高密度陣列式表面肌電的應(yīng)用：一系列選項(xiàng)
人體是一個復(fù)雜的神經(jīng)通路網(wǎng)絡(luò)。對于任何運(yùn)動，以及為了我們能夠與周圍的世界互動，來自大腦的信息需要成功傳遞到肌肉。在過去的幾年里，檢測和破譯大腦如何控制運(yùn)動的技術(shù)不斷發(fā)展。評估人體運(yùn)動以及不同肌肉對力產(chǎn)生的貢獻(xiàn)的一種常見方法是使用表面肌電圖（sEMG 或 EMG）。肌電圖是一種實(shí)驗(yàn)技術(shù)，涉及記錄和分析由肌纖維膜狀態(tài)的生理變化形成的肌電信號。通過深入了解肌肉興奮的狀態(tài)，研究人員、臨床醫(yī)生、體育從業(yè)者和工程師能夠確定：
1、所涉及的肌肉力量水平——整體肌電圖信號幅度。
2、肌肉之間的協(xié)調(diào)性 ——肌肉的激活時間來評估。
3、肌肉疲勞的影響——肌電圖信號頻率成分的探索。
4、神經(jīng)控制策略——大腦如何適應(yīng)訓(xùn)練或外部刺激。
然而，在過去十年中，高密度陣列式表面肌電圖(HD-sEMG)的使用日益普及。在許多應(yīng)用中，肌肉激活可以被視為在肌肉的整個區(qū)域上相對均勻。然而，隨著我們不斷發(fā)展電生理學(xué)中的方法和技術(shù)，更多的證據(jù)表明肌肉不同區(qū)域之間的激活策略是異質(zhì)的。本文將提供有關(guān) HD-sEMG 在一系列場景中的背景、應(yīng)用的更多信息。
相對于針電極肌電，表面肌電在測量上具有非侵入性、無創(chuàng)傷、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)。隨著表面肌電信號采集技術(shù)的改進(jìn)，其從傳統(tǒng)的單極肌電、雙極肌電、線性肌電陣列等簡單的一維肌電采集方案，發(fā)展為高密度肌電陣列等復(fù)雜的二維肌電采集方案。
高密度陣列式表面肌電被定義為使用四個或更多緊密間隔的電極來深入了解肌肉中肌電激發(fā)的空間分布。傳統(tǒng)肌電圖可以深入了解肌肉的整體激活策略，而高密度陣列式表面肌電提供了了解區(qū)域興奮的窗口，從而了解肌肉內(nèi)部或肌肉之間局部運(yùn)動單位的募集和調(diào)節(jié)。
同時，高密度陣列式表面肌電解決了傳統(tǒng)表面積電信噪比低的問題，可提供骨骼肌發(fā)力可視化圖，且由于其無創(chuàng)、易于被受試者接收等原因，被逐步應(yīng)用到在肌纖維傳導(dǎo)速度測定、運(yùn)動動作分析、肌肉力量評估和運(yùn)動單位數(shù)目估計等方面，允許在神經(jīng)生理學(xué)、神經(jīng)康復(fù)、工程學(xué)、運(yùn)動科學(xué)、人體工程學(xué)和臨床干預(yù)評估領(lǐng)域提出新問題。
肌肉內(nèi)觀察到的非均勻興奮模式反映在肌肉不同區(qū)域的不同行為上，其原因是多因素的。變化可能取決于關(guān)節(jié)的位置、激活的持續(xù)時間和水平，甚至收縮的速度。因此，在某些情況下，獲得肌電圖信號的空間表示并了解其如何隨時間變化是有幫助的。
當(dāng)評估皮膚表面的信號時，幅度代表該區(qū)域的局部活躍肌纖維。因此，如果肌肉纖維通過運(yùn)動神經(jīng)元的神經(jīng)驅(qū)動，優(yōu)先在肌肉的某些區(qū)域募集，那么當(dāng)在地形圖上顯示時，皮膚表面的肌電圖信號的幅度將以此為特征。
雖然 HD-sEMG 在神經(jīng)肌肉系統(tǒng)評估中有廣泛的應(yīng)用，但以下領(lǐng)域是研究領(lǐng)域中最常見的一些領(lǐng)域。
1 疼痛和疲勞
對于健康或無痛的人類來說，當(dāng)執(zhí)行一系列重復(fù)或可能引起疲勞的任務(wù)時，肌肉會將活動重新分配到肌肉的不同區(qū)域，從而最大限度地減少某個特定區(qū)域的負(fù)荷。這是一種旨在幫助減少局部疲勞或疼痛發(fā)作的機(jī)制，因?yàn)槿藗儼l(fā)現(xiàn)患有慢性肌肉骨骼疼痛的患者在整個任務(wù)期間不會將活動重新分配到肌肉的不同區(qū)域。 
