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高密度陈列式表面肌电（HD-sEMG）技术及临床应用

本章主要介绍肌电信号形成的生理学基础、临床应用及高密度表面肌电仪器推荐。

1、肌电信号形成的生理学基础

1.1 神经肌肉系统

神经肌肉控制系统(Neuromuscular System)主要通过大脑皮层的运动区、脑干以及脊髓等神经结构来互相传递肌肉的运动指令。当人体需要进行活动而肌肉产生兴奋时，大脑将运动指令传输至中枢神经系统并通过激活相应的运动神经元来控制肌肉组织来获得所需的活动效果；同时，通过外来信息的反馈，神经肌肉系统也不断地协调该肌肉活动的执行过程。

α运动神经元在控制人体骨骼肌活动中起到了主导作用，其通过支配骨骼肌的梭外肌纤维，使得肌纤维拥有进行收缩的功能，从而产生肌肉活动。

1.2运动单位

运动单位(Motor Unit, MU)是神经肌肉控制系统的最小功能单位。如图1 所示，运动单位由支配它的α运动神经元、轴突、肌纤维和神经肌肉接头(终板区)组成。

图1 运动单位示意图

1.3运动单位动作电位

细胞未受到刺激而处于静息状态时，细胞膜的纳离子通道关闭，只有钾离子能够顺浓度差在细胞内外进行扩散运动，当扩散达到平衡时，细胞膜内外维持一个外正内负的稳定的细胞静息电位。肌肉细胞静息电位差大约为-80 mV到-90 mV。当细胞受到激励兴奋时，细胞膜钠离子通道打开，钾离子通道关闭，此时膜外钠离子顺浓度差流入膜内，使膜内电势迅速上升至30mV左右，膜内电位由负转正，这个过程被称为去极化。细胞在受到刺激的同时，也会将细胞膜上的钠钾泵激活，进行吸钾排钠的活动以求恢复到静息状态。因此去极化的过程会十分短暂，细胞膜内外电势差迅速下降而形成后电位，这个过程被称为复极化。肌肉细胞在受到刺激时，其膜电位由静息极化状态经历去极化和复极化的过程, 所产生的电位波动称为动作电位(Action Potential, AP)。动作电位的产生过程如图2 所示。

图2 动作电位产生过程示意图

当动作电位沿肌纤维传播，就会形成肌纤维动作电位(Muscle Fiber Action Potential, MFAP) 。一个运动神经元同时控制着多条肌纤维，在兴奋传递到肌肉时，每一条受该神经元控制的肌纤维会同时产生相应的单纤维动作电位(Single Fiber Action Potential, SFAP)。这些单纤维动作电位沿着肌纤维传播并在检测电极处会叠加形成一个单纤维动作电位和，即运动单位动作电位(Motor Unit Action Potential, MUAP)。图3展示了运动单位动作电位的形成过程。

当中枢神经系统地不断发送活动指令或者肌肉被施加连续的刺激时，运动单位将形成持续的发放过程，产生运动单位动作电位序列(Motor Unit Action Potential Train, MUAPT)-肌肉进行等长收缩时，可以认为在同一次采集过程中肌肉组织及其与检测电极的相对位置关系是稳定的，所以同一个运动单位发放的所有MUAP波形是相对稳定的，也即是认为，每一个运动单位动作电位序列是由同一个运动单位的MUAP波形持续重复发放所形成的。

图3 运动单位动作电位产生过程示意图

1.4肌电信号的形成

肌肉收缩时，所有参与肌肉控制的运动单位产生的运动单位动作电位序列经过肌肉、皮下脂肪以及皮肤组织等的滤波，在釆集电极处进行叠加，再综合釆集噪声的影响就形成了肌电信号(Electromyogram, EMG)。图4演示了肌电信号从形成到被检测到的整个过程。

图4 肌电信号形成的物理和教学模型

按照采集方式的不同，肌电信号主要分为插入式肌电(Intramuscular EMG Signal, IEMG)信号和表面肌电信号(Surface EMG Signal, sEMG)。插入式肌电信号即是将电极(通常是同心圆针电极或者线电极)插入肌肉组织内部所釆集到的肌电信号。

