高密度表面肌电（HD-sEMG）信息分析在神经肌肉功能康复研究|迈尔诺官网-专注生物信号采集

高密度表面肌电（HD-sEMG）信息分析在神经肌肉功能康复研究

导语

神经肌肉疾病是一种来源于神经或肌肉病变的常见疾病，严重影响患者日常生活。为了提高康复治疗效果，对其病因和病理的准确评估十分重要。高密度肌电信息分析是对神经肌肉疾病的一个重要评估手段，中科院深圳先进技术研究院李光林教授是这方面的权威专家。在今年的中国生物医学工程大会康复工程分会的特邀报告中，李光林教授系统阐述了高密度肌电技术在神经肌肉功能康复中的研究进展。

研究背景

神经-肌肉系统是人类的动能系统，支撑人体各项器官的运动活动（图1）。其主要通过中枢神经通路与外周神经通路，经神经肌肉接头，连接并控制骨骼肌、心肌、平滑肌等肌肉组织进行收缩活动，以产生期望的人体运动行为。神经-肌肉系统异常会导致众多身体功能障碍，严重影响人类健康。这些神经肌肉功能障碍包括糖尿病神经病变、吞咽功能障碍、肢体瘫痪、肌萎缩侧索硬化（渐冻人）、截肢、退行性疾病（失能）等，广泛存在于人群之中。在2020年Lancet期刊中的一篇综述研究显示，全球有17亿人存在肌肉骨骼系统异常，也就意味着每3人中就有1人需要接受康复治疗。因此，针对神经肌肉功能障碍的康复技术具有重大需求。

图1：神经-肌肉系统

为了实现对神经肌肉功能障碍的有效康复，需要精准检测人体神经肌肉的电生理信号（图2）。肌电信号就是其中一种常见的神经肌肉电生理信号。它是众多肌纤维中运动单元动作电位（Motor Unit Action Potential, MUAP）在时间和空间上的叠加，会伴随肌肉收缩而产生。对肌电信号的采集主要包括针电极采集与表面电极采集。相对于针电极肌电，表面肌电在测量上具有非侵入性、无创伤、操作简单等优点。因而，表面肌电在神经肌肉功能康复评估方面具有重要的实用价值。

图2：神经肌肉电生理信号

随着表面肌电信号采集技术的改进，其从传统的单极肌电、双极肌电、线性肌电阵列等简单的一维肌电采集方案，发展为高密度肌电阵列等复杂的二维肌电采集方案（图3）。其中高密度肌电信号由于可以提供丰富、全面的神经肌肉功能信息，在国内外开展了很多研究。本课题组也进行了相关研究，取得了许多研究成果。主要研究进展如后所示：

图3：表面肌电信号采集的发展方向

研究进展

1.肌电信号分解

肌电信号分解在高密度肌电研究中占很大比例，其主要通过进行肌电信号逆过程计算，将肌电信号还原成其基本的组成成分——运动单元动作电位序列，进而从根本上了解中枢运动神经元的活动状态，为神经肌肉功能的康复评估提供一个客观准确的工具。目前的表面肌电分解算法主要有模板匹配、盲源分离、深度学习等。在神经肌肉功能康复研究方面，周平教授课题组采用卷积核抵消（Convolution Kernel Compensation, CKC）的盲源分离算法，对卒中后偏瘫患者的手部第一骨间背侧肌高密度肌电进行了分解，可以得到患侧和健侧肌肉的运动单元放电信息。最终发现患侧的运动单元放电率小于健侧，而在运动单元放电率与肌肉收缩水平的相关性方面，患侧斜率也小于健侧斜率（图4）。D. Farina教授课题组针对接受靶向肌肉神经功能重建手术后的上肢高位截肢患者，设计盲源分离算法，分解由柔性高密度肌电电极采集到的胸部肌电信号，获得运动神经元放电信息。并基于直接比例控制方法与肌骨模型，可实现对患者上肢运动意图的准确识别，完成多自由度假肢控制（图5）。对于肌电假肢控制，高密度肌电技术还可以用于分析最优的肌电采集位置与采集数量，提高动作识别精度。

