gè)動(dòng)作電位通過(guò)神經(jīng)元向神經(jīng)末梢移動(dòng)。由髓鞘組成的絕緣層允許這個(gè)電信號(hào)通過(guò)跳躍傳導(dǎo)(salutatory conduction)沿著軸突快速移動(dòng)，一直到達(dá)軸突末梢。軸突末端與肌肉纖維相連的部位稱(chēng)為神經(jīng)肌肉交界處；這是電信號(hào)從α-MN轉(zhuǎn)移到MU的肌肉纖維的地方。軸突末端（或突觸球）釋放一種稱(chēng)為乙酰膽堿的神經(jīng)遞質(zhì)，橫穿過(guò) α-MN 和肌纖維之間的空間。這樣，通過(guò)神經(jīng)元的電信號(hào)就被轉(zhuǎn)換成了化學(xué)信號(hào)。到達(dá)肌纖維后，乙酰膽堿與肌纖維運(yùn)動(dòng)終板( [醫(yī)] motor end plate)上的乙酰膽堿受體結(jié)合。乙酰膽堿的流入使細(xì)胞膜去極化，如果這種去極化的幅度足夠大，則會(huì)觸發(fā)肌肉動(dòng)作電位。化學(xué)信號(hào)因此被轉(zhuǎn)換回電信號(hào)，可以沿著 MU 的肌肉纖維傳遞。由于 MU 的所有肌纖維同時(shí)被激活，因此肌肉動(dòng)作電位統(tǒng)稱(chēng)為“運(yùn)動(dòng)單位動(dòng)作電位 (MUAP, motor unit action potential,)”。MUAP 通過(guò)去極化肌纖維膜放大了來(lái)自α-MN 的活動(dòng)，遠(yuǎn)離運(yùn)動(dòng)終板并沿著受神經(jīng)支配的肌纖維向纖維末端傳遞。肌纖維的去極化刺激肌纖維內(nèi)部鈣離子的釋放，從而引起收縮。
在一定距離處對(duì) MUAP 的檢測(cè)和記錄稱(chēng)為肌電圖 (EMG)。重要的是要注意，在通過(guò) EMG 檢測(cè)到的電激活起始與可測(cè)量到的肌肉力度之間存在大約 30-100 ms 的固有延遲（Cavanagh & Komi，1979）。由于這種延遲，肌電活動(dòng)有可能在測(cè)量到肌肉力量的任何變化之前恢復(fù)到基線。下圖顯示了電動(dòng)機(jī)械延遲的一個(gè)示例，其中檢測(cè)到的頸前肌的肌電活動(dòng)產(chǎn)生了無(wú)意義單詞/ifi/。大部分EMG活動(dòng)是在語(yǔ)音開(kāi)始之前采集到的。
無(wú)意義單詞/ifi/產(chǎn)生過(guò)程中聲學(xué)信號(hào)和前頸肌活動(dòng)的例子。原始的聲信號(hào)（頂部面板）通過(guò)30kHz采樣的頭戴麥克風(fēng)捕獲，而舌骨上肌和舌骨下肌（下三個(gè)面板）的肌電圖信號(hào)以2kHz的采用率采集，并歸一化到發(fā)音人的最大隨意收縮(MVC)。
02 肌電圖記錄技術(shù)
代表 MUAP 活動(dòng)的肌電信號(hào)通過(guò)使用電極來(lái)檢測(cè)。言語(yǔ)研究中使用的 EMG 電極主要有兩種類(lèi)型：
表面（皮膚）電極和肌內(nèi)（線、針）電極。顧名思義，表面電極放置在皮膚表面，而肌內(nèi)電極則是插入肌肉組織內(nèi)。選擇合適的電極類(lèi)型和配置取決于所需信息的性質(zhì)，因?yàn)槊糠N類(lèi)型的電極都有優(yōu)點(diǎn)和局限。
表面電極是檢測(cè)肌電信號(hào)的一種簡(jiǎn)單且無(wú)創(chuàng)的方法。由于表面電極必須位于皮膚表面，因此它們的使用僅限于淺表肌肉。表面電極比肌內(nèi)電極大得多，因此，由于可能存在鄰近信號(hào)源的串?dāng)_，它們不能被有選擇地用來(lái)采集小肌肉的信號(hào)（Fuglevand、Winter、Patla 和 Stashuk，1992 ）。
肌內(nèi)電極的檢測(cè)體積較小，更適合檢測(cè)小肌肉的肌電活動(dòng)；然而，檢測(cè)體積較小也導(dǎo)致難以重新定位電極以檢測(cè)相同的MU。
為了標(biāo)準(zhǔn)化 sEMG 方法，用于肌肉無(wú)創(chuàng)評(píng)估的表面肌電圖（SENIAM）項(xiàng)目提出了電極類(lèi)型、配置和放置的指南。然而，遵循 SENIAM 的建議來(lái)檢測(cè)言語(yǔ)肌肉組織的肌電活動(dòng)可能存在困難，因?yàn)槊娌亢皖i部的肌肉很小，相互交叉和重疊。將這些建議應(yīng)用于言語(yǔ)肌肉組織時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎行事。
