基于高密度肌電電勢圖的正常吞咽過程可視化研究

朱明星 于 濱 方 鵬 李光林

（中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院 深圳 518055）

1 引 言

吞咽是人類維持生命最基本的生理活動之一，正常情況下，人們每天吞咽大約 600 次。吞咽動作的完成是一個復(fù)雜的生理過程，需要大腦、神經(jīng)及口腔、喉部和食道肌肉等協(xié)同工作來實現(xiàn)。正常的吞咽功能可以保證咽下的食物能有效而單向地通過食道流入胃中，同時避免進入到鼻腔或者呼吸道中。然而，一旦吞咽有關(guān)的中樞部位或神經(jīng)受損，會導(dǎo)致不同吞咽階段的神經(jīng)控制和肌肉協(xié)調(diào)出現(xiàn)問題，從而引起吞咽障礙[1]。

吞咽障礙是腦中風(fēng)、帕金森、腦外傷、鼻咽癌化療、小兒自閉癥等多種常見疾病的并發(fā)癥，在老年人群中尤為普遍。據(jù)統(tǒng)計，美國約有 1500 萬人口患有吞咽困難或與吞咽困難相關(guān)的疾病。吞咽障礙的患者無法正常進食，吞咽時會發(fā)生咳嗽、噎嗆，嚴重時甚至?xí)鹗澄镎`吸入氣管導(dǎo)致吸入性肺炎而喪生，平時只能靠植入食管直接將食物推入胃中的方式來維持日常的基本生活。因此，正確的理解正常吞咽過程中相關(guān)肌肉的活動和肌群協(xié)調(diào)性對吞咽障礙的識別和治療具有很重要的意義。

目前，在臨床上常用的吞咽評估手段主要有以下幾種[2]：X 線熒光透視檢查(VFSS)、吞咽光纖內(nèi)窺鏡檢查(FESS)[3]咽部測壓儀和超聲成像等。X 線熒光透視是通過在 X 射線下觀察鋇餐食團在口咽結(jié)構(gòu)中的移動來得到吞咽過程的病癥信息。光纖內(nèi)窺鏡檢查主要以觀察咽部解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的方式來檢查吞咽結(jié)構(gòu)是否發(fā)生病變。而咽喉部測壓法[4]能夠評估在咽喉期時食管內(nèi)壓力變化過程。因為吞咽過程涉及多塊肌肉的協(xié)調(diào)活動，而以上方法都只能夠提供一些吞咽肌肉活動的推理性信息。因此，為了觀察吞咽過程的肌肉活動，我們采用的目前最廣泛使用的表面肌電法(sEMG)在體表無創(chuàng)檢測肌肉活動。

雖然表面肌電信號被用于觀察吞咽過程的肌肉活動已經(jīng)有數(shù)十年，但大多數(shù)研究都只針對單個肌肉或幾個肌肉對[5]。這些研究通常是利用肌電幅值信息來評估吞咽的過程或識別吞咽事件。因為正常的吞咽過程涉及下頜舌骨肌、二腹肌等 26 塊肌肉的參與協(xié)調(diào)[8]，因此有限的通道(3～5 通道)無法提供吞咽過程完整的肌電信息。為了獲取盡可能多的吞咽肌電信號，本文采用了高密度電極陣列來同步捕獲吞咽相關(guān)肌群多通道表面肌電信號，以便能獲得足夠的吞咽肌肉活動信息。

高密度肌電技術(shù)[9]主要是指利用二維陣列形式的多通道表面肌電電極，覆蓋在大范圍體表區(qū)域，同步采集較大面積的多肌群肌電信號[9]，通過對信號進行空間維度的分析，來獲得體表肌電信號的空間分布信息[10]。這種新的肌電采集分析方法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于神經(jīng)康復(fù)領(lǐng)域，包括神經(jīng)肌肉紊亂的診斷[11]、肌肉功能的評價[12]、以及運動醫(yī)學(xué)[13]。據(jù)了解，目前還沒有利用高密度肌電針對吞咽過程的研究。

