當(dāng)肌電信號遇上"串?dāng)_迷霧"：HD-sEMG如何撕開神經(jīng)肌肉研究的新切口
當(dāng)肌電信號遇上 "串?dāng)_迷霧"
HD-sEMG 如何撕開神經(jīng)肌肉研究的新切口
引言：什么是技能的天花板效應(yīng)？
想象一位中風(fēng)患者試圖通過肌電假肢抓握水杯 —— 前臂肌肉收縮產(chǎn)生的電信號（表面肌電圖 sEMG）本應(yīng)精準(zhǔn)驅(qū)動假肢動作，但鄰近肌肉的電活動 "串?dāng)_" 卻像干擾信號，讓指令變得混亂。這種串?dāng)_在高密度肌肉分布的前臂尤為突出，直接導(dǎo)致傳統(tǒng) sEMG 難以準(zhǔn)確分離單個肌肉的電反應(yīng)（如 M 波），成為神經(jīng)肌肉功能評估、假肢控制研發(fā)中的關(guān)鍵瓶頸。
近期，由匹茲堡大學(xué)與卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的研究者合作發(fā)表在《JOURNAL OF NEUROPHYSIOLOGY》的文章，題為“Improving localization and measurements of M-waves using high-density surface electromyography”，提出對高密度肌電使用三極蒙太奇空間濾波技術(shù)可以顯著降低串?dāng)_現(xiàn)象，有助于隔離前臂密集肌肉的M波。
圖1. 文章信息
研究方法
本研究納入5名健康志愿者參與實驗。該實驗使用 HD-sEMG 網(wǎng)格（SAGA 64+，TMSi，荷蘭奧爾登扎爾）以 4000 Hz 的頻率記錄每位受試者右前臂的肌肉活動，該網(wǎng)格由 64 個 Ag/AgCl 電極組成（直徑 = 4.5 mm；電極間距 = 8.75 mm）（圖 2A）。8×8 網(wǎng)格每側(cè)跨度 7 厘米，覆蓋多塊前臂肌肉。
串?dāng)_研究中使用 DS8R 恒流刺激器（刺激電極放置位置見圖2C）以 1 Hz 的重復(fù)頻率施加單相陰極脈沖（1 ms 脈沖寬度），對正中神經(jīng)，尺神經(jīng)和橈神經(jīng)進(jìn)行電刺激，以選擇性募集該區(qū)域的肌肉。通過計算電極對在行（橫向）和列（縱向）方向上的線性相關(guān)系數(shù)以檢測串?dāng)_，相關(guān)性高于0.9則表示存在串?dāng)_。串?dāng)_研究后，研究者在前臂周圍放置多個HD-sEMG網(wǎng)格來映射多塊前臂肌肉的M波，并使用超聲探頭定位HD-sEMG電極下方的肌肉（見圖2D）。
本研究中單極蒙太奇指每個電極獨立記錄，不進(jìn)行空間濾波；雙極蒙太奇指記錄兩個相鄰電極之間的電壓差；而三級蒙太奇進(jìn)一步擴展雙極配置，通過測量兩組雙極信號的差值來增強信號隔離。
研究結(jié)果以及解釋
三極蒙太奇顯著優(yōu)化肌電信號分離效果
圖3展示了在不同強度刺激下，串?dāng)_對表面肌電圖的振幅和肌肉激活模式的影響，以及空間濾波如何減少串?dāng)_。圖3第一行(Monopolar)展示了在單極導(dǎo)聯(lián)中，指淺屈�。‵DS）和橈側(cè)腕屈�。‵CR）的激活圖在較高刺激強度下開始融合，難以區(qū)分各自的貢獻(xiàn)。然而，應(yīng)用空間濾波后（圖3第二行和第三行），激活區(qū)域保持獨立，減少了串?dāng)_并改善了肌肉區(qū)分度。
圖3. 隨著刺激強度增加，串?dāng)_對表面肌電圖（sEMG）振幅和肌肉激活模式的影響。
三極蒙太奇空間濾波顯著降低了串?dāng)_