在放置表面電極之前，必須對(duì)皮膚進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚硪垣@得高質(zhì)量的 EMG 信號(hào)。這需要通過(guò)去除皮膚表面的毛發(fā)、死細(xì)胞和油脂來(lái)降低皮膚電極阻抗。SENIAM 建議如果預(yù)期的傳感器部位被毛發(fā)覆蓋，則應(yīng)將其剃掉，然后用酒精清潔以去除皮膚上的水分（Hermens, Biomedical, C.o.t.E.C., & Programme, 1999）。雖然已經(jīng)證明在皮膚上涂抹醫(yī)用研磨膏可將皮膚電極阻抗降低近 90%（Merletti & Hermens, 2004），但這么做通常不夠衛(wèi)生而且不舒服。另一種更耐受的替代方案是將剃須和酒精處理跟使用防過(guò)敏膠帶的皮膚“剝離（peeling）”相結(jié)，可以有效降低皮膚電極阻抗 40%（剃須 + 酒精）至 70%（剃須 + 酒精 + 皮膚剝離; Merletti 和 Hermens，2004 ）。皮膚剝離技術(shù)通過(guò)反復(fù)粘貼和去除防過(guò)敏性膠帶以剝離皮膚表面的死細(xì)胞層。
在做好皮膚處理工作后，表面電極應(yīng)平行于肌纖維的方向放置，以最大限度地提高測(cè)量到的MUAPs的傳遞速度，從而提高檢測(cè)信號(hào)的放大器和頻率內(nèi)容（De Luca，1997）。應(yīng)注意避免皮膚過(guò)多、脂肪過(guò)厚和骨性阻塞，從而降低信號(hào)的振幅和頻率內(nèi)容。肌肉的形狀和大小應(yīng)盡量減少來(lái)自相鄰肌肉的串?dāng)_，電極不應(yīng)該放置在肌肉的邊緣或肌腱連接處（肌肉的肌腱插入）上。DeLuca（2002）過(guò)去的工作建議放置在肌肉腹部，因?yàn)槟繕?biāo)肌纖維密度在這個(gè)位置是最高的。接地電極應(yīng)放置在附近但明顯的位置，如C7的棘突、肩峰突、眉間（前端）、鼻子或耳垂（Stepp，2012）。在使用單極電極的情況下，避免將接地電極放置在頭部下方，以減少心臟活動(dòng)的干擾（Willigenburg, Daffertshofer, Kingma, & van Die?n, 2012）。
下圖顯示了一個(gè)電極放置在頸部肌肉組織上的例子，可用于從言語(yǔ)和吞咽解剖學(xué)中得到表面肌電圖。通過(guò)單個(gè)差分電極對(duì)頦下表面的表面記錄可以檢測(cè)到二腹肌前腹部和下頜舌骨肌在阻力下降低下頜已經(jīng)吞咽等情況下的激活。可以使用單差分電極或雙差分電極捕獲舌骨下肌肉活動(dòng)；建議選擇雙差分電極（如下圖 所示），能夠最大限度地減少所有電極觸點(diǎn)共有的表面肌肉組織的串?dāng)_，從而減少傳導(dǎo)量（Rutkove，2007）。
頸前肌肉圖顯示。（a）可能有助于表面記錄的舌骨上（綠色）和舌骨下（藍(lán)色）肌肉，以及（b）建議的傳感器放置位置，電極平行于肌肉體（與肌肉纖維相一致）的縱軸放置。
根據(jù)傳感器的位置，單或雙差分電極可以檢測(cè)主要是胸骨舌骨和肩胛舌骨的激活。盡管甲狀腺舌骨與這些肌肉位于同一區(qū)域，但由于其相對(duì)于胸骨舌骨的深度， 甲狀舌骨肌不太可能對(duì)表面記錄有實(shí)質(zhì)性貢獻(xiàn)（Stepp，2012）。將電極放置在頸前肌上時(shí)，必須注意產(chǎn)生的信號(hào)可能會(huì)被頸闊肌的活動(dòng)所污染，頸闊肌是一種薄的、淺表的肌肉，被認(rèn)為在吞咽時(shí)會(huì)被激活（Palmer, Luschei, Jaffe, & McCulloch, 1999） 以及在說(shuō)話時(shí)作為口輪匝肌的拮抗肌（McClean & Sapir, 1980）。
肌內(nèi)電極是喉部 EMG 的常見(jiàn)選擇。這是因?yàn)樵谑褂帽砻骐姌O時(shí)，在喉內(nèi)肌相對(duì)較深的位置不太可能檢測(cè)到信號(hào)。與表面電極一樣，在插入電極之前必須首先做好皮膚處理。局部麻醉劑可用于減少電極針插入時(shí)的不適感。研究人員必須利用解剖標(biāo)志作為進(jìn)針的參考（見(jiàn)Heman-Ackah, Mandel, Manon-Espaillat, Abaza, & Sataloff, 2007; O’Dwyer, Quinn, Guitar, Andrews, & Neilson, 1981）。當(dāng)適用時(shí)，表面電極可用作參考電極。在肌內(nèi)電極插入過(guò)程中，電極放置可以通過(guò)檢查發(fā)音人特殊動(dòng)作（例如發(fā) /i/、吞咽、微笑）時(shí)的 EMG 信號(hào)活動(dòng)來(lái)驗(yàn)證。
