高密度肌电（HD-sEMG）在吞咽与发音评估方面的应用|迈尔诺官网-专注生物信号采集

高密度肌电（HD-sEMG）在吞咽与发音评估方面的应用

导读

吞咽是维持人类生存最基本的生理功能，为人体生命健康提供必须的营养物质；发音则是保持社会交流最重要的生理功能，是人类与外界进行信息交流的重要途径。吞咽和发音功能的正常维系都依赖面部肌肉和颈部肌肉的运动收缩和协调工作，这些肌肉一旦发生损伤或病变，就会使得吞咽和发音功能受到不同程度的影响，甚至引起吞咽障碍或构音障碍。表面肌电（sEMG）是利用电极在皮肤表面采集到的微弱电压信号，sEMG信号与肌肉的活动情况和功能状态间有着较强的关联性，可以在不同程度上体现出相应神经肌肉的活动水平。然而目前吞咽和发音相关的临床和研究大多采用少量电极采集sEMG信号，因信息量有限无法对吞咽和发音功能做出全面的了解与评估。由于使用电极数量有限，不能准确捕捉到引起吞咽或发音异常的受损肌群，也因此无法实现对受损肌群进行有效的功能康复训练，从而限制了吞咽和发音障碍的临床康复效果。针对目前吞咽和发音功能理论研究和临床应用中存在的问题，本研究提出采用高密度表面肌电技术，研究吞咽、发音过程中面颈部肌肉群的电生理功能及协同工作机制，建立多模态吞咽功能和发音功能生理信息评价系统，为吞咽障碍、构音障碍患者的临床诊断提供更加准确、无创、客观的新理论和新方法。

本章主要表明：高密度表面肌电技术可以用以实现吞咽和发音过程的动态可视化，呈现面部和颈部肌肉的动态活动情况及协同工作机制，从而实现吞咽功能和发音功能的客观评估，可以为吞咽及发音患者的病因诊断和靶向干预提供实验基础和客观依据。

吞咽

吞咽是人类生存活动最基本的功能，是食物经咀嚼而形成的食团由口腔运送入胃的过程，健全的吞咽功能可以为人体生命健康所必须的营养物质的摄取提供基本保障；发音则是人类社会交流的基本功能，是人们与外界进行信息交流的重要途径，更是社会文明进步的桥梁。吞咽和发音两种活动之间有着密切的关系，在吞咽、发音活动产生和执行过程中，都需要依赖许多相同的器官和肌肉，比如口腔、咽喉、咬肌、下颏肌群等。一旦与吞咽（发音）活动相关的器官和神经组织发生病变，都可以导致相应的肌肉出现异常，使得吞咽和发音功能受到不同程度的影响，从而引起吞咽障碍（或构音障碍），进而严重影响人们的正常生活，甚至危害到生命。因此，研究基于神经肌肉信息融合的吞咽与发音功能评估方法，可为客观评估与诊断吞咽障碍和构音障碍提供理论依据和技术基础。

神经肌肉相关疾病会导致吞咽障碍（或构音障碍）

正常发音与构音障碍

嗓音是人的“第二张面孔”，是人们社会交流的重要媒介，是人类社会文明进步的桥梁。正常的发音功能才能提供有效、高质的嗓音，是人们进行有效沟通的基本保障。正常的发音功能是指在中枢神经系统的控制下由发音器官、肌肉进行有效的协同工作形成的。医学上通常将正常发音所涉及的器官分为8部分：主要包括肺、膈肌（动力），声带、假声带（振动），咽腔、喉腔（共鸣），唇、齿（构语）。构音障碍是指与发音相关的神经系统或组织器官发生病变，发音过程中无法给出正确指令，使得发音肌群麻痹、肌力减弱或增强从而导致发音肌群无法协调运动，引发发音功能障碍（李胜利和张庆苏，2003）。

研究者通常将广义的构音障碍划分为三大类，包括器质性、运动性、功能性三种类型，临床患者一般表现为发声困难、发音不准、咬字不清、声响声调及速率、节律异常等症状（丘卫红，2004）。器质性构音障碍是指发音过程中与发音相关的器官出现了形态异常，进而导致发音问题，临床上相关疾病的表现病症有先天性唇腭裂、先天性面裂、巨舌症、声带异常等。运动性构音障碍是由于发音相关的肌肉及神经系统病变而导致的，一般包括弛缓型、痉挛型、运动失调型、运动过少型等（李胜利，2001；燕铁斌和窦祖林，1999）。功能性构音障碍是指发音相关的器官、神经、肌肉均无异常，但发音过程会出现系统功能紊乱，出现伴随有错误构音呈固定状态的异常发音。