能夠減輕疼痛和/或疲勞的患者和運(yùn)動員傾向于在重復(fù)或持續(xù)任務(wù)期間將肌纖維重新分配到肌肉的不同區(qū)域。這使它們?nèi)匀荒軌虍a(chǎn)生足夠的力量來完成任務(wù)，但不會在肌肉的特定區(qū)域引起局部超負(fù)荷。
通過使用 HD-sEMG，可以評估區(qū)域激活是否發(fā)生變化，從而最大限度地減少局部、持續(xù)和反復(fù)出現(xiàn)的疼痛或疲勞的影響。
2 運(yùn)動表現(xiàn)
在運(yùn)動表現(xiàn)應(yīng)用中使用 HD-sEMG 可以讓教練、訓(xùn)練員和從業(yè)者進(jìn)一步了解肌肉興奮的區(qū)域差異，從而進(jìn)一步為力量和體能計劃或避免受傷技術(shù)提供更有針對性的方法。
肌肉內(nèi)不同區(qū)域的優(yōu)先募集被認(rèn)為是神經(jīng)肌肉系統(tǒng)的適應(yīng)性，以避免局部超負(fù)荷造成潛在損傷，或提高神經(jīng)肌肉性能。例如，在腿筋肌肉的近端和遠(yuǎn)端部分中發(fā)現(xiàn)了肌肉特定的區(qū)域變化，以在不同的練習(xí)過程中提高表現(xiàn)并減輕損傷誘發(fā)機(jī)制。
3 神經(jīng)康復(fù)
在不同的疾病人群中，區(qū)域分布的變化被認(rèn)為意味著相關(guān)機(jī)械或神經(jīng)缺陷的適應(yīng)不良。
例如，在中風(fēng)人群中，研究表明中風(fēng)幸存者的肌肉結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，包括肌纖維損失和整體運(yùn)動單位數(shù)量減少。拉蘇爾等人。(2015)（中風(fēng)幸存者肌肉激活的空間分析 - PubMed (nih.gov)）在比較中風(fēng)后受影響和未受影響的肢體時顯示了振幅聚類的區(qū)域變化。
在受影響的一側(cè)看到的激活區(qū)域的整體收縮可能是肌肉萎縮的跡象。雖然 sEMG 的空間模式可能指的是肌肉內(nèi)運(yùn)動單位募集的機(jī)制，但這種模式在不同力量水平上的一致性證實(shí)了不隨力量需求而改變的機(jī)制的存在，因此運(yùn)動單位數(shù)量的潛在損失來自中樞神經(jīng)系統(tǒng)下行通路的去神經(jīng)支配或破壞。
通過使用 HDsEMG，可以通過評估肌電信號的區(qū)域分布及其與特定干預(yù)措施的關(guān)系如何變化來測量疾病進(jìn)展或康復(fù)結(jié)果。
4 肌電控制
采用多通道肌電傳感器為模式識別算法提供大量輸入數(shù)據(jù)，以創(chuàng)建更自然、直觀的人機(jī)界面。通過使用 HD-sEMG 解碼人類運(yùn)動意圖，可以將區(qū)域肌肉激活的離散模式映射到控制輸出，從而以更高的自由度復(fù)制多功能假肢的特定運(yùn)動。
當(dāng)使用截肢者的肌電信號來控制外部設(shè)備時，HD-sEMG 提供了進(jìn)一步的選擇，以提高從殘肢獲取功能信號的可靠性。由于截肢者經(jīng)常因肌肉結(jié)構(gòu)的變化或肌肉萎縮而在剩余肢體上出現(xiàn)并發(fā)癥，因此更大程度的空間信息可能有助于更好地了解肌肉激活。
同樣，為了擴(kuò)大肌電控制中肌電圖的潛在實(shí)際應(yīng)用，需要更少的專業(yè)知識來使用該技術(shù)。使用標(biāo)準(zhǔn)雙極肌電圖解碼運(yùn)動模式以在肌電控制內(nèi)進(jìn)行映射需要將電極放置在特定肌肉上。這可能會限制更多新手用戶獲得準(zhǔn)確的信號。多通道肌電圖記錄設(shè)置增加了肌電信號的空間采樣，因此不太強(qiáng)調(diào)電極在特定肌肉上的放置。
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