綜上所述，本文提出了一種基于高密度肌電信號的吞咽肌肉動態(tài)運動的可視化方法，可以用于吞咽功能的評估、吞咽障礙的篩選以及吞咽康復(fù)訓(xùn)練的評價。我們將高密度肌電電極以二維陣列的形式覆蓋于下頜和頸部肌肉表面，同步采集吞咽過程中 96 通道的肌電信號。通過對 96 通道肌電信號進行處理分析，構(gòu)建吞咽過程的動態(tài)肌電電勢圖。動態(tài)肌電電勢圖能夠直觀的反應(yīng)出吞咽過程中相關(guān)肌群肌電活動的空間分布變化情況，從而體現(xiàn)出吞咽過程的肌肉運動和肌群協(xié)調(diào)性，可以作為吞咽功能和吞咽障礙的評價指標(biāo)之一。

2 實驗方法

本文招募了 5 名具有正常吞咽功能的受試者參與了實驗。根據(jù)受試者自身吞咽狀況，在實驗人員的指導(dǎo)下完成干吞或吞不同容量的水等動作，在此過程中，利用 TMSi-128 多通道肌電采集系統(tǒng)(TMSi，荷蘭)，實時采集正常及異常吞咽情況下咽喉部吞咽肌電信號，獲得高密度的動態(tài)吞咽肌電信息。

2.1 實驗對象的選擇

實驗招募 5 名吞咽功能正常的受試者參與實驗，其中包括 2 名女性、3 名男性，年齡在 23 到 28 歲之間。這五名受試者均吞咽狀況良好、無吞咽障礙病史，語言功能以及其他與吞咽相關(guān)器官功能狀況良好、無相關(guān)病史，確認為醫(yī)學(xué)上吞咽健康；同時無意識障礙及明顯的認知和視覺障礙，對測試和訓(xùn)練要求明確理解。本實驗方案通過了中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院倫理委員會許可并與每個受試者均簽訂了知情同意書。

2.2 表面肌電信號的采集

實驗將表面肌電電極排列成等間距的二維陣列，覆蓋于受試者頸前肌群(主要覆蓋下頜肌群和舌骨下肌群)，實現(xiàn)高密度肌電信號的采集。電極陣列的分布如圖1 所示，包含 96 個表面肌電電極，呈 16×6矩陣排列，相鄰電極橫、縱中心間距均約為 10 mm。參考電極放置在右手腕部。在實驗前，每個受試者的皮膚均用酒精擦拭，每個電極表面涂抹導(dǎo)電膏，以保證電極與皮膚的良導(dǎo)性。本實驗采用 TMSi-128 多通道肌電采集系統(tǒng)(TMSi，荷蘭)同步采集 96 通道的肌電信號，設(shè)置采樣頻率為 1000 Hz，帶通濾波通頻帶為 10～750 Hz。

圖1 電極分布示意圖

2.3 吞咽實驗過程

在實驗過程中，受試者正坐于試驗臺前，上半身保持豎直，頭部保持正直，聽從實驗人員指示完成不同吞咽實驗測試。首先，在受試者平靜無任何吞咽動作狀態(tài)下采集表面肌電信號。然后，受試者配合實驗人員，完成以下三種吞咽測試：干吞(正常吞咽唾液)、一口常規(guī)吞咽(5 mL 清水)、一口過量吞咽(15 mL 清水)，每種測試重復(fù)三次。在吞咽清水的測試中，實驗人員將定量的清水用小勺喂至受試者口前，受試者聽到指令后喝下并含在口中，直到再次聽到實驗人員“吞”的口令后，完成吞咽動作。在吞咽期間，受試者應(yīng)盡量避免頭部面部的轉(zhuǎn)動。