图4：基于高密度肌电分解的偏瘫研究（Li et al., IEEE. Trans. Biomed. Eng., 2015）

图5基于高密度肌电分解的多功能假肢控制研究（Farina et al., Nat. Biomed. Eng., 2017）

2.腰背痛

腰背痛是一种常见的神经肌肉骨骼疾病症状。有调查显示，成年人中高达84%在一生中会经历腰背痛，严重影响生活与工作质量。超过85%的慢性腰背痛病因不清，这也直接导致对它的诊断及康复干预效果不佳。本课题组通过获取腰背痛相关的腰背部高密度神经肌肉电生理信息，一方面构建腰背痛的准确诊断标准，另一方面设计和优化对腰背痛的康复干预方法，以帮助改善腰背痛患者生活质量。我们通过构建高密度肌电地形图，可以发现健康受试者的下背部肌肉活动存在对称效应，腰部的竖脊肌和背阔肌部分区域在腰部运动中起重要作用（图6）。此外，为了找到腰背痛经颅刺激干预的有效刺激靶点位置，我们结合高密度肌电和运动诱发电位，提出了基于运动诱发电位地形图的靶点定位方法，初步探索了可获最佳定位效果的刺激参数（Jiang et al., IEEE Trans. Neural. Syst. Rehabil. Eng., 2021, 图7）。我们还将高密度肌电应用于腰部外骨骼设计方面，分析腰背部肌肉负重，帮助改善腰部外骨骼系统设计，降低腰背痛发生风险。

图6：基于高密度肌电的腰背痛肌肉活动研究

图7：基于高密度肌电的腰背痛经颅刺激靶点定位研究（Jiang et al., IEEE Trans. Neural. Syst. Rehabil. Eng., 2021）

4.脊柱侧弯

特发性脊柱侧弯是一种高发于青少年的脊柱畸形疾病，青少年的高患病率、脊柱畸形带来的身心影响以及巨额医疗开支给患者及社会经济发展带来了持久的负面影响。因此特发性脊柱侧弯的全面科学筛查和治疗是我国重点关注的青少年健康问题之一。当前脊柱侧弯的临床诊断以体表特征和骨性畸形为主，缺乏对高度冗余的、大面积脊柱侧弯区域的神经肌肉生理信息的有效评估。本课题组基于高密度表面肌电的生理信息检测技术，评估青少年脊柱侧弯患者背部的神经肌肉电生理特征。通过对肌电信号进行时频域信号特征分析并提取神经肌肉协同矩阵，研究发现侧弯患者的肌电图表现出了与侧弯程度、侧弯位置相关的特征，可以作为脊柱侧弯筛查和评估时的重要指标（Wang et al., IEEE. Trans. Biomed. Eng., 2021, 图8）。研究还进一步探索了侧弯患者椎旁肌肉在脊柱侧弯发展进程中的作用，通过向凹侧椎旁肌注射肉毒素来探索介入后侧弯区域的神经肌肉激活及协同变化，对探索侧弯患者病因和椎旁肌作用提供了有价值的信息突破口。

图8：基于高密度肌电的特发性脊柱侧弯研究（Wang et al., IEEE. Trans. Biomed. Eng., 2021）

5.肌电柔性传感及高密度采集系统

当前高密度肌电信号的采集存在实验准备时间长、电极间距一致性差、硬质电极与柔软组织不匹配等一系列问题。此外，由于大量人体活动时的肌肉形变量较大，对电极的拉伸性能产生了一定的需求。因此，基于柔性传感的高密度肌电采集具有重大需求。本课题组设计了各种柔性传感材料，如透气透汗电极、活性器件、基于机械互锁策略的电极、高密度微针电极阵列等，探索了对高密度柔性肌电电极的应用，发表了一系列高水平文章（Li et al., ACS Nano, 2021; Chen et al., Nat. Chem. Biol., 2022; Zhu et al., Adv. Mater., 2022; Zhao et al., ACS AMI, 2022; Wang et al., IEEE. Trans. Biomed. Eng., 2021, 图9）。针对高密度肌电的采集系统设计，迈尔诺医疗推出了可实现从4通道到256通道、从有线连接到无线连接的电生理信号采集系统（见文末）。

图9：柔性高密度肌电电极的研究（Li et al., ACS Nano, 2021; Chen et al., Nat. Chem. Biol., 2022; Zhu et al., Adv. Mater., 2022; Zhao et al., ACS AMI, 2022）

研究展望

未来，对神经-肌肉系统功能信息的检测将从功能信息模态和功能信息维度两个方面不断发展（图10）。在功能信息模态方面，其已从以往的单一功能信息（电、血氧、代谢等）的检测，转向多模功能信息（电+血氧+代谢等）的检测，并将继续发展为复合模态信息（生理信息+结构信息）的检测。在功能信息维度方面，其则将从当前的一维生理信息检测和二维生理信息检测，发展为三维生理信息的检测。