03 肌電圖信號(hào)采集
由于肌電信號(hào)相對(duì)較弱，在采集前應(yīng)使用適當(dāng)?shù)募‰娫O(shè)備對(duì)信號(hào)進(jìn)行識(shí)別和放大。這些步驟可能包括一個(gè)預(yù)放大模塊，以及硬件或軟件濾波器、額外的放大步驟和模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）。肌電信號(hào)受到噪聲的高度影響（例如，電力線干擾或熒光燈產(chǎn)生的電磁輻射）。差分放大是降噪的一種方法。這種技術(shù)放大了兩個(gè)電極之間的電位差異，并放大了這些差異。除了應(yīng)用差分放大來(lái)降低噪聲外，還應(yīng)對(duì)肌電信號(hào)進(jìn)行過(guò)濾，以測(cè)量肌電信號(hào)的有效帶寬。國(guó)際電生理學(xué)和運(yùn)動(dòng)機(jī)能學(xué)學(xué)會(huì)報(bào)告說(shuō)，肌電號(hào)的功率為5到450赫茲，肌肉肌電號(hào)為5到1500赫茲。運(yùn)動(dòng)工件可能產(chǎn)生0-20赫茲的信號(hào)，因此，應(yīng)使用高通濾波器切斷10至20赫茲（De Luca, Gilmore, Kuznetsov, & Roy, 2010）。可使用硬件（數(shù)字化之前）或軟件（數(shù)字化后）進(jìn)行過(guò)濾。硬件濾波優(yōu)先避免混疊（即當(dāng)模擬信號(hào)采樣時(shí)）。從這一步開(kāi)始，模擬肌電信號(hào)應(yīng)該通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行數(shù)字化，用來(lái)進(jìn)行可視化和分析。
當(dāng)從多個(gè)MU中采樣時(shí)，檢測(cè)到的肌電信號(hào)是MUAP異步求和的結(jié)果。因此，肌電號(hào)可以被稱(chēng)為干擾模式或補(bǔ)充模式。MU呈現(xiàn)為振幅、時(shí)長(zhǎng)、相位、上升時(shí)間和放電頻率的尖峰，這種尖峰根據(jù) MU內(nèi)肌肉纖維的數(shù)量及其同步程度而變化。這種活動(dòng)可以通過(guò)檢查信號(hào)幅度和頻率來(lái)評(píng)估。
EMG 信號(hào)的頻率與 MUAP 的個(gè)體特性（例如尺寸）以及它們與記錄電極的距離有關(guān)。可以提取頻率信息來(lái)監(jiān)測(cè)肌肉疲勞率和評(píng)估肌肉聚合水平（例如Boucher, Ahmarani, & Ayad, 2006; Koutsos, & Georgiou, 2014; Walker, Davis, Avela, & H?kkinen, 2012）。肌肉疲勞是由于乳酸在肌肉中的持續(xù)激活而積聚起來(lái)的。積累的乳酸會(huì)降低細(xì)胞外液的 pH 值，從而增加動(dòng)作電位持續(xù)時(shí)間。反過(guò)來(lái)，這會(huì)導(dǎo)致傳導(dǎo)速度下降以及收縮電位更大的整體擴(kuò)散。平均頻率和中位頻率可以捕捉到傳導(dǎo)速度的這種變化，隨著MUAP異步性的增加而減少。另一方面，肌肉聚合的程度是由活躍的MUAPs的數(shù)量來(lái)調(diào)節(jié)的。因?yàn)镸UAP脈沖序列傾向于以更高的頻率放電。
04 結(jié)論
EMG在研究言語(yǔ)產(chǎn)出的神經(jīng)肌肉方面有很大的潛力。肌電圖是一種客觀和定量的手段，可以評(píng)估語(yǔ)言障礙（如構(gòu)音障礙）的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)模式的病理生理學(xué)，也可以應(yīng)用生物反饋來(lái)治療異常的言語(yǔ)產(chǎn)出。雖然言語(yǔ)語(yǔ)言障礙領(lǐng)域已經(jīng)有很多研究，但必須進(jìn)一步努力開(kāi)發(fā)可控的、標(biāo)準(zhǔn)化的生物反饋治療方法。EMG 的臨床應(yīng)用有望闡明言語(yǔ)產(chǎn)生的生理機(jī)制；但是，必須進(jìn)一步開(kāi)發(fā)這項(xiàng)技術(shù)以降低成本以及明確測(cè)量協(xié)議，用以獲得簡(jiǎn)單、易于解釋且有效的數(shù)據(jù)收集技術(shù)。
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