2.4 數(shù)據(jù)處理分析

在本文的高密度肌電分析處理中，原始肌電信號首先經(jīng)過均一化和濾波等預(yù)處理。因為頸前部采集的肌電信號中會混入較為強烈的心電信號干擾，因此我們采用獨立成分分析(ICA)的方法濾除心電信號和 50 Hz 工頻干擾。在時間域，我們將整個吞咽過程分成 20 個連續(xù)的時間窗，每個時間窗為 100 ms。在每個時間窗口，計算 96 個通道的肌電數(shù)據(jù)的均方根(RMS)，均方根值反映了每個時間窗口內(nèi)肌電信號能量的平均值。在空間域，每個時間窗內(nèi)的 96 個通道的均方根值按照實際電極通道的位置被重新排布成一個二維 16×6 的矩陣。為了可視化顯示，我們將每一個 16×6 的均方根矩陣進行三次樣條插值處理，將其擴展到 1500×500 陣列數(shù)據(jù)用來構(gòu)建二維偽彩色電勢圖。我們通過電勢圖來表示體表肌電信號的分布，電勢圖的每個像素的顏色都可以視為對應(yīng)實際體表的肌電能量值，肌電能量越強，像素點顏色越趨近于紅色。每一個時間窗的 96 個通道的肌電數(shù)據(jù)的均方根通過上述計算得到一個偽彩色圖像，將這些偽彩色圖像連接成序列，最后形成吞咽過程的動態(tài)肌電電勢圖，能反應(yīng)出正常吞咽過程中受試者前頸部吞咽肌群活動的動態(tài)分布信息。

3 實驗結(jié)果

本文利用多通道電極陣列(96 個)同步采集吞咽過程中吞咽肌群的表面肌電信息，通過處理得到肌電能量動態(tài)電勢圖，觀察吞咽過程中吞咽肌群協(xié)同工作下的動態(tài)運動。

3.1 吞咽過程中的動態(tài)肌電電勢圖

在本研究中，我們利用寬度為 100 ms 的移動窗口逐一計算 96 個通道肌電均方根值，通過窗口的移動得到 20 個連續(xù)的肌電均方根電勢圖，對應(yīng)于吞咽過程的 20 個連續(xù)的關(guān)鍵幀。圖2 所示為一名受試者吞咽 15 mL 清水過程的典型肌電電勢圖。我們使用20 幀中所有通道的最大值對數(shù)據(jù)進行均一化處理。如圖2 所示，動態(tài)肌電電勢圖可以反映吞咽過程的動態(tài)信息，呈現(xiàn)出吞咽相關(guān)肌群收縮協(xié)調(diào)性。在吞咽實驗的早期，受試者將水含在口中，肌電電勢圖(1～4幀)的中心呈現(xiàn)高強度區(qū)域。當(dāng)受試者真正開始吞咽動作后，肌電電勢圖上的高亮區(qū)域分成左右對稱的兩個區(qū)域(5～16 幀)，高亮區(qū)域隨著吞咽過程自頂向下移動，強度也逐漸增強，在第 10 幀的電勢圖中達到能量的峰值。隨著食團的向下移動，肌電活動的強度逐漸減弱，在第 20 幀完全消失。這種典型的動態(tài)肌電分布模型也在其他四名受試者的試驗中得到驗證。

圖2 吞咽 15 mL 清水時肌電電勢圖

3.2 不同吞咽動作下動態(tài)肌電電勢圖的對比

本研究對不同吞咽測試的動態(tài)肌電電勢圖模型進行了對比，針對同一個受試者，動態(tài)電勢圖在 5 mL吞水實驗和 15 mL 吞水試驗的比較中沒有體現(xiàn)明顯差異，但兩種吞咽實驗都和干吞(吞咽唾液)實驗有顯著差異。

如圖3 所示，5 mL 吞水實驗的肌電電勢圖和圖2所示的 15 mL 吞水試驗的電勢圖具有相似的動態(tài)變化過程。在吞咽實驗開始階段，受試者將水含在口中，這個含水的動作在電勢圖中表現(xiàn)為中心位置的高強度(2～3 幀)。實際吞咽動作開始后，肌電活動分為左右對稱的兩部分，開始由圖像上邊緣向下移動，停留圖像中心位置達到最大值后，活動區(qū)域慢慢縮小，強度也減弱直到消失。

圖3 吞咽 5 mL 清水時肌電電勢圖

干吞測試的動態(tài)肌電電勢圖和吞水測試體現(xiàn)出了顯著差異。如圖4 所示，由于受試者干吞過程(自然吞咽唾液)不需要將水含在口中，所以在電勢圖上沒有出現(xiàn)類似圖3 中 2～3 幀所表現(xiàn)出的中心高強度區(qū)域。由于唾液相比于清水具有更高的粘稠度，所以吞咽時間上表現(xiàn)的更長，如圖4 所示，肌電活動持續(xù)到第 20 幀才完全消失。

