表面肌電圖在步態(tài)分析中的應(yīng)用

王亞薇， 楊 陽， 李耀民

表面肌電圖（surface electromyography, sEMG），也稱動態(tài)肌電圖（dynamic electromyography, DEMG），通過在皮膚表面放置電極，從而記錄鄰近神經(jīng)肌肉系統(tǒng)活動時的生物電信號的測定方法[1-2]。近年來在康復(fù)領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注并逐漸應(yīng)用于臨床。

表面肌電信號代表肌肉功能的特征，提供有關(guān)肌肉活動的信息。分析這一信號可以為醫(yī)學(xué)健康專家提供診斷信息，在決定肌肉功能障礙的適當治療方案時可以作為一個有用的工具[3]。

使用特定的運動學(xué)和動力學(xué)參數(shù)對骨科患者的步態(tài)功能進行評估是非常必要的，但是，當結(jié)合不同的運動任務(wù)和sEMG評估時，這些評估可能會對特定患者的步態(tài)和肌肉平衡給出完整的認識[4]。特別是在特定運動中的步態(tài)分析可以提供更多關(guān)于關(guān)節(jié)功能的信息[5]。

此外，當自主活動時，sEMG可以描繪出患者步態(tài)中肌肉收縮的時間和水平。這與運動學(xué)和動力學(xué)結(jié)果相關(guān)聯(lián)，可能在功能上更好地體現(xiàn)患者的運動[6]。此外，sEMG還應(yīng)該能夠了解哪些肌肉可能出現(xiàn)肌肉收縮功能不良，在步態(tài)中并不起關(guān)鍵作用。所有這些發(fā)現(xiàn)，結(jié)合臨床評估，可能為及時隨訪患者和術(shù)后制定具體的康復(fù)治療方案提供有用的證據(jù)，為每個患者獲得最佳的步態(tài)表現(xiàn)[7]。這些重要數(shù)據(jù)與功能數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)分析，有助于康復(fù)醫(yī)師確定不同步態(tài)模式的病因，制定更具體的術(shù)后康復(fù)計劃[8]。

在本綜述中，我們確定步態(tài)分析中sEMG方法論的基本原理，為了收集有意義的步態(tài)分析數(shù)據(jù)，研究人員采用的sEMG方法主要要解決以下問題：1）噪音控制；2）波頻；3）串擾；4）sEMG電極放置方案；5）sEMG信號的時序和強度；6）標準化。

1 噪音控制

由組織運動和環(huán)境因素可產(chǎn)生噪聲信號，這些噪聲信號會影響肌電信號的診斷，噪聲信號可以通過濾波和使用差分放大器排除，以抑制共模信號[9]。Stachaczyk等[10]提出了一種自適應(yīng)的高密度肌電信號自動檢測和衰減算法，該方法通過信號相似性的時間-頻譜度量來推斷每個肌電通道中是否存在噪聲。實驗證明，該方法不僅可以提高高密度肌電信號的鑒別信息含量，而且可以衰減不穩(wěn)定的偽影，提高診斷的準確性。為了把噪聲最小化，在數(shù)據(jù)采集時如電極放置的位置和配置，采樣頻率和信噪比都應(yīng)予以考慮[11-12]。Ma等[13]探討了基于變分模式分解濾波的EMG信號去噪的可行性，該濾波器能有效地去除電力線干擾、基線偏移、白高斯噪聲等，適用于任何需要在預(yù)處理階段進行肌電信號濾波的應(yīng)用。

2 波頻

尖峰波的頻率很高，而寬波的頻率較低。肌電信號頻率范圍廣，與關(guān)節(jié)運動有關(guān)肌肉功能很重要的波頻范圍從10 Hz至1000 Hz。肌肉收縮會產(chǎn)生10 Hz的信號，行走時地面反饋會產(chǎn)生25 ～30 Hz的信號。有學(xué)者建議將40 Hz作為步態(tài)肌電圖的常規(guī)低值[14]。此外，應(yīng)使用陷波濾波器排除來自電子設(shè)備的常規(guī)60 Hz信號。也有研究人員使用頻率分析濾波器常數(shù)為64 Hz或350 Hz的中頻濾波器[15-16]。總之，絕大部分學(xué)者認為40～1000 Hz的波頻適用于sEMG[17-18]。