由于是将采集电极直接插入到肌肉组织中进行采集，电极可以很好地与肌纤维进行接触，并且由于没有过多的滤波作用，插入式肌电的釆样频率可以设置得很高(一般为10 kHz以上)。因此插入式肌电信号的主要特点是受到的干扰小，信噪比高，运动单位动作电位之间区分度大。但同时也由于插入式肌电在釆集时会对受试者的身体带来创伤和不适，其应用场景受到了一定程度的限制。而表面肌电信号则是将电极置于人体皮肤表面所采集到的肌电信号, 具有无创、安全、操作简单等特点，受试者易于接受，因此有着相对于插入式肌电有着更加广泛的应用前景。但也正由于表面肌电信号是在皮肤表面进行釆集, 信号经过了肌肉、脂肪和皮下组织等的低频滤波作用，再加上电极在皮肤表面也极容易受到工频以及电极和皮肤之间位移和抖动产生的移动伪迹等噪声的干扰, 信号信噪比相对比较低，波形相似度很高。图5展示了在同一块肌肉上同时采集的低收缩力水平下的插入式肌电和表面肌电信号（信号持续长度为2 s）,可以看到两者的显著区别。

图5 同时采集插入式肌电和表面肌电

图6 各种肌电产品点位对比

图7 各种肌电功能对比

2、肌电信号分解的硏究意义

2.1、肌电信号分解的重要性
肌电信号分解能够让研究者获得单个运动单位的募集、发放信息以及波形信息，从而能够从根本上了解中枢运动神经元的活动状态; 通过研究各个运动单位之间的发放关系，能够直观地研究肌肉之间的运动协作关系; 当肌肉疾病发生时，通过研究运动单位的发放规律的变化，可以为传统的以经验为基础的临床诊断提供帮助；在康复应用中，肌电信号的分解结果可以帮助治疗师清楚地观察患者的运动功能恢复情况，为康复治疗提供可靠的参考；在运动控制领域，肌电信号分解的结果甚至可以直接作为最基本的肌肉运动指令从而实现控制功能。

2.2、表面肌电分解的意义
相对于插入式肌电信号，表面肌电信号在采集和应用方面具有很大的优越性。前面提到,插入式肌电信号是有创的，这个特点极大地限制了插入式肌电信号在各个领域的运用。目前插入式肌电由于其较高的信号质量被主要用在临床医学诊断之中，然而其有创性的特点一样限制了其在某些疾病患者身上的应用。另外，在一些移动环境下，它的运用也会受到限制，如工作状态中、运动中、或者进行太空活动的场合等。而表面肌电信号采集只需要将电极附着在皮肤上, 信号的传输可以釆用电池或者无线等多元化手段，适用于更多釆集场合。同时由于表面肌电的检测范围更大，可以检测到相对较多的运动单位，能为了解运动单位的行为提供更加丰富的信息，同时还可以研究神经中枢对肌肉的控制机理和多块肌肉组织间的运动协调关系，对人体运动协调性研究具有重要价值。因此, 表面肌电信号比插入式肌电信号具有更广的应用场景。

3、高密度肌电临床应用指标？

Motor Fiber Conduction Velocity（MFCV）

Fatigue Spatial distribution of motor unit action potentials（MUAP）

Spatial distribution of recruitment patterns

Localization of motor end plates

》》》神经综述：肌萎缩侧索硬化下运动神经元损伤临床评估方法进展

肌萎缩侧索硬化（amytrophic lateral sclerosis，ALS）是一种累及上运动神经元（upper motorneuron，UMN；大脑皮质运动区锥体细胞）和下运动神经元（lower motor neuron，LMN；脑神经核、脊髓前角细胞）的神经系统变性疾病，主要病理改变是运动神经元的减少和残存神经元的变性，临床主要表现为球部（延髓）支配的肌肉和四肢、躯干肌肉无力和萎缩，最终进展至呼吸肌无力而死亡。ALS的UMN和LMN 之间存在复杂的相互作用，LMN损害是ALS的重要的病理生理过程。LMN损害与ALS病情严重程度和病程进展密切相关，评估LMN损害可以帮助诊断、临床分型、判断预后，并且能够评估药物试验的疗效，对临床和科研均有重要意义。目前在传统肌电图检查的基础上，又发展出一些新的检查和评价方法。本文对ALS下运动神经元损伤的临床评估方法研究进展进行综述。

