本内容选译《临床语音学手册》(Manual of Clinical Phonetics)第20章Electromyography部分内容。该章节由的Jennifer M. Vojtech博士和Cara E. Stepp博士共同编写。
Jennifer M. Vojtech是一名研究科学家，毕业于波士顿大学。她在STEPP感觉运动康复工程实验室与Cara E. Stepp一起专注于开发改善语音障碍临床评估的计算方法，应用定量技术来增强用户对可替代通信设备的访问。
Cara E. Stepp是波士顿大学语言、语言和听力科学、耳鼻喉头颈外科和生物医学工程系的副教授，指导感觉运动康复工程的STEPP实验室。Stepp博士的研究是使用工程工具来改善对声音和言语的感觉运动障碍的评估和康复。
01 肌电图简介
Emil du Bois-Reymond (1848) 首次证明可以在随意收缩( [医] voluntary contraction)期间检测到人体肌肉的电活动。之后，法国科学家 Étienne Marey在1890年首先记录了这一活动，并在后来创造了肌电图或EMG这个术语。
早期的肌电图研究是为了检查与言语语音产生相关的肌肉活动，如内外喉肌和呼吸肌。早期研究者研究了特定肌群和语音之间的关系，包括喉肌(Faaborg-Andersen, Edfeldt, & Nykøbing, 1958; Hiroto, Hirano, Toyozumi, & Shin, 1967)、咽肌(Minifie, Abbs, Tarlow, & Kwaterski, 1974)以及各种口面部肌肉，还有下颌肌(Alfonso & Baer, 1982; Sussman, MacNeilage, & Hanson, 1973; Sussman, MacNeilage, & Powers, 1977; Tuller, Kelso, & Harris, 1982) 和呼吸肌(Eblen, 1963) 。研究者们也研究了独立的发音器官，如嘴唇(Gay, Ushijima, Hiroset, & Cooper, 1974; Öhman, 1967; Sussman, MacNeilage, & Hanson, 1973) 和舌头(MacNeilage & Sholes, 1964; Smith, & Hirano, 1968) 。下面将详细讨论言语障碍领域肌电图研究的生理学理论、记录技术和分析方法。
在肌肉收缩过程中，运动信息通过上位运动神经元的工作从大脑的运动皮层传递到脑干或脊髓。这些上位运动神经元与一类被称为阿尔法运动神经元(α-MNs)的下位运动神经元形成连接，然后将与运动相关的脉冲转移到标准骨骼肌纤维上。当进入骨骼肌时，α-MN的轴突分支末端与单个肌纤维进行突触间的接触；由α-MN产生的神经脉冲导致肌肉纤维收缩。一个α-MN和它所支配的所有肌肉纤维的术语被称为一个运动单位 (MU; Liddell and Sherrington, 1925)。MU被认为是骨骼肌的基本功能单位。而随意收缩( [医] voluntary contraction)的范围、力度和类型与就跟MU的数量、放电模式和频率有关(Moritani, Stegeman, & Merletti, 2004)。有充分的证据表明，肌肉收缩的力量随着MU的数量和放电频率的增加而增加。此外，运动精度与MU中存在的肌纤维的数量有关，其中肌纤维与运动神经元的比例较低，可导致更精细的运动控制。例如，喉内肌肉估计每个运动单位包含3-21个肌肉纤维(Rüedi, 1959; Santo Neto & Marques, 2008)，所有喉内肌肉的MU数量为30(Engish&Blevins，1969)。喉内肌快速精准的运动可以调节嗓音产出（如使声带振动）和呼吸。
同侧α-MNs的时空脊髓图
图源于Gogeascoechea et al. (2020) (doi: https://doi.org/10.3389/fneur.2020.00493)