3 串擾

sEMG信號起源于運動單元動作電位( motor unit action potential, MUAP)，運動單位是肌肉活動的最小單位，實際的肌肉收縮是多個運動單位共同參與活動的結(jié)果。大量的運動單位同時興奮則電位募集，電流通過人體組織到達皮膚，再通過記錄電極、放大器顯示。因此表面肌電圖信號實質(zhì)上是多個運動單位動作電位的總和。這些運動單位活動的總和構(gòu)成了肌電信號的強度。所以在記錄肌肉群活動時，EMG記錄的可能包含有不關(guān)注的肌肉信號。

串擾隨著皮下脂肪厚度而增加。真的很難從一組肌肉中分離出收縮的肌肉。因此，從表面電極上，通過拾取增效劑的信號可能可以鑒定出哪組肌肉是沒有收縮的。通過選擇電極尺寸和電極間距離可以最大程度地減少串擾。Koh等[19]認為串擾的原因可能是表面電極中低到中等的信號而不是因為肌肉的共同收縮。這一點在一項針對兒童拮抗肌共同作用研究中得到了證實[20]。研究人員表明在整個步態(tài)周期中連續(xù)記錄EMG，在平均6.5%的最大強度基線上疊加的是20%最大電極的峰值。研究表明，腘繩肌和股四頭肌的功能只有在肢體負荷時才會發(fā)生重疊，因此，真正的共同收縮是不連續(xù)的。

消除串擾的方法有很多種。而目前還沒有確定的方法來避免串擾的發(fā)生。Mesin[21]采用時空濾波器方法，在時間和不同通道之間進行濾波，提供最大限度保留感興趣肌電能量并丟棄附近肌肉能量的信號，該方法處理的單差分或雙差分數(shù)據(jù)的信噪比平均提高約2db，可以減少由串擾引起的傳導(dǎo)速度和傳導(dǎo)力的偏差。Di等[22]研究開發(fā)了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解釋受試者內(nèi)sEMG數(shù)據(jù)的步態(tài)分類和預(yù)測的精確方法，其貢獻在于僅從單個受試者的肌電信號中預(yù)測步態(tài)事件，結(jié)果表明神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法比其他算法表現(xiàn)得更好。

表面肌電信號分析的一個關(guān)鍵原理是將信號分解成多個MUAP。因此，主成分分析法受到廣泛追捧，其中原始表面肌電信號數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換成各個MUAP。也有研究報道，主成分分析法是一個分析高精度數(shù)據(jù)強有力的工具，有進一步改進從表面肌電信號估計肌肉力量的可能[23]。

4 sEMG電極放置方案

皮膚電極是捕捉表面肌電信號的無創(chuàng)電極。皮膚屬于不良導(dǎo)體，對肌電信號存在阻抗（即電流通過物質(zhì)時所遇到的阻力）。皮膚的阻抗受皮膚的潮濕程度、表皮的油脂成分、角質(zhì)層和死亡細胞等眾多因素的影響。為了盡可能地降低阻抗，需要對皮膚進行處理，臨床上通常采用酒精棉球擦拭來去除皮膚表面的油脂、附著物和死皮，毛發(fā)多者還需備皮，使皮膚與電極之間的阻抗降低。

目前應(yīng)用的表面電極多用銀合金制成。每塊肌肉需要兩個電極，小容積的肌肉需要小的電極，電極間距亦需較小，大容積的肌肉需要較大的電極，較大間距，但不宜過大。不同設(shè)備配置的電極有所不同，有固定兩個電極間距的線狀電極和紐扣式電極，還有不固定間距的電極。一般推薦兩電極中心間距為l～3cm。為獲得最大波幅，目前臨床多將電極放置在肌腹正中，兩電極沿肌纖維走向排列。另外，參考電極是必不可少的，一般就近放置于無肌肉組織的骨面皮膚上。