ALS 的起源和传播

ALS起源于上运动神经元还是下运动神经元仍然存在较多争议。在神经元-神经元假说中，一直存在顺轴突（dying forward）损害与逆轴突（dying backward）损害两种进展方式的争论，前者认为ALS首先出现上运动神经元受累，沿皮质锥体细胞轴突顺向传播至脊髓前角细胞，而后者认为ALS早期即有下运动神经元功能障碍，这种功能改变可能是从周围神经的远端（突触前神经末梢、神经肌肉接头或者远端轴突）开始，逐渐进展至近端，最长和最大的运动轴突首先受累，随后近端更多的轴突受到累及，这种现象可能与运动神经远端代谢改变和轴浆运输减少有关。逆轴突损害的假说可以很好解释为什么ALS患者远端例如手或足肌肉常见首先受累，但不能解释延髓起病或者与远端肌肉同节段神经支配的椎旁肌肉早期受累的现象。另有一种细胞-细胞假说，该假说认为ALS起源于同一部位的上下运动神经元，同时各自沿着不同解剖结构传播，即上运动神经元向相邻运动皮质细胞，下运动神经元向相邻脊髓前角细胞进展。在脊髓中，支配远端肌肉的前角细胞位于颈膨大和腰膨大外侧，支配近端或中轴肌肉的前角细胞位于内侧，有人认为这种排列的顺序可能与疾病传播模式有关。

ALS 的LMN损伤

ALS的LMN损伤主要病理改变是脊髓前角细胞的变性和丢失，近来大量的研究报道提出前角细胞的变性是由于早期皮质运动神经过度兴奋引起，由于LMN的超极化受到皮质下行传导输入调节，长时间和高频率的皮质兴奋发放引起LMN过度超极化，导致神经损伤。ALS患者中常见的分裂手（split hand）的现象，即选择性的手部肌肉损害，其拇短展肌和第一骨间肌受累重于小指展肌，该现象支持皮质兴奋性理论。经颅磁刺激检查发现ALS中支配大鱼际肌的皮质脊髓束受累程度重于支配小鱼际肌的皮质脊髓束，支持皮质运动功能异常参与了ALS分裂手现象。兴奋性氨基酸的毒性作用与LMN易损性相关，运动神经元表达的离子通道，尤其是配体门控兴奋性氨基酸离子通道功能障碍可能导致兴奋性氨基酸毒性增加，引起神经损伤。动物模型发现在ALS疾病早期阶段，在脊髓前角细胞丢失之前，神经突触、神经肌肉接头和远端轴突已经开始出现功能异常，此时脊髓前角运动神经元数量并没有明显减少，提示LMN的病理变化可能从远端开始，逐渐向近端发展，进而导致前角细胞变性和丢失。另外，ALS 的LMN损害还表现出突触特异性，快速易疲劳的神经突触更容易早期受累，提示突触特异性与LMN早期损害相关。

ALS下运动神经元损伤的临床评估方法进展

3.1 束颤电位（fasciculation potentials，FPs）

FPs是运动单位的自发放电，其触发涉及从运动皮层到远端神经末梢不同的机制。FPs通常被认为是ALS患者肌电图上的早期典型改变，可以反映运动单位的早期功能障碍，出现时间早于其他肌电图异常。ALS相关的FPs波形具有多时相、时限长，发放频率慢的特点，而且波形不稳定，常表现出增加的抖动（Jitter）。这种形态学特征可以作为ALS诊断的生物标志物。在Awaji诊断标准中将FPs纳入ALS的电生理诊断标准，使ALS诊断的敏感性得到提高。尤其当FPs出现在既有失神经支配现象又有慢性神经再生现象的肌肉时更具有诊断意义，而若临床查体没有发现肌肉束颤现象或电生理检查没有发现束颤电位，则应怀疑ALS的诊断是否正确。值得关注的是健康人有时也可以出现FPs，称为良性FPs，其形态单一、时限短、波幅小，波形稳定，且不伴有其他神经源性损害的表现，这些特点可与异常FPs鉴别。但临床如果发现患者出现广泛的FPs，即使没有神经功能缺损，也应该进行随访以排除ALS。由于ALS相关FPs的发放频率可能很慢，在终板肌肉上使用表面活化电极可使其更容易被检测到。