当α-MN被激活时，一个动作电位通过神经元向神经末梢移动。由髓鞘组成的绝缘层允许这个电信号通过跳跃传导(salutatory conduction)沿着轴突快速移动，一直到达轴突末梢。轴突末端与肌肉纤维相连的部位称为神经肌肉交界处；这是电信号从α-MN转移到MU的肌肉纤维的地方。轴突末端（或突触球）释放一种称为乙酰胆碱的神经递质，横穿过 α-MN 和肌纤维之间的空间。这样，通过神经元的电信号就被转换成了化学信号。到达肌纤维后，乙酰胆碱与肌纤维运动终板( [医] motor end plate)上的乙酰胆碱受体结合。乙酰胆碱的流入使细胞膜去极化，如果这种去极化的幅度足够大，则会触发肌肉动作电位。化学信号因此被转换回电信号，可以沿着 MU 的肌肉纤维传递。由于 MU 的所有肌纤维同时被激活，因此肌肉动作电位统称为“运动单位动作电位 (MUAP, motor unit action potential,)”。MUAP 通过去极化肌纤维膜放大了来自α-MN 的活动，远离运动终板并沿着受神经支配的肌纤维向纤维末端传递。肌纤维的去极化刺激肌纤维内部钙离子的释放，从而引起收缩。
在一定距离处对 MUAP 的检测和记录称为肌电图 (EMG)。重要的是要注意，在通过 EMG 检测到的电激活起始与可测量到的肌肉力度之间存在大约 30-100 ms 的固有延迟（Cavanagh & Komi，1979）。由于这种延迟，肌电活动有可能在测量到肌肉力量的任何变化之前恢复到基线。下图显示了电动机械延迟的一个示例，其中检测到的颈前肌的肌电活动产生了无意义单词/ifi/。大部分EMG活动是在语音开始之前采集到的。
无意义单词/ifi/产生过程中声学信号和前颈肌活动的例子。原始的声信号（顶部面板）通过30kHz采样的头戴麦克风捕获，而舌骨上肌和舌骨下肌（下三个面板）的肌电图信号以2kHz的采用率采集，并归一化到发音人的最大随意收缩(MVC)。
02 肌电图记录技术
代表 MUAP 活动的肌电信号通过使用电极来检测。言语研究中使用的 EMG 电极主要有两种类型：
表面（皮肤）电极和肌内（线、针）电极。顾名思义，表面电极放置在皮肤表面，而肌内电极则是插入肌肉组织内。选择合适的电极类型和配置取决于所需信息的性质，因为每种类型的电极都有优点和局限。
表面电极是检测肌电信号的一种简单且无创的方法。由于表面电极必须位于皮肤表面，因此它们的使用仅限于浅表肌肉。表面电极比肌内电极大得多，因此，由于可能存在邻近信号源的串扰，它们不能被有选择地用来采集小肌肉的信号（Fuglevand、Winter、Patla 和 Stashuk，1992 ）。
肌内电极的检测体积较小，更适合检测小肌肉的肌电活动；然而，检测体积较小也导致难以重新定位电极以检测相同的MU。
为了标准化 sEMG 方法，用于肌肉无创评估的表面肌电图（SENIAM）项目提出了电极类型、配置和放置的指南。然而，遵循 SENIAM 的建议来检测言语肌肉组织的肌电活动可能存在困难，因为面部和颈部的肌肉很小，相互交叉和重叠。将这些建议应用于言语肌肉组织时应谨慎行事。
在放置表面电极之前，必须对皮肤进行适当的处理以获得高质量的 EMG 信号。这需要通过去除皮肤表面的毛发、死细胞和油脂来降低皮肤电极阻抗。SENIAM 建议如果预期的传感器部位被毛发覆盖，则应将其剃掉，然后用酒精清洁以去除皮肤上的水分（Hermens, Biomedical, C.o.t.E.C., & Programme, 1999）。虽然已经证明在皮肤上涂抹医用研磨膏可将皮肤电极阻抗降低近 90%（Merletti & Hermens, 2004），但这么做通常不够卫生而且不舒服。另一种更耐受的替代方案是将剃须和酒精处理跟使用防过敏胶带的皮肤“剥离（peeling）”相结，可以有效降低皮肤电极阻抗 40%（剃须 + 酒精）至 70%（剃须 + 酒精 + 皮肤剥离; Merletti 和 Hermens，2004 ）。皮肤剥离技术通过反复粘贴和去除防过敏性胶带以剥离皮肤表面的死细胞层。
在做好皮肤处理工作后，表面电极应平行于肌纤维的方向放置，以最大限度地提高测量到的MUAPs的传递速度，从而提高检测信号的放大器和频率内容（De Luca，1997）。应注意避免皮肤过多、脂肪过厚和骨性阻塞，从而降低信号的振幅和频率内容。肌肉的形状和大小应尽量减少来自相邻肌肉的串扰，电极不应该放置在肌肉的边缘或肌腱连接处（肌肉的肌腱插入）上。DeLuca（2002）过去的工作建议放置在肌肉腹部，因为目标肌纤维密度在这个位置是最高的。接地电极应放置在附近但明显的位置，如C7的棘突、肩峰突、眉间（前端）、鼻子或耳垂（Stepp，2012）。在使用单极电极的情况下，避免将接地电极放置在头部下方，以减少心脏活动的干扰（Willigenburg, Daffertshofer, Kingma, & van Dieën, 2012）。
