基于肌電地形圖評(píng)估腰部外骨骼對(duì)腰背部肌肉活動(dòng)的作用研究
導(dǎo)語(yǔ)
腰背痛（Low Back Pain，LBP）是一種常見的神經(jīng)肌肉骨骼病變癥狀。2020年的國(guó)際頂級(jí)醫(yī)學(xué)期刊Lancet的一篇研究報(bào)告顯示，全球每3人中就有1人需要接受康復(fù)治療，其中占比最多的就是腰背痛患者，達(dá)到了5.6億人。這些腰背痛患者的疼痛癥狀極易反復(fù)發(fā)作，需長(zhǎng)期接受康復(fù)治療，這樣不但會(huì)對(duì)患者的運(yùn)動(dòng)功能產(chǎn)生障礙，還會(huì)給其心理上蒙上巨大陰影，嚴(yán)重影響正常生活和工作，給家庭和社會(huì)帶來(lái)長(zhǎng)期的負(fù)擔(dān)。在今年的中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程大會(huì)康復(fù)工程分會(huì)中，姜乃夫副研究員報(bào)告了一項(xiàng)基于肌電地形圖評(píng)估腰部外骨骼對(duì)腰背部肌肉活動(dòng)的作用研究，現(xiàn)特把報(bào)告內(nèi)容分享給大家。
研究背景
相對(duì)于疼痛發(fā)生后的康復(fù)治療，在疼痛發(fā)生之前就對(duì)腰背痛提前干預(yù)，可以減少腰背痛發(fā)病率，更有效地降低腰背痛對(duì)患者和社會(huì)的影響。腰部外骨骼助力技術(shù)就是這樣一種早期干預(yù)手段，其通過(guò)輔助人體進(jìn)行腰部負(fù)重運(yùn)動(dòng)，減輕腰部肌肉負(fù)載，可幫助降低腰背痛一大誘因——腰背部肌肉過(guò)度疲勞——的產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)。
圖1：國(guó)內(nèi)外腰部外骨骼研究進(jìn)展
對(duì)腰部外骨骼的研究是國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)，其主要需求在于如何提高外骨骼助力效率，降低腰背部肌肉活動(dòng)能耗。通過(guò)采集腰背部表面肌電信號(hào)，分析腰背部肌肉活動(dòng)，是當(dāng)前評(píng)估腰背部肌肉活動(dòng)能耗的重要手段，廣泛應(yīng)用于腰部外骨骼助力效率的評(píng)估研究中。但以往單一肌電電極的使用，無(wú)法檢測(cè)出腰背部肌肉的病變位置，也很難評(píng)估腰背部不同肌肉之間的協(xié)同作用。高密度肌電等多通道表面肌電電極陣列技術(shù)提供了一種解決方法，其在吞咽障礙、偏癱、截肢等方面已取得了很多研究成果。因此，本課題組采用多通道表面肌電電極陣列，采集并分析腰背部肌電地形圖信息，評(píng)估腰部外骨骼對(duì)腰背部肌肉活動(dòng)的作用效果。
圖2：研究需求及當(dāng)前解決方法
研究方法
十名被招募的受試者被要求在三種外骨骼佩戴狀態(tài)下完成兩項(xiàng)動(dòng)作任務(wù)：（1）重復(fù)10次的重物上下搬運(yùn)（動(dòng)態(tài)周期性搬運(yùn)任務(wù)）；（2）維持重物搬起的姿勢(shì)，直到腰背部肌肉的疲勞完全無(wú)法承受（靜態(tài)疲勞維持任務(wù)）。三種外骨骼佩戴狀態(tài)分別為未佩戴外骨骼的狀態(tài)（NoExo）、有佩戴外骨骼但外骨骼未工作的狀態(tài)（OffExo）、有配戴外骨骼且外骨骼已工作的狀態(tài)（OnExo）。一個(gè)表面肌電電極陣列被均勻放置在腰背部皮膚表面，以記錄任務(wù)進(jìn)行中的肌電信號(hào)。然后通過(guò)計(jì)算各個(gè)通道肌電信號(hào)的均方根值（Root Mean Square, RMS）和中頻值（Median Frequency, MDF），構(gòu)建RMS肌電地形圖與MDF肌電地形圖，并提取平均像素值、重心分布值和熵值等特征參數(shù)，以量化評(píng)估腰背部肌肉活動(dòng)。
