• 高密度阵列式表面肌电的应用：一系列选项

人体是一个复杂的神经通路网络。对于任何运动，以及为了我们能够与周围的世界互动，来自大脑的信息需要成功传递到肌肉。在过去的几年里，检测和破译大脑如何控制运动的技术不断发展。评估人体运动以及不同肌肉对力产生的贡献的一种常见方法是使用表面肌电图（sEMG 或 EMG）。肌电图是一种实验技术，涉及记录和分析由肌纤维膜状态的生理变化形成的肌电信号。通过深入了解肌肉兴奋的状态，研究人员、临床医生、体育从业者和工程师能够确定：

1、所涉及的肌肉力量水平——整体肌电图信号幅度。

2、肌肉之间的协调性 ——肌肉的激活时间来评估。

3、肌肉疲劳的影响——肌电图信号频率成分的探索。

4、神经控制策略——大脑如何适应训练或外部刺激。

然而，在过去十年中，高密度阵列式表面肌电图(HD-sEMG)的使用日益普及。在许多应用中，肌肉激活可以被视为在肌肉的整个区域上相对均匀。然而，随着我们不断发展电生理学中的方法和技术，更多的证据表明肌肉不同区域之间的激活策略是异质的。本文将提供有关 HD-sEMG 在一系列场景中的背景、应用的更多信息。

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。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。

高密度阵列式表面肌电被定义为使用四个或更多紧密间隔的电极来深入了解肌肉中肌电激发的空间分布。传统肌电图可以深入了解肌肉的整体激活策略，而高密度阵列式表面肌电提供了了解区域兴奋的窗口，从而了解肌肉内部或肌肉之间局部运动单位的募集和调节。

同时，高密度阵列式表面肌电解决了传统表面积电信噪比低的问题，可提供骨骼肌发力可视化图，且由于其无创、易于被受试者接收等原因，被逐步应用到在肌纤维传导速度测定、运动动作分析、肌肉力量评估和运动单位数目估计等方面，允许在神经生理学、神经康复、工程学、运动科学、人体工程学和临床干预评估领域提出新问题。

肌肉内观察到的非均匀兴奋模式反映在肌肉不同区域的不同行为上，其原因是多因素的。变化可能取决于关节的位置、激活的持续时间和水平，甚至收缩的速度。因此，在某些情况下，获得肌电图信号的空间表示并了解其如何随时间变化是有帮助的。

当评估皮肤表面的信号时，幅度代表该区域的局部活跃肌纤维。因此，如果肌肉纤维通过运动神经元的神经驱动，优先在肌肉的某些区域募集，那么当在地形图上显示时，皮肤表面的肌电图信号的幅度将以此为特征。

当采用二维 HD-sEMG 栅格电极时，可以考虑运动单元动作电位（MUAP）传播的平行和垂直方向上的振幅变化。通过记录二维区域内的振幅变化，我们可以评估局部运动单位如何被募集以及为什么发生的，以提供关于运动控制和人类运动的新反馈。

虽然 HD-sEMG 在神经肌肉系统评估中有广泛的应用，但以下领域是研究领域中最常见的一些领域。

1 疼痛和疲劳

对于健康或无痛的人类来说，当执行一系列重复或可能引起疲劳的任务时，肌肉会将活动重新分配到肌肉的不同区域，从而最大限度地减少某个特定区域的负荷。这是一种旨在帮助减少局部疲劳或疼痛发作的机制，因为人们发现患有慢性肌肉骨骼疼痛的患者在整个任务期间不会将活动重新分配到肌肉的不同区域。

转载自 Abboud, J.、Nougarou, F.、Pagé, I. 等人。非特异性慢性腰痛患者的躯干运动变异性。欧洲应用生理学杂志 114 , 2645–2654 (2014)。

能够减轻疼痛和/或疲劳的患者和运动员倾向于在重复或持续任务期间将肌纤维重新分配到肌肉的不同区域。这使它们仍然能够产生足够的力量来完成任务，但不会在肌肉的特定区域引起局部超负荷。

通过使用 HD-sEMG，可以评估区域激活是否发生变化，从而最大限度地减少局部、持续和反复出现的疼痛或疲劳的影响。

2 运动表现

在运动表现应用中使用 HD-sEMG 可以让教练、训练员和从业者进一步了解肌肉兴奋的区域差异，从而进一步为力量和体能计划或避免受伤技术提供更有针对性的方法。

肌肉内不同区域的优先募集被认为是神经肌肉系统的适应性，以避免局部超负荷造成潜在损伤，或提高神经肌肉性能。例如，在腿筋肌肉的近端和远端部分中发现了肌肉特定的区域变化，以在不同的练习过程中提高表现并减轻损伤诱发机制。

转载自 Cerone GL、Nicola R、Caruso M、Rossanigo R、Cereatti A、Vieira TM。跑步速度会改变 80m 短跑中股二头肌内的兴奋分布。Scand J Med Sci Sports。2023；00：1-12。

3 神经康复

在不同的疾病人群中，区域分布的变化被认为意味着相关机械或神经缺陷的适应不良。

例如，在中风人群中，研究表明中风幸存者的肌肉结构发生了变化，包括肌纤维损失和整体运动单位数量减少。拉苏尔等人。(2015)（中风幸存者肌肉激活的空间分析 - PubMed (nih.gov)）在比较中风后受影响和未受影响的肢体时显示了振幅聚类的区域变化。

在受影响的一侧看到的激活区域的整体收缩可能是肌肉萎缩的迹象。虽然 sEMG 的空间模式可能指的是肌肉内运动单位募集的机制，但这种模式在不同力量水平上的一致性证实了不随力量需求而改变的机制的存在，因此运动单位数量的潜在损失来自中枢神经系统下行通路的去神经支配或破坏。

转载自 Rasool G、Afsharipour B、Suresh NL、Xiaogang Hu、Rymer WZ。中风幸存者肌肉激活的空间分析。年国际会议 IEEE 工程医学生物协会。2015；2015：6058-61。

通过使用 HDsEMG，可以通过评估肌电信号的区域分布及其与特定干预措施的关系如何变化来测量疾病进展或康复结果。

4 肌电控制

采用多通道肌电传感器为模式识别算法提供大量输入数据，以创建更自然、直观的人机界面。通过使用 HD-sEMG 解码人类运动意图，可以将区域肌肉激活的离散模式映射到控制输出，从而以更高的自由度复制多功能假肢的特定运动。

转载自Atzori, M.、Gijsberts, A.、Castellini, C.等人。非侵入性自然控制机械手假肢的肌电图数据。 科学数据 1，140053（2014）

当使用截肢者的肌电信号来控制外部设备时，HD-sEMG 提供了进一步的选择，以提高从残肢获取功能信号的可靠性。由于截肢者经常因肌肉结构的变化或肌肉萎缩而在剩余肢体上出现并发症，因此更大程度的空间信息可能有助于更好地了解肌肉激活。

同样，为了扩大肌电控制中肌电图的潜在实际应用，需要更少的专业知识来使用该技术。使用标准双极肌电图解码运动模式以在肌电控制内进行映射需要将电极放置在特定肌肉上。这可能会限制更多新手用户获得准确的信号。多通道肌电图记录设置增加了肌电信号的空间采样，因此不太强调电极在特定肌肉上的放置。

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