癱瘓病人肌肉運(yùn)動意圖也能產(chǎn)生相應(yīng)控制信號
四肢癱瘓患者一般表現(xiàn)為四肢都失去運(yùn)動能力，對他們來說，最迫切的需求是恢復(fù)獨(dú)立運(yùn)動。神經(jīng)系統(tǒng)的器質(zhì)性病變目前來說一般是不可逆的，所以很難通過恢復(fù)神經(jīng)系統(tǒng)到最初功能的方式完全治愈癱瘓，所以人們一般將目光轉(zhuǎn)向基于腦機(jī)接口（BCI）的機(jī)器人手臂和外骨骼，但如何實(shí)現(xiàn)對這些機(jī)器人設(shè)備的精確控制以達(dá)到“人機(jī)合一”的效果一直以來是各研發(fā)單位迫切想解決的問題。
大腦和脊髓中的運(yùn)動神經(jīng)元可以傳遞有關(guān)運(yùn)動意圖的信息，基于BCI一般依靠這些信息控制輔助設(shè)備，如計算機(jī)、輪椅和機(jī)器人控制器，但是為了獲得這些信號的精確時空特性往往要依靠植入微電極，盡管現(xiàn)在的皮層內(nèi)BCI已經(jīng)可以達(dá)到安全有效，但其復(fù)雜手術(shù)過程和創(chuàng)傷性還是阻礙了它的推廣?？▋?nèi)基梅隆大學(xué)機(jī)械工程系和神經(jīng)科學(xué)研究所的教授Doug Weber與一個國際研究小組合作，探索利用肌電信號（EMG）來預(yù)測四肢癱瘓者的預(yù)期手勢的可能性。來自倫敦帝國學(xué)院、俄亥俄州的巴特爾紀(jì)念研究所和匹茲堡大學(xué)的合作者參與了該項(xiàng)目。其研究結(jié)果發(fā)表在《神經(jīng)生理學(xué)雜志》上。
實(shí)驗(yàn)自主開發(fā)了一種袖陣列來記錄前臂肌肉的EMG，受試在14年前遭受了脊髓損傷，他在實(shí)驗(yàn)中將接受要求嘗試彎曲和伸展手指的命令，但其無法做出任何實(shí)質(zhì)動作，檢測此時前臂肌肉EMG，并將其分解為單個活動運(yùn)動單元的活動，檢測到的EMG信號中當(dāng)受試嘗試伸展手指時其EMG較隨意伸展腕關(guān)節(jié)時弱。
下圖為正常運(yùn)動和嘗試屈伸運(yùn)動時單極肌電熱圖
下圖為模擬運(yùn)動單元的在線分解與分類實(shí)現(xiàn)
盡管沒有產(chǎn)生可觀察到的手部運(yùn)動，但在個別手指的嘗試性運(yùn)動和明顯的手腕和肘部運(yùn)動中，可以觀察到損傷水平以下的運(yùn)動神經(jīng)元活動自主聚集，說明在任務(wù)的屈曲或伸展階段，運(yùn)動單元的亞群是共同作用的，且兩種情況下的分類準(zhǔn)確率中位數(shù)都大于75%。該研究證明了一個可穿戴的傳感器陣列可以檢測嚴(yán)重頸椎損傷（SCI）后癱瘓肌肉的殘存運(yùn)動單元活動。
韋伯說："我們在實(shí)驗(yàn)室所做的很多工作都集中在協(xié)助人們恢復(fù)運(yùn)動功能，這些功能對完成日常活動是必不可少的"，“我們在工程和神經(jīng)科學(xué)的交叉點(diǎn)上工作，試圖研發(fā)出與身體功能產(chǎn)生連接的設(shè)備，并繞過因受傷或疾病而受損的神經(jīng)系統(tǒng)區(qū)域。"，這也正是BCI系統(tǒng)的定義和意義。
各種各樣的傷害都可能導(dǎo)致癱瘓或喪失運(yùn)動能力，如中風(fēng)、脊髓損傷等，有些直接傷害大腦控制中樞，有些損傷信號傳輸通路。傳統(tǒng)的理解是，脊髓損傷切斷了連接，而信號永遠(yuǎn)無法到達(dá)肌肉，因此人們認(rèn)為四肢癱瘓的人將無法產(chǎn)生可檢測到的EMG。而韋伯說："我們想挑戰(zhàn)因脊髓損傷而癱瘓的肌肉無法表達(dá)EMG的固有概念，這其中可能有表明運(yùn)動意圖的信號"，“我們使用了一個嵌入150個傳感器的袖子，可以覆蓋整個前臂，試圖找到即使在微弱到無法產(chǎn)生物理動作的肌肉中潛在的肌電信號。
商用HDEMG貼片與可穿戴袖筒陣列的記錄過程比較
匹茲堡大學(xué)生物工程博士候選人、論文第一作者Jordyn Ting說：“我們的參與者被要求執(zhí)行一項(xiàng)不可能的任務(wù)，但我們驚喜地發(fā)現(xiàn)，每一次看似失敗的移動嘗試都會在肌肉活動中產(chǎn)生微小但明顯的爆發(fā)?！边@對穿戴式設(shè)備技術(shù)是一個突破，為肌肉運(yùn)動意圖神經(jīng)元實(shí)現(xiàn)外部設(shè)備控制提供了一個可靠的解釋和潛在的研究方向。
參考鏈接
Jordyn E. Ting et al, Sensing and decoding the neural drive to paralyzed muscles during attempted movements of a person with tetraplegia using a sleeve array, Journal of Neurophysiology (2021). DOI: 10.1152/jn.00220.2021
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(jìn)行肌電信號采集，具備在運(yùn)動條件下測量數(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(shí)現(xiàn)多種信號實(shí)時同步傳輸；
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)時波形、實(shí)時頻譜圖、實(shí)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(diǎn)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(shí)時顯示設(shè)備的連接狀態(tài)、電量和信號強(qiáng)度
實(shí)時顯示波形
實(shí)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(diǎn)標(biāo)記動作事件信息，不同動作序列用不同顏色表示
如果您對肌電研究感興趣，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！