发音相关生理结构示意图

声带异常引起的构音障碍

吞咽障碍与构音障碍的同理性和普遍性

正常的吞咽和发音过程都是在神经系统调节下，通过控制相关肌群协同收缩来完成的。吞咽和发音活动是非常复杂的肌肉运动过程，与吞咽和发音功能相关的主要发音肌群集中在颈部和面部。其中与吞咽相关的肌群多达20多条，包括口轮匝肌、咬肌、颏下肌群、舌骨下肌群等，在肌群的协同作用下，正确完成吞咽过程，保证食物安全有序地从口腔通过食道进入胃里面（Jestrović 等，2016；周立富，2014）；而与发音相关的肌群可多达30多条，包括咬肌、鼻肌、口轮匝肌、颏下肌群等，从声带运动到共鸣构音器官的运动，涉及到的肌群大部分为小肌肉群的精细运动。相关研究表明，在吞咽和发音过程中，二者均会涉及到面颈部一些共同的肌群，比如咬肌、口轮匝肌、颏下肌群、斜角肌等，吞咽和发音是复杂的神经肌肉活动，相关肌群运动的速度、力量、范围、方向和协调性影响着吞咽和发音功能，其间任何一个肌肉功能发生异常都会导致吞咽障碍和（或）构音障碍（Flowers等，2017；Bahia等，2016；CostaandMourao，2015），其障碍程度与神经肌肉受损的程度密切相关。

解决的问题及目标

肌电信号是肌肉收缩时产生的电信号，肌电信号与肌肉的活动情况和功能状态间有着较强的关联性，所以可以在不同程度上体现出相应神经肌肉的活动水平。吞咽活动是由多达20多块肌肉通过神经调节实现有序的协同工作来完成的，单纯的利用几个表面电极不可能采集到完整吞咽过程中各项肌肉电生理活动，因此基于少量电极采集的sEMG信号无法对吞咽活动及吞咽功能障碍做出全面的了
解与评估；完整的发音过程，是通过30多块肌肉从声带运动到共鸣构音器官的运动，其间涉及到的肌群大部分为小肌肉群的精细运动，因此很难用单个或几个电极来对发音功能进行评价。现有用于对吞咽和发音活动评估的表面肌电检测手段采用的电极数量少，主要通过对少数几个与吞咽或发音过程相关的肌肉电生理活动进行分析，无法获得吞咽和发音过程中肌肉活动完整的电生理活动信息，更无法实现对吞咽和发音功能准确地进行评价和检测。另外，由于使用的肌电采集电极数量有限，不能准确捕捉到引起吞咽或发音异常或障碍的受损肌群，也就无法实现对受损肌群进行有目标的功能康复训练，从而限制了肌肉功能临床康复的效果。针对目前吞咽和发音功能研究领域和临床应用中存在的问题，本研究旨在通过采用高密度表面肌电技术，研究吞咽、发音过程中面颈部肌肉群的电生理功能及协同工作机制，建立多模态吞咽功能和发音功能生理信息评价系统，为吞咽障碍、构音障碍患者的临床诊断提供更加准确、无创、客观的检测评估新理论和新方法。

采用高密度肌电技术研究吞咽和发音功能

吞咽实验方案

吞咽实验过程中，受试者放松并坐在舒适的椅子上，上半身保持竖直，头部保持正直。吞咽过程中，受试者应避免头部转动。实验员将定量的吞咽物盛于小勺内，喂给受试者，受试者在没有听到吞咽指令时，应将食物含在口中。当听到实验员给出“吞”的指令后，开始以正常速度吞咽。对于每一位受试者，吞咽过程的高密度动态肌电数据采集分以下三个步骤：（1）静态数据采集：电极放置好后，在受试者不做任何吞咽动作的放松状态下，采集2-3分钟的高密度肌电数据作为“基线肌电信号”；（2）动态数据采集：在受试者以正常速度完成吞咽实验要求的吞咽动作时，实时同步采集高密度肌电数据；（3）静态肌电数据采集：所有吞咽实验结束后，在受试者不做任何吞咽动作的放松状态下，再次采集2-3 分钟的高密度肌电数据作为“基线肌电信号”。

吞咽实验采用96通道表面肌电电极，所有电极以二维阵列的形式分布在受试者颈部，每两个相邻的电极之间保持15mm间距，以保证覆盖在肌肉表面的电极在肌肉运动过程中不会互相碰撞，同时也保证电极之间有较小的间距，以获取足够多的信息量。96个电极以6×16的阵列排布，其中6行沿脖子方向从上到下排列，16列电极从颈部右侧到左侧排列。另外，参考电极采用织物电极手环，佩戴在受试者右手手腕上。