圖3：研究方法框圖
研究結(jié)果
通過(guò)肌電地形圖及其特征參數(shù)的分析，可以發(fā)現(xiàn)在腰部動(dòng)態(tài)周期性搬運(yùn)任務(wù)中，相對(duì)于未佩戴外骨骼狀態(tài)，佩戴外骨骼狀態(tài)下的椎旁肌大部分區(qū)域顯示出更強(qiáng)的能量活動(dòng)特性，這在肌電地形圖重心坐標(biāo)值特征參數(shù)中可量化體現(xiàn)。而地形圖平均像素值等特征參數(shù)在NoExo和OnExo兩種外骨骼佩戴狀態(tài)下，并未顯示出顯著性差異，這說(shuō)明腰部外骨骼在腰部動(dòng)態(tài)周期性搬運(yùn)任務(wù)中對(duì)腰背部肌肉的減負(fù)效果較差。而在靜態(tài)疲勞維持任務(wù)中，通過(guò)分析肌電地形圖，可以看到佩戴已工作的外骨骼時(shí)，能夠顯著減緩腰背部肌肉疲勞的產(chǎn)生過(guò)程。
圖4：動(dòng)態(tài)周期性搬運(yùn)任務(wù)下的肌電地形圖
圖5：靜態(tài)疲勞維持任務(wù)下的肌電地形圖
總結(jié)
這些發(fā)現(xiàn)說(shuō)明外骨骼的重量在外骨骼設(shè)計(jì)中仍然是一個(gè)重要的考量元素，需要通過(guò)平衡外骨骼重量和外骨骼助力能力，以提高外骨骼助力效率。而基于多通道表面肌電陣列的肌電地形圖分析方法，可以為腰部外骨骼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一種可靠有效的分析工具。
便攜式電生理測(cè)試系統(tǒng)
高密度肌電測(cè)試系統(tǒng)由 64 通道（最大支持256通道）無(wú)線高密度肌電信號(hào)采集系統(tǒng)以及專用分析軟件組成。能進(jìn)行肌電信號(hào)采集，具備在運(yùn)動(dòng)條件下測(cè)量數(shù)據(jù)的能力，具有良好的兼容性與擴(kuò)展性且支持離線采集。該系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于人機(jī)交互、腦機(jī)接口、虛擬現(xiàn)實(shí)、智能假肢、康復(fù)醫(yī)療以及運(yùn)動(dòng)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(shì)：
1、多模態(tài)數(shù)據(jù)同步模塊，可實(shí)現(xiàn)多種信號(hào)實(shí)時(shí)同步傳輸；
2、可配置設(shè)備的采集參數(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步采集功能，可顯示實(shí)時(shí)波形、實(shí)時(shí)頻譜圖、實(shí)時(shí)電勢(shì)圖和3D模型姿態(tài)；
3、自定義動(dòng)作序列播放功能，并用Mark點(diǎn)標(biāo)記動(dòng)作事件信息；
軟件操作界面
支持肌電、心電、腦電、慣性信號(hào)、血氧、血壓的多種信號(hào)聯(lián)合采集，并配置設(shè)備采集參數(shù)
實(shí)時(shí)顯示設(shè)備的連接狀態(tài)、電量和信號(hào)強(qiáng)度
實(shí)時(shí)顯示波形
實(shí)時(shí)頻譜圖、時(shí)域頻譜
肌肉疲勞分析
自定義動(dòng)作序列播放功能，并用Mark點(diǎn)標(biāo)記動(dòng)作事件信息，不同動(dòng)作序列用不同顏色表示
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