軟硬不同材料下咀嚼肌的肌電信號特征研究

沈 慧，尉振剛，郭佳瑩，張騰宇,，趙文汝

1 北京航空航天大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，北京市，100191

2 國家康復(fù)輔具研究中心生物力學(xué)與康復(fù)技術(shù)研究所，北京市，100176

3 國家康復(fù)輔具研究中心附屬醫(yī)院，北京市，100176

軟硬不同材料下咀嚼肌的肌電信號特征研究

【作者】沈 慧1，尉振剛1，郭佳瑩1，張騰宇1,2，趙文汝3

1 北京航空航天大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，北京市，100191

2 國家康復(fù)輔具研究中心生物力學(xué)與康復(fù)技術(shù)研究所，北京市，100176

3 國家康復(fù)輔具研究中心附屬醫(yī)院，北京市，100176

目的 探討右側(cè)咀嚼軟硬不同材料時咀嚼肌的活動情況，描述咀嚼肌肌電時域和頻域特征。方法 選取11名符合實驗標(biāo)準(zhǔn)的受試者，分別在正常咀嚼條件下右側(cè)咀嚼軟硬不同質(zhì)地的2種材料，記錄每組雙側(cè)顳肌前束、咬肌、二腹肌前腹的表面肌電，研究其5種特征。結(jié)果 在咀嚼軟硬不同材料時，雙側(cè)顳肌前束和咬肌的全部肌電特征值均具有顯著性差異(P＜0.05)，雙側(cè)二腹肌前腹除過零點率外均有顯著差異；右側(cè)咀嚼肌中位頻率有下降趨勢。結(jié)論 咀嚼硬物比咀嚼軟物時顳肌前束、咬肌肌電活動更劇烈，參與咀嚼的肌肉更多；咀嚼硬物30次后右側(cè)咀嚼肌有明顯疲勞趨勢。

咀嚼??；表面肌電；特征提取

0 引言

咀嚼是咀嚼肌群依次收縮所產(chǎn)生的復(fù)雜的反射性活動。咀嚼運動不僅受口腔頜面結(jié)構(gòu)、肌肉功能的影響，同時食物軟硬的不同也會直接影響咀嚼肌功能的發(fā)揮[1]。咀嚼肌在咀嚼運動中會產(chǎn)生較為強烈的肌電信號。咀嚼肌肌電特征的研究對于臨床口腔疾病診斷和頜面肌功能評價具有重要意義[2-3]。

國內(nèi)在三十多年前就開始利用肌電信號特征對咀嚼時咀嚼肌功能進行研究[4]。吳夢虹等[5]著重研究了不同咬合材料對咀嚼肌表面肌電幅值的影響；Cakir等[6]記錄咀嚼過程中咀嚼肌肌電幅值，發(fā)現(xiàn)硬度與咬肌活動量高度相關(guān)；Mioche 等[7]研究發(fā)現(xiàn)咀嚼不同食品時平均肌肉活動量與咬合最大應(yīng)力的指數(shù)關(guān)系。王建超等[8]在研究咀嚼肌功能時分析了咬肌、顳肌、二腹肌等多塊肌肉的肌電幅值的差異。

實際上參與咀嚼動作的肌肉較多[9-10]，表面肌電信號也比較復(fù)雜，軟硬不同材料下咀嚼肌的活動情況不同，肌電信號所包含的信息特征也存在差異。已有的研究工作所涉及的肌肉種類較少，并且局限于少量時域特征的分析。為彌補上述研究的不足，本實驗通過采集咀嚼軟硬不同材料時，與咀嚼動作密切相關(guān)的雙側(cè)顳肌前束、咬肌與二腹肌前腹[11]的表面肌電信號，提取了肌電信號的積分肌電值、均方根、威爾遜幅值、過零點率和中位頻率等時域與頻域特征[12]，并對所提取的特征進行了分析，試圖更全面地闡明咀嚼軟硬不同材料過程中肌電信號的特點。

1 特征選取

本研究主要從肌力、能量、疲勞等角度進行特征值的選取。積分肌電值(Integral electromyography, iEMG)和均方根(Root Mean Square, RMS)能夠直觀地反應(yīng)肌肉活動量的大小，反映肌肉在持續(xù)動作時間內(nèi)的收縮特性[13]；威爾遜幅值(WAMP)是一種計算肌電幅值變化的參數(shù)，能反應(yīng)肌電信號幅值變化的情況；過零點率(ZCR)主要反映肌電信號源于中樞神經(jīng)發(fā)送的電脈沖的頻率信息；中位頻率(CF)是反映肌電信號的頻率特征，由頻率的變化反映隨著收縮時間的延長肌肉疲勞的程度。

各參數(shù)計算公式如下：

上面的計算公式中，xi(i=0, 1, 2,…, N-1)是表面肌電信號的時間序列，N表示采樣點數(shù)，xi表示第i個采樣點的表面肌電信號幅值，s(f)表示肌電信號的功率譜函數(shù)。