吞咽实验96个高密度肌电位置

吞咽实验流程

发音实验方案

发音实验涉及的主要设备是高密度肌电数据采集系统，采用120通道电极以阵列的方式均匀的分布在面颈部肌群上，高密度肌电系统采样率设置为2048Hz。发元音实验在专业声电屏蔽室内进行，背景噪声＜45dB。实验过程中，高密度肌电数据与语音数据同步采集。语音信号采用麦克风收集，麦克风离口唇15cm，与水平线呈15°角。整个实验过程中，受试者保持头部正位，发音实验过程中保持不做吞咽动作，受试者根据实验人员指令完成实验。

为了获取较全面的肌电信息，需要足够的电极数量和较小电极间距离。根据受试者的具体情况，电极以阵列的形式按一定的间距密集地贴在面颈部肌群上。首先，为保证数据的质量使用酒精棉清洁每一个电极，同时对受试者面颈部皮肤进行清洁，以去掉干燥的真皮和皮肤油脂；然后采用导电膏和双面小型胶纸，以保证电极与皮肤之间的良好粘合性和导电性，确保信号质量；最后将120个表面电极以阵列的方式均匀地、左右对称的放置在面颈部皮肤表面；最后将织物电极放置在受试者的左手腕上作为参考电极。

高密度肌电电极在人体面颈部分布示意图

面颈部电极阵列分布示意图

为了研究不同嗓音负荷下对发声运动过程中肌电的影响，发音实验主要涉及了音调变化时发3个元音（[a:]、[i:]、[ə:]），面颈部肌电的采集与分析。具体实验方案如下：（1）分别用50dB/70dB/85dB音量，分别发[a:]、[i:]、[ə:]3个元音，每个元音为一组实验，每组元音重复发声3次，每组实验之间休息2-5分钟；（2）连续音量变化实验，用连续变化音量（低音量-高音量和高音量-低音量），分别发[a:]、[i:]、[ə:]3个元音，每个元音为一组实验，每组元音重复发声3次，每组实验之间休息5-8分钟。对于每一位受试者，发音过程的高密度动态肌电和语音数据采集分以下三个步骤：静态数据采集：电极放置好后，在受试者不做任何发音动作的放松状态下，采集2-3分钟的肌电数据作为“基线肌电信号”；动态数据采集：在受试者完成以上发音动作时，实时同步采集肌电及语音数据；静态数据采集：所有发音实验结束后，在受试者不做任何发音动作的放松状态下，再次采集2-3分钟的肌电数据作为“基线肌电信号”。

每种说话方式都包含两种语言：英语和中文。该发音实验是在受试者说话的过程中，通过多通道表面肌电从面部和颈部区域的肌肉中收集相应的高密度肌电信号。首先，在每个实验之前，受试者保持放松状态，不做任何动作或行为，以记录静息时的表面肌电作为信号的基线，记录时长为40秒；然后，要求受试者分别用有声语音和无声语音的方式，说英语和中文的十个数字（0到9）（表2.1）。在实验过程中，受试者被要求每个数字在1秒钟内说话，两个动作之间保持3秒以上的休息时间，以避免肌肉疲劳对信号质量的影响，实验过程中，每个数字重复28次。

总结

表面肌电（sEMG）信号与肌肉的活动情况和功能状态间有着较强的关联性，可以在不同程度上体现出相应神经肌肉的活动水平。然而目前吞咽和发音相关的临床和研究大多采用少量电极采集sEMG信号，因信息量有限无法对吞咽和发音功能做出全面的了解与评估。由于使用电极数量有限，不能准确捕捉到引起吞咽或发音异常的受损肌群，也因此无法实现对受损肌群进行有效的功能康复训练，从而限制了吞咽和发音障碍的临床康复效果。针对目前吞咽和发音功能理论研究和临床应用中存在的问题，本研究提出采用高密度表面肌电技术，研究吞咽、发音过程中面颈部肌肉群的电生理功能及协同工作机制，建立多模态吞咽功能和发音功能生理信息评价系统，为吞咽障碍、构音障碍患者的临床诊断提供更加准确、无创、客观的新理论和新方法。

结果表明，高密度sEMG技术可以用以实现吞咽和发音过程的动态可视化，呈现面部和颈部肌肉的动态活动情况及协同工作机制，从而实现吞咽功能和发音功能的客观评估，为吞咽及发音患者的病因诊断和靶向干预提供实验基础和客观依据。

言语发声神经电信号测量系统