3.2 复合肌肉动作电位（compound muscle action potential，CMAP）

CMAP是超强刺激后神经中所有运动轴突的同时去极化引起。CMAP通过波幅和面积来衡量大小，是功能性运动单位数量的替代指标，可反映LMN损伤和LMN损伤后的神经重新再支配（reinnervation）。慢性LMN损伤有足够代偿时间产生神经再支配，可产生CMAP正常的运动电位。而在LMN损伤快速进展的情况下，功能性神经再支配作用有限，当运动单位数量减少到正常的50％以下时，CMAP的波幅和面积均趋于减少。CMAP可用于追踪疾病进展，但因为神经再支配作用的影响，对于病情进展相对较慢的ALS患者，CMAP的变化对运动神经元损失的检测敏感性不如其他技术。目前，已有临床试验采用多组肌肉的CMAP波幅总和的变化研究ALS发展。Eisen等的研究中描述了一种新方法，通过逐渐递增刺激强度，记录从低阈值至高阈值轴突募集运动单位得出的指数曲线，该曲线能够了解运动单位存活的数量，并且从响应增量的大小可以估计运动单位的大小，但这种方法的灵敏性和可靠性尚不明确，仍待进一步研究。尽管CMAP波幅的下降不能完全反映运动神经元的丢失情况，但它是ALS神经传导检查中的重要指标，是开发其他电生理指标的基础。而且，基于LMM功能障碍先出现在神经远端的假说，CMAP下降可能反映下运动神经轴索早期损害情况，故对研究ALS疾病进程仍具有重要意义。

3.3 神经生理指数（neurophysiological Index，NI）

由于CMAP测量的局限性，目前已开发了若干新的电生理指标，其中之一是NI。NI是2000年de Carvalho等首先提出的一种评估方法，通过将CMAP波幅除以远端运动潜伏期并乘以F波的频率得到NI值，以此评估LMN 损害的程度。CMAP反映失神经和神经再支配，远端运动潜伏期反映运动轴突末端的退化，F波反映前角细胞的兴奋性，随着ALS病情进展，LMN损伤逐渐加重，出现CMAP波幅降低，远端运动潜伏期增加，F波数量减少的变化。因此该方法的优势是将被研究的神经-肌肉系统的电生理指标表示为一个整体值，综合评估LMN的损害。目前大多数研究选取尺神经支配的小指展肌（ADM）作为检测部位，研究者倾向认为尺神经在ALS疾病进程中相对保留较好，可以作为长期随访的检测部位。NI还可以用于ALS患者病情进展速度的评估，一项研究观察了进展迅速和进展缓慢的两组ALS患者，以6个月和1年为观察期，将尺神经NI与其他变量包括ALS功能量表评分、用力肺活量、肌力评分进行比较，发现尺神经NI对于ALS病情进展速度的判断较其他变量敏感性更高。

3.4 运动单位估数（motor unit number estimation，MUNE）

MUNE技术是McComas等于1971年开发的，是衡量LMN功能障碍的生物标志物之一，其基本原理是根据运动神经具有不同的兴奋阈值，在同一刺激点逐渐递增刺激强度，可获得连续的独立的运动单位电位（motor unit potential，MUP），将同一肌肉中全部运动单位的某参数（波幅或面积）除以该肌肉中单个运动单位（single motor unit potential，SMUP）的相应参数平均值，可以得出功能性运动单位的数量。

MUNE技术最初采用递增法，通过从阈下刺激递增强度的方式进行神经电刺激，在其相应支配的肌肉上获得M波，取每次递增刺激时增加的波幅平均值，得到SMUP平均波幅。但是研究者们后来很快认识到同一运动神经不同轴突可能具有相同的阈值，递增刺激不一定激活另一个运动单位，而可能交替激活两个具有相同阈值的同一神经的不同运动轴突，这一现象被称为“交替”（alternation）。为克服该问题，随后开发了多点刺激技术，使用低强度脉冲沿神经走行的不同点刺激以获得一系列低阈值运动单位电位，取其平均值来作为SMUP参数。另外，Henderson等开发了用F波响应来定义平均SMUP的大小，称为重复F波技术；由于MUNE方法通常使用表面电极，难以应用于深部肌肉，因此还开发了一种使用针级电极与表面电极相结合的方法，通过识别引起针极肌电图上棘波触发的对应表面肌电图SMUP，计算出平均值，但是此方法有侵入创伤性。高密度表面肌电图是一种快速而无创的方法，能够计算近端和远端肌肉的平均SMUP。

运动单位指数（motor unit number index，MUNIX）是一种相对新颖的评估运动单位计数的方法，该方法将电极放置在正中或尺神经支配的手部肌肉上，手部主动力量逐渐增强产生肌电图表面干扰模式（surface interference pattern，SIP），重复测试5个不同力量级别，分别确定SIP。将SIP和CMAP导入到特定软件中，确定最大CMAP和每个SIP的波幅和面积，以最大M波波幅与其面积的比率乘以SIP面积与波幅的比率而计算出MUNIX。该技术容易培训和操作，目前已在多中心研究中得到标准化，在检测LMN损失时与多点刺激方法灵敏度相当，可能是目前用于评估功能性运动单位数量的最佳方法，已作为ALS中LMN功能障碍的生物标志物之一用于临床试验。

便携式高密度肌电测试系统