本章主要介紹肌電信號形成的生理學(xué)基礎(chǔ)、臨床應(yīng)用及高密度表面肌電儀器推薦。
1、肌電信號形成的生理學(xué)基礎(chǔ)
圖1 運動單位示意圖
1.3運動單位動作電位
細胞未受到刺激而處于靜息狀態(tài)時,細胞膜的納離子通道關(guān)閉,只有鉀離子能夠順濃度差在細胞內(nèi)外進行擴散運動,當(dāng)擴散達到平衡時,細胞膜內(nèi)外維持 一個外正內(nèi)負的穩(wěn)定的細胞靜息電位。肌肉細胞靜息電位差大約為-80 mV到-90 mV。當(dāng)細胞受到激勵興奮時,細胞膜鈉離子通道打開,鉀離子通道關(guān)閉,此時膜外鈉離子順濃度差流入膜內(nèi),使膜內(nèi)電勢迅速上升至30mV左右,膜內(nèi)電位 由負轉(zhuǎn)正,這個過程被稱為去極化。細胞在受到刺激的同時,也會將細胞膜上的鈉鉀泵激活,進行吸鉀排鈉的活動以求恢復(fù)到靜息狀態(tài)。因此去極化的過程會 十分短暫,細胞膜內(nèi)外電勢差迅速下降而形成后電位,這個過程被稱為復(fù)極化。 肌肉細胞在受到刺激時,其膜電位由靜息極化狀態(tài)經(jīng)歷去極化和復(fù)極化的過程, 所產(chǎn)生的電位波動稱為動作電位(Action Potential, AP)。動作電位的產(chǎn)生過程如 圖2 所示。
圖2 動作電位產(chǎn)生過程示意圖
當(dāng)動作電位沿肌纖維傳播,就會形成肌纖維動作電位(Muscle Fiber Action Potential, MFAP) 。 一個運動神經(jīng)元同時控制著多條肌纖維,在興奮傳遞到肌肉時,每一條受該神經(jīng)元控制的肌纖維會同時產(chǎn)生相應(yīng)的單纖維動作電位(Single Fiber Action Potential, SFAP)。這些單纖維動作電位沿著肌纖維傳播并在檢測電極 處會疊加形成一個單纖維動作電位和,即運動單位動作電位(Motor Unit Action Potential, MUAP)。圖3展示了運動單位動作電位的形成過程。
當(dāng)中樞神經(jīng)系統(tǒng)地不斷發(fā)送活動指令或者肌肉被施加連續(xù)的刺激時,運動單位將形成持續(xù)的發(fā)放過程,產(chǎn)生運動單位動作電位序列(Motor Unit Action Potential Train, MUAPT)-肌肉進行等長收縮時,可以認為在同一次采集過程中肌肉組織及其與檢測電極的相對位置關(guān)系是穩(wěn)定的,所以同一個運動單位發(fā)放 的所有MUAP波形是相對穩(wěn)定的,也即是認為,每一個運動單位動作電位序列 是由同一個運動單位的MUAP波形持續(xù)重復(fù)發(fā)放所形成的。
圖3 運動單位動作電位產(chǎn)生過程示意圖
1.4肌電信號的形成
肌肉收縮時,所有參與肌肉控制的運動單位產(chǎn)生的運動單位動作電位序列經(jīng)過肌肉、皮下脂肪以及皮膚組織等的濾波,在釆集電極處進行疊加,再綜合釆集噪聲的影響就形成了肌電信號(Electromyogram, EMG)。圖4演示了肌電信號從形成到被檢測到的整個過程。
圖4 肌電信號形成的物理和教學(xué)模型
按照采集方式的不同,肌電信號主要分為插入式肌電(Intramuscular EMG Signal, IEMG)信號和表面肌電信號(Surface EMG Signal, sEMG)。插入式肌電信號即是將電極(通常是同心圓針電極或者線電極)插入肌肉組織內(nèi)部所釆集到的肌電信號。