圖4 干吞時肌電電勢圖

4 討 論

吞咽過程中吞咽肌群主動或被動收縮產(chǎn)生的神經(jīng)肌肉活動電信號與吞咽功能有著較強的電生理相關(guān)性。因此利用表面肌電信號研究吞咽功能以及吞咽障礙得到了科研人員和臨床醫(yī)生的廣泛關(guān)注[5]。相比于傳統(tǒng)的 X 線熒光透視檢查或內(nèi)窺鏡檢查等方法，表面肌電法具有無創(chuàng)、無輻射、測量簡單等優(yōu)點[14]。近年來，基于表面肌電的吞咽生理的研究發(fā)展迅速，但仍然存在著一些局限。目前基于肌電的吞咽功能研究主要是利用少量電極(2～6 個)，捕獲的有限通道的肌電信息難以反映出吞咽過程中復(fù)雜的肌電動態(tài)分布信息。本文創(chuàng)新引入了高密度肌電采集設(shè)備用于吞咽領(lǐng)域的研究，通過建立動態(tài)肌電電勢圖方法，實現(xiàn)吞咽過程相關(guān)肌群電生理活動的可視化。本文的主要目的是利用高密度肌電技術(shù)，通過建立吞咽過程的動態(tài)肌電電勢圖，實現(xiàn)吞咽過程的可視化及對吞咽肌肉功能的直觀評價。

從本文的研究結(jié)果可以看出，高密度肌電電勢圖能夠提供吞咽過程肌電信號空間分布信息，如圖2 至圖4 所示。與目前針對單個肌肉或肌群的研究不同[15]，本文通過高密度肌電方法對吞咽肌群之間協(xié)調(diào)性和肌電分布情況進行研究。采用電勢圖的方法是為了確定吞咽肌肉電信號分布的動態(tài)變化輪廓。文中采用均方根值來描述肌肉的活動能量，將均方根值賦值給電勢圖中空間坐標(biāo)的色彩值，將信息可視化處理。單個電勢圖只能描述靜態(tài)的吞咽肌群收縮情況，通過將吞咽各時期產(chǎn)生的一系列靜態(tài)肌電電勢圖連接在一起，形成整個吞咽過程動態(tài)變化圖，從而可以更直觀地評估吞咽過程肌群收縮狀況。綜上所述，高密度表面肌電陣列電極的應(yīng)用能夠?qū)ν萄蔬^程中頸部吞咽肌肉功能進行直觀的觀察和綜合的評價。

本研究得到的動態(tài)肌電電勢圖提供吞咽動力學(xué)信息，并與 Koichiro[16]等人提出的吞咽的生理生物學(xué)規(guī)律相一致。在真實的吞咽過程中，在吞咽初期通過提升軟腭來將食物推至口咽部腭舌弓，同時頦下肌肉開始收縮，反映在電勢圖上則是肌電活動集中在電勢圖上邊沿，如圖2 中第 5 幀到第 7 幀。接著當(dāng)咽反射階段到來時，食物進入食管，舌骨下肌轉(zhuǎn)為活動狀態(tài)，對應(yīng)電勢圖中大量肌電活動集中于中心位置，如圖2中第 9 幀到 13 幀。頦下肌肉的活躍一般發(fā)生在吞咽初期，而舌骨下肌的活躍期一般發(fā)生在吞咽結(jié)束。

5 結(jié) 論

本文將高密度肌電技術(shù)應(yīng)用于吞咽生理的研究中，動態(tài)肌電電勢圖可以完整地描述吞咽過程中肌群活動分布的連續(xù)變化。這種方法優(yōu)點在于能夠?qū)⑼萄蕰r肌肉收縮協(xié)調(diào)性以及表面肌電信號分布變化規(guī)律對應(yīng)到二維平面上的色彩分布變化，直觀地反映出吞咽肌肉活動的動態(tài)變化。經(jīng)初步研究，我們相信，在未來的臨床應(yīng)用上，動態(tài)肌電電勢圖可以作為一種吞咽功能評估、吞咽障礙篩查和吞咽康復(fù)評價的有效工具。

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