5 sEMG信號的時序和強度

步態(tài)周期中的表面肌電圖是由步態(tài)階段的特征來確定MUAP的值，如肌肉收縮的激活時間和肌肉收縮的強度等[3]。

動態(tài)肌電圖所獲得的基本信息是步態(tài)周期中的每一個階段肌肉作用的結(jié)果。也就是基于與肢體運動有關(guān)的肌肉活動開始和停止的時間，以及肌肉收縮到極限的時間。肌電記錄的節(jié)點一定是分階段確定的，同時還需要記錄當時的肢體功能。一般是記錄三個步態(tài)周期的開始和結(jié)束時間，并計算其平均數(shù)。

肌肉活動強度從肌電圖中提取出來，用于單自由度激活。在步態(tài)分析中，三個完整步態(tài)周期的信號用于評估肌肉活動的時間和相對強度。在人體整個步態(tài)周期中都有正常的EMG激活。動態(tài)肌電圖向臨床醫(yī)生提供的信息雖然有限，但它從步態(tài)獲取的信號通常為監(jiān)測肌肉的開-關(guān)活動，其中“開”為最大自主收縮的5%。它可以通過全波整流EMG集成來評估相對肌肉收縮情況。與正常時序模式的偏差可分為七種類型：過早型、延期型、持續(xù)型、縮短型、延遲型、缺席型和不協(xié)調(diào)型[24]。這些時序錯誤可為適應(yīng)性模式、病理模式和神經(jīng)異常。步態(tài)過程中動態(tài)肌電數(shù)據(jù)的時序信息為臨床決策提供了重要的依據(jù)。

6 標準化

為肌電圖記錄得到一個有意義的數(shù)值，需要三步。對原始肌電圖數(shù)據(jù)進行校正，數(shù)字化和標準化。為了對處理后的肌電數(shù)據(jù)進行相對評估，需要一種標準化方法來處理包含電極采樣檢測到的運動單元數(shù)目的個體差異。這種變異是由于肌纖維解剖和排列的解剖學(xué)差異造成的。要對不同個體之間和不同時段、不同實驗進行比較時，也必須做標準化處理。標準化處理的方法就是受試EMG值和最大自主收縮EMG值作比率，其形式以EMG是肌肉最大自主收縮的多少百分比來表達。通過標準化處理后的EMG值在理論上可以與其他肌肉的EMG值和其他個體的EMG值進行比較。

7 結(jié)論

步態(tài)分析是臨床醫(yī)師管理肌肉骨骼疾患的重要診斷手段[25]。sEMG是結(jié)合運動學(xué)和動力學(xué)數(shù)據(jù)決策治療此類患者所選擇合適方法的有用工具，sEMG用于評估運動過程中的神經(jīng)肌肉反應(yīng)并制定康復(fù)方案已有幾十年的歷史。對于有意義的數(shù)據(jù)采集，研究者應(yīng)該始終遵循一種準確而充分的方法，臨床工作中應(yīng)盡可能建立標準化的操作程序，以便不同肌肉、不同個體和不同時段的測試結(jié)果具有可比性。建議做到以下幾點：1）受試者盡量穿著寬松衣物，過緊的衣物會產(chǎn)生干擾波。2）應(yīng)用醫(yī)用酒精處理皮膚，盡量將皮膚表面的污物死皮等清理干凈。3）為了信號采集的穩(wěn)定性，電極片的放置盡量避開運動點。4）可應(yīng)用小的電極避免串擾。5）電極和皮膚接觸需要一定的時間才能達到穩(wěn)定的電阻抗條件。6）檢查基線是否有偏移、是否有漂移，可通過良好的電極和導(dǎo)線固定及良好的皮膚處理解決。7）若出現(xiàn)運動干擾波，可應(yīng)用高通濾波將低于某頻率的肌電信號去除。