2 對象與方法

2.1 實驗對象

本實驗共選擇11名受試者(男5例，女6例，年齡24.35±1.19)。所有受試者經(jīng)牙醫(yī)診斷均滿足口腔健康測試要求。

選取受試者的雙側(cè)顳肌前束、咬肌、二腹肌前腹為測量部位，肌肉解剖結(jié)構(gòu)如圖1所示，實驗中受試者表面電極貼放如圖2所示。

圖1 人體面部咀嚼肌群肌肉結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of human facial muscles

圖2 實驗受試者實驗時正視圖Fig.2 The positive view of the subject

2.2 實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中表面肌電電極使用SX230-1000，信號放大與模數(shù)轉(zhuǎn)換由英國Biometrics Ltd公司的DataLOG MWX8動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀完成，放大倍數(shù)為500倍，采樣頻率為1 000 Hz，A/D轉(zhuǎn)換為14 bit。本實驗選用果凍作為軟材料，豌豆作為硬材料。

圖3 實驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖Fig.3 The block diagram of the experimental data acquisition system

2.3 實驗過程

本實驗在20oC安靜的測試環(huán)境中進行，測試時受試者保持端坐姿態(tài)，通過觸摸判斷6塊肌肉位置，使電極貼于肌腹，根據(jù)個體差異適當(dāng)調(diào)整，接地電極放于手腕處。將測試樣品分別放置于上、下磨牙之間，采用右單側(cè)咀嚼方式進行正常咀嚼。所有受試者首先依次咀嚼軟物樣本，待11人均完成軟物測量充分休息后，再開始依次咀嚼硬物樣本。測試期間補充一到兩次材料，每名受試者單次咀嚼達30次。

2.4 特征提取統(tǒng)計分析

肌電信號的預(yù)處理、動作分割、特征提取在Matlab中進行，計算每名受試者一個動作模式下30次咀嚼的特征值，用SPSS軟件對受試者以上各參數(shù)進行組內(nèi)差異性檢驗和組間多元方差分析（n=66），結(jié)果以 x±s 表示。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 咀嚼軟物下肌電特征分析

對右側(cè)咀嚼軟物測得的實驗數(shù)據(jù)做上述處理，得到各特征值結(jié)果（x±s）如表1所示。

在咀嚼軟物時，右側(cè)咬肌的iEMG和RMS均為特征值中的最大值，右側(cè)顳肌前束的數(shù)值次之。特征WAMP下，右側(cè)咬肌與右側(cè)顳肌均值較高，左側(cè)顳肌前束、左側(cè)咬肌、左側(cè)二腹肌前腹和右側(cè)二腹肌前腹依次遞減。特征ZCR和CF下，數(shù)值較大的前三塊肌肉分別為右側(cè)顳肌前束、左側(cè)咬肌和右側(cè)咬肌。

3.2 咀嚼硬物下肌電特征分析

對右側(cè)咀嚼硬物測得的實驗數(shù)據(jù)做同樣處理，得到咀嚼硬物下肌電特征值結(jié)果（x±s）如表2所示。

在咀嚼硬物時，右側(cè)咬肌的iEMG是最小值右側(cè)二腹肌前束的12倍。特征RMS下，右側(cè)咬肌高達2.588±1.556 mV，其次是右側(cè)顳肌前束。WAMP下雙側(cè)顳肌前束和咬肌數(shù)值均超過500。ZCR下，左側(cè)咬肌高于右側(cè)咬肌。CF下，右側(cè)顳肌前束與右側(cè)咬肌值數(shù)值接近。

3.3 軟硬材料下特征值差異性分析

運用以上特征值結(jié)果做單因素方差分析，以測量位置為變量，進行多變量檢驗及主體效應(yīng)間檢驗，表3描述了各特征值的差異顯著性。除雙側(cè)二腹肌前腹的ZCR不具有顯著性差異（P ＞0.05）外，其他特征值的比較均存在顯著性差異，特別是iEMG、RMS反映肌力能量的特征值差異性顯著（P ＜0.01）。

表1 咀嚼軟物下各特征值結(jié)果（x±s）Tab.1 Results of the characteristic value of the chewing soft（x±s）

表3 咀嚼軟硬材料下特征值的Sig.結(jié)果Tab.3 Sig. results of the characteristic value of the soft and hard material

3.4 軟硬材料下肌肉疲勞程度分析

提取每名受試者咀嚼不同材料時30次動作的CF值，繪出6塊肌肉對比散點圖，研究分析其線性趨勢。11人中除4人外，均呈現(xiàn)較一致的結(jié)果：左側(cè)咀嚼肌咀嚼軟、硬物時CF值沒有明顯變化趨勢，右側(cè)肌肉在咀嚼硬物時CF值有明顯下降趨勢。圖4～圖6是1位受試者右側(cè)咀嚼肌的CF變化趨勢結(jié)果。