下图显示了一个电极放置在颈部肌肉组织上的例子，可用于从言语和吞咽解剖学中得到表面肌电图。通过单个差分电极对颏下表面的表面记录可以检测到二腹肌前腹部和下颌舌骨肌在阻力下降低下颌已经吞咽等情况下的激活。可以使用单差分电极或双差分电极捕获舌骨下肌肉活动；建议选择双差分电极（如下图 所示），能够最大限度地减少所有电极触点共有的表面肌肉组织的串扰，从而减少传导量（Rutkove，2007）。
颈前肌肉图显示。（a）可能有助于表面记录的舌骨上（绿色）和舌骨下（蓝色）肌肉，以及（b）建议的传感器放置位置，电极平行于肌肉体（与肌肉纤维相一致）的纵轴放置。
根据传感器的位置，单或双差分电极可以检测主要是胸骨舌骨和肩胛舌骨的激活。尽管甲状腺舌骨与这些肌肉位于同一区域，但由于其相对于胸骨舌骨的深度， 甲状舌骨肌不太可能对表面记录有实质性贡献（Stepp，2012）。将电极放置在颈前肌上时，必须注意产生的信号可能会被颈阔肌的活动所污染，颈阔肌是一种薄的、浅表的肌肉，被认为在吞咽时会被激活（Palmer, Luschei, Jaffe, & McCulloch, 1999） 以及在说话时作为口轮匝肌的拮抗肌（McClean & Sapir, 1980）。
肌内电极是喉部 EMG 的常见选择。这是因为在使用表面电极时，在喉内肌相对较深的位置不太可能检测到信号。与表面电极一样，在插入电极之前必须首先做好皮肤处理。局部麻醉剂可用于减少电极针插入时的不适感。研究人员必须利用解剖标志作为进针的参考（见Heman-Ackah, Mandel, Manon-Espaillat, Abaza, & Sataloff, 2007; O’Dwyer, Quinn, Guitar, Andrews, & Neilson, 1981）。当适用时，表面电极可用作参考电极。在肌内电极插入过程中，电极放置可以通过检查发音人特殊动作（例如发 /i/、吞咽、微笑）时的 EMG 信号活动来验证。
03 肌电图信号采集
由于肌电信号相对较弱，在采集前应使用适当的肌电设备对信号进行识别和放大。这些步骤可能包括一个预放大模块，以及硬件或软件滤波器、额外的放大步骤和模数转换（A/D）。肌电信号受到噪声的高度影响（例如，电力线干扰或荧光灯产生的电磁辐射）。差分放大是降噪的一种方法。这种技术放大了两个电极之间的电位差异，并放大了这些差异。除了应用差分放大来降低噪声外，还应对肌电信号进行过滤，以测量肌电信号的有效带宽。国际电生理学和运动机能学学会报告说，肌电号的功率为5到450赫兹，肌肉肌电号为5到1500赫兹。运动工件可能产生0-20赫兹的信号，因此，应使用高通滤波器切断10至20赫兹（De Luca, Gilmore, Kuznetsov, & Roy, 2010）。可使用硬件（数字化之前）或软件（数字化后）进行过滤。硬件滤波优先避免混叠（即当模拟信号采样时）。从这一步开始，模拟肌电信号应该通过A/D转换进行数字化，用来进行可视化和分析。
当从多个MU中采样时，检测到的肌电信号是MUAP异步求和的结果。因此，肌电号可以被称为干扰模式或补充模式。MU呈现为振幅、时长、相位、上升时间和放电频率的尖峰，这种尖峰根据 MU内肌肉纤维的数量及其同步程度而变化。这种活动可以通过检查信号幅度和频率来评估。
EMG 信号的频率与 MUAP 的个体特性（例如尺寸）以及它们与记录电极的距离有关。可以提取频率信息来监测肌肉疲劳率和评估肌肉聚合水平（例如Boucher, Ahmarani, & Ayad, 2006; Koutsos, & Georgiou, 2014; Walker, Davis, Avela, & Häkkinen, 2012）。肌肉疲劳是由于乳酸在肌肉中的持续激活而积聚起来的。积累的乳酸会降低细胞外液的 pH 值，从而增加动作电位持续时间。反过来，这会导致传导速度下降以及收缩电位更大的整体扩散。平均频率和中位频率可以捕捉到传导速度的这种变化，随着MUAP异步性的增加而减少。另一方面，肌肉聚合的程度是由活跃的MUAPs的数量来调节的。因为MUAP脉冲序列倾向于以更高的频率放电。
04 结论
EMG在研究言语产出的神经肌肉方面有很大的潜力。肌电图是一种客观和定量的手段，可以评估语言障碍（如构音障碍）的不规则运动模式的病理生理学，也可以应用生物反馈来治疗异常的言语产出。虽然言语语言障碍领域已经有很多研究，但必须进一步努力开发可控的、标准化的生物反馈治疗方法。EMG 的临床应用有望阐明言语产生的生理机制；但是，必须进一步开发这项技术以降低成本以及明确测量协议，用以获得简单、易于解释且有效的数据收集技术。
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