由于是將采集電極直接插入到肌肉組織中進行采集,電極可以 很好地與肌纖維進行接觸,并且由于沒有過多的濾波作用,插入式肌電的釆樣頻率可以設(shè)置得很高(一般為10 kHz以上)。因此插入式肌電信號的主要特點是受到的干擾小,信噪比高,運動單位動作電位之間區(qū)分度大。但同時也由于插入式肌電在釆集時會對受試者的身體帶來創(chuàng)傷和不適,其應(yīng)用場景受到了一定程度的限制。而表面肌電信號則是將電極置于人體皮膚表面所采集到的肌電信號, 具有無創(chuàng)、安全、操作簡單等特點,受試者易于接受,因此有著相對于插入式肌電有著更加廣泛的應(yīng)用前景。但也正由于表面肌電信號是在皮膚表面進行釆集, 信號經(jīng)過了肌肉、脂肪和皮下組織等的低頻濾波作用,再加上電極在皮膚表面也 極容易受到工頻以及電極和皮膚之間位移和抖動產(chǎn)生的移動偽跡等噪聲的干擾, 信號信噪比相對比較低,波形相似度很高。圖5展示了在同一塊肌肉上同時采集的低收縮力水平下的插入式肌電和表面肌電信號(信號持續(xù)長度為2 s),可以看到兩者的顯著區(qū)別。
圖5 同時采集插入式肌電和表面肌電
圖6 各種肌電產(chǎn)品點位對比
圖7 各種肌電功能對比
2、肌電信號分解的硏究意義
2.1、肌電信號分解的重要性
肌電信號分解能夠讓研究者獲得單個運動單位的募集、發(fā)放信息以及波形信息,從而能夠從根本上了解中樞運動神經(jīng)元的活動狀態(tài); 通過研究各個運動單 位之間的發(fā)放關(guān)系,能夠直觀地研究肌肉之間的運動協(xié)作關(guān)系; 當(dāng)肌肉疾病發(fā)生時,通過研究運動單位的發(fā)放規(guī)律的變化,可以為傳統(tǒng)的以經(jīng)驗為基礎(chǔ)的臨床診斷提供幫助;在康復(fù)應(yīng)用中,肌電信號的分解結(jié)果可以幫助治療師清楚地觀察患者的運動功能恢復(fù)情況,為康復(fù)治療提供可靠的參考;在運動控制領(lǐng)域,肌電信號分解的結(jié)果甚至可以直接作為最基本的肌肉運動指令從而實現(xiàn)控制功能。
2.2、表面肌電分解的意義
相對于插入式肌電信號,表面肌電信號在采集和應(yīng)用方面具有很大的優(yōu)越性。前面提到,插入式肌電信號是有創(chuàng)的,這個特點極大地限制了插入式肌電信號在各個領(lǐng)域的運用。目前插入式肌電由于其較高的信號質(zhì)量被主要用在臨床醫(yī)學(xué)診斷之中,然而其有創(chuàng)性的特點一樣限制了其在某些疾病患者身上的應(yīng)用。另外,在一些移動環(huán)境下,它的運用也會受到限制,如工作狀態(tài)中、運動中、 或者進行太空活動的場合等。而表面肌電信號采集只需要將電極附著在皮膚上, 信號的傳輸可以釆用電池或者無線等多元化手段,適用于更多釆集場合。同時由于表面肌電的檢測范圍更大,可以檢測到相對較多的運動單位,能為了解運動單位的行為提供更加豐富的信息,同時還可以研究神經(jīng)中樞對肌肉的控制機理和多塊肌肉組織間的運動協(xié)調(diào)關(guān)系,對人體運動協(xié)調(diào)性研究具有重要價值。因此, 表面肌電信號比插入式肌電信號具有更廣的應(yīng)用場景。
3、高密度肌電臨床應(yīng)用指標(biāo)?