圖4 右側(cè)顳肌前束咀嚼軟硬材料時CF值及其變化趨勢對比圖Fig.4 CF value and the change tendency of the right bilateral temporalis anterior bundle muscle

4 討論

實驗測量了6塊咀嚼肌在咀嚼軟硬不同材料下的表面肌電，提取了時域和頻域的5種特征參數(shù)并進行了統(tǒng)計分析。結(jié)果顯示，在咀嚼軟硬不同材料時，雙側(cè)顳肌前束和咬肌的全部肌電特征值均具有顯著性差異，雙側(cè)二腹肌前腹除ZCR外，其余4種特征具有顯著差異。

時域方面，咀嚼軟物時，右側(cè)咬肌和右側(cè)顳肌前束在反映肌力、能量的特征值iEMG、RMS、WAMP中數(shù)值均最大，說明兩塊肌肉在右側(cè)咀嚼軟物時起主要作用；對比咀嚼硬物時，這兩塊肌肉的3項特征數(shù)值增大一倍以上，這說明在右側(cè)咀嚼硬物時，右側(cè)咀嚼肌消耗能量更大。這與周麗娟等人研究的肌電活動強度隨咬合力增高而增強相一致[14]，且左側(cè)咀嚼肌也發(fā)揮主要咀嚼作用。頻域方面，盡管表面肌電特征提取的研究中認為肌電信號的頻域信息相對穩(wěn)定[15]，但觀察CF的變化可以反映肌肉疲勞程度。本實驗采用右單側(cè)咀嚼，右側(cè)參與咀嚼的三塊肌肉在咀嚼硬物30次后均有疲勞趨勢。二腹肌前腹各項特征值數(shù)據(jù)均偏小，咀嚼硬物時略高于軟物水平，這說明二腹肌前腹在咀嚼中起一定輔助作用但非主導(dǎo)。

本實驗分析了軟硬不同材料下咀嚼肌肌電特征的特異性，認為特征值的差異性受到采集部位和咀嚼材料軟硬質(zhì)地的雙重影響；咀嚼硬物產(chǎn)生的肌電活動更為劇烈，參與咀嚼運動的肌肉塊數(shù)更多；咀嚼硬物時右側(cè)咀嚼肌有疲勞趨勢。但由于咀嚼材料硬度等級設(shè)定較少，樣本容量較小，未考慮受試者偏側(cè)咀嚼習(xí)慣等，實驗仍存在不足。后續(xù)將完善材料軟硬梯度的設(shè)計，規(guī)范受試者采集動作標(biāo)準(zhǔn)，擴大樣本容量，增加表面肌電特征種類，嘗試建立多參數(shù)多通道的咀嚼肌肌電特征評價體系，深入研究不同硬度材料對咀嚼肌肌電活動的影響。

圖5 右側(cè)咬肌咀嚼軟硬材料時CF值及其變化趨勢對比圖Fig.5 CF value and the change tendency of the right masseter muscle

圖6 右側(cè)二腹肌前腹咀嚼軟硬材料時CF值及其變化趨勢對比圖Fig.6 CF value and the change tendency of the right two bilateral anterior abdominal muscles

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Study on the Characteristics of EMG Signal of the Masticatory Muscles in Different Materials

【W(wǎng)riters】SHEN Hui1, YU Zhengang1, GUO Jiaying1, ZHANG Tengyu1,2, ZHAO Wenru3
1 School of Biological Science and Medical Engineering, Beihang University, Beijing, 100191
2 Study of Biomechanics and Rehabilitation Technology of National Rehabilitation Auxiliary Equipment Research Center, Beijing, 100176
3 Aff liated Hospital of National Rehabilitation Auxiliary Equipment Research Center, Beijing, 100176

Objective To investigate the activities of different soft and hard materials during right chewing masticatory muscles, describing the masticatory muscles of time domain and frequency domain features. Methods 11 experimental subjects who conform to the standards of measurement chew two materials of different soft and hard texture. Then record surface EMG of each bilateral temporalis anterior bundle, masseter, two bilateral anterior abdominal muscles, analysis to 5 kinds of characteristics of the study of EMG. Results When subjects chewing different soft and hard materials, all the EMG features in the bilateral anterior temporalis and masseter values had signif cant difference (P ＜ 0.05). The results in bilateral digastric anterior abdominal except zero crossing rate have signif cant difference; median frequency on the right side of the masticatory muscle has decreased trend. Conclusion The anterior temporalis and masseter EMG active more intense when chewing hard objects; the right side of the masticatory muscles have obvious fatigue trend after chewing hard masticatory 30 cycles.

masticatory muscle, surface electromyography, feature extraction

R318

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2016.05.001

1671-7104(2016)05-0314-04

2016-04-06

國家科技支撐計劃課題（2013BAI10B06）

沈慧，E-mail: maggieshenhui@126.com

趙文汝，E-mail: zhaowenru@hotmail.com