Motor Fiber Conduction Velocity(MFCV)
Fatigue Spatial distribution of motor unit action potentials(MUAP)
Spatial distribution of recruitment patterns
Localization of motor end plates
》》》神經(jīng)綜述:肌萎縮側(cè)索硬化下運動神經(jīng)元損傷臨床評估方法進展
ALS 的起源和傳播
ALS 的LMN損傷
ALS下運動神經(jīng)元損傷的臨床評估方法進展
MUNE技術(shù)最初采用遞增法,通過從閾下刺激遞增強度的方式進行神經(jīng)電刺激,在其相應(yīng)支配的肌肉上獲得M波,取每次遞增刺激時增加的波幅平均值,得到SMUP平均波幅。但是研究者們后來很快認識到同一運動神經(jīng)不同軸突可能具有相同的閾值,遞增刺激不一定激活另一個運動單位,而可能交替激活兩個具有相同閾值的同一神經(jīng)的不同運動軸突,這一現(xiàn)象被稱為“交替”(alternation)。為克服該問題,隨后開發(fā)了多點刺激技術(shù),使用低強度脈沖沿神經(jīng)走行的不同點刺激以獲得一系列低閾值運動單位電位,取其平均值來作為SMUP參數(shù)。另外,Henderson等開發(fā)了用F波響應(yīng)來定義平均SMUP的大小,稱為重復(fù)F波技術(shù);由于MUNE方法通常使用表面電極,難以應(yīng)用于深部肌肉,因此還開發(fā)了一種使用針級電極與表面電極相結(jié)合的方法,通過識別引起針極肌電圖上棘波觸發(fā)的對應(yīng)表面肌電圖SMUP,計算出平均值,但是此方法有侵入創(chuàng)傷性。高密度表面肌電圖是一種快速而無創(chuàng)的方法,能夠計算近端和遠端肌肉的平均SMUP。
運動單位指數(shù)(motor unit number index,MUNIX)是一種相對新穎的評估運動單位計數(shù)的方法,該方法將電極放置在正中或尺神經(jīng)支配的手部肌肉上,手部主動力量逐漸增強產(chǎn)生肌電圖表面干擾模式(surface interference pattern,SIP),重復(fù)測試5個不同力量級別,分別確定SIP。將SIP和CMAP導(dǎo)入到特定軟件中,確定最大CMAP和每個SIP的波幅和面積,以最大M波波幅與其面積的比率乘以SIP面積與波幅的比率而計算出MUNIX。該技術(shù)容易培訓(xùn)和操作,目前已在多中心研究中得到標(biāo)準(zhǔn)化,在檢測LMN損失時與多點刺激方法靈敏度相當(dāng),可能是目前用于評估功能性運動單位數(shù)量的最佳方法,已作為ALS中LMN功能障礙的生物標(biāo)志物之一用于臨床試驗。
便攜式高密度肌電測試系統(tǒng)
高密度肌電測試系統(tǒng)由 64 通道(最大支持256通道)無線高密度肌電信號采集系統(tǒng)以及專用分析軟件組成。能進行肌電信號采集,具備在運動條件下測量數(shù)據(jù)的能力,具有良好的兼容性與擴展性且支持離線采集。該系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于人機交互、腦機接口、虛擬現(xiàn)實、智能假肢、康復(fù)醫(yī)療以及運動訓(xùn)練等領(lǐng)域。
豐富的配件
分布式多通道常規(guī)肌電圖,每組4、8、16通道傳感器(最大256通道)
32/64 通道 8 x 8 HD-EMG 網(wǎng)格可以根據(jù)客戶需求定制不同的電極間距電極片(8mm / 10mm / ...)傳感器
分散式高密度肌電,每組4、8、16通道傳感器(最大256通道)
可重復(fù)使用 4 / 8 / 16 / 32 / 64通道高密度織物肌電傳感器(支持定制)
高密度肌電采集分析軟件
主要優(yōu)勢:
1、多模態(tài)數(shù)據(jù)同步模塊,可實現(xiàn)多種信號實時同步傳輸;
2、可配置設(shè)備的采集參數(shù),實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步采集功能,可顯示實時波形、實時頻譜圖、實時電勢圖和3D模型姿態(tài);
3、自定義動作序列播放功能,并用Mark點標(biāo)記動作事件信息;
軟件操作界面
支持肌電、心電、腦電、慣性信號、血氧、血壓的多種信號聯(lián)合采集,并配置設(shè)備采集參數(shù)
實時顯示設(shè)備的連接狀態(tài)、電量和信號強度
實時顯示波形
實時頻譜圖、時域頻譜
肌肉疲勞分析
自定義動作序列播放功能,并用Mark點標(biāo)記動作事件信息,不同動作序列用不同顏色表示
如果您對高密度表面肌電感興趣,請與我們聯(lián)系!
聲明:文章僅用于學(xué)術(shù)交流,不用于商業(yè)行為,若有侵權(quán)及疑問,請后臺留言,管理員即時刪侵!