圖4直觀地展示了橫向（左圖）和縱向（右圖）方向上M波的相關(guān)系數(shù)的分布。而空間濾波方法，尤其是三極空間濾波在兩個方向上均降低了電極對M波的相關(guān)性，主要表現(xiàn)在：M波相關(guān)性小于0.9的電極對中，單極導(dǎo)聯(lián)有28.1%，表明了串?dāng)_嚴(yán)重；雙極和三極導(dǎo)聯(lián)分別有82.6%和93.7%。
圖5則展示了從M波振幅衰減程度測量了串?dāng)_。單極導(dǎo)聯(lián)的振幅衰減極�。�10.32±5.30%），而雙極（35.43±10.49%）和三極（51.10±8.10%）導(dǎo)聯(lián)的衰減更大（圖5A），證實了空間濾波器在減少串?dāng)_中的有效性。
超聲成像是區(qū)分肌肉腹側(cè)反應(yīng)與邊界信號的關(guān)鍵
圖6展示了5個被試的超聲界定的肌肉邊界，并與三極導(dǎo)聯(lián)熱圖共同顯示。三極蒙太奇的熱圖可清晰顯示肌肉激活熱點，并且可以分離兩塊肌肉，但隨著更多肌肉被募集，識別不同來源則變得更加困難（圖 6C）；而超聲成像可以更加清晰地區(qū)分肌肉邊界（紅色虛線）。
圖6. 5位受試者三極拓?fù)錈釄D和超聲界定的肌肉邊界
總結(jié)，不足和展望
本研究通過HD-sEMG結(jié)合雙極/三極空間濾波及超聲成像，在5名健康受試者前臂肌肉中證實，低強度刺激下單極HD-sEMG可分離M波且串?dāng)_極小，高強度刺激下三極濾波器能顯著減少串?dāng)_，超聲成像則有效驗證肌肉位置并區(qū)分信號真?zhèn)�；然而，研究存在三極濾波可能丟失目標(biāo)肌肉遠(yuǎn)場信號、未考慮深層肌肉串?dāng)_、樣本未納入神經(jīng)損傷人群及刺激未覆蓋復(fù)雜電位等不足；未來研究可結(jié)合功能性超聲與深度學(xué)習(xí)構(gòu)建多模態(tài)自適應(yīng)濾波模型，拓展至神經(jīng)損傷評估、肌電假肢實時控制及串?dāng)_與肌肉病理機制關(guān)聯(lián)等方向。
原文鏈接
Ernesto H. Bedoy, Efrain A. Guirola Diaz, Ashley N. Dalrymple, Isaiah Levy, Thomas Hyatt, Darcy M. Griffin, George F. Wittenberg, and Douglas J. Weber. Improving localization and measurements of M-waves using high-density surface electromyography. Journal of Neurophysiology. 2025. 133:1, 299-309.
https://doi.org/10.1152/jn.00354.2024
研究團隊介紹
該研究團隊由 Ernesto H. Bedoy、Efrain A. Guirola Diaz 等來自美國匹茲堡大學(xué)神經(jīng)科學(xué)中心、神經(jīng)基礎(chǔ)認(rèn)知中心、卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機械工程系等多機構(gòu)學(xué)者組成。
關(guān)于維拓啟創(chuàng)
維拓啟創(chuàng)（北京）信息技術(shù)有限公司成立于2006年，是一家專注于腦科學(xué)、康復(fù)工程、人因工程、心理學(xué)、體育科學(xué)等領(lǐng)域的科研解決方案供應(yīng)商。公司與國內(nèi)外多所大學(xué)、研究機構(gòu)、企業(yè)長期保持合作關(guān)系，致力于將優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品、先進(jìn)的技術(shù)和服務(wù)帶給各個領(lǐng)域的科研工作者，為用戶提供有競爭力的方案和服務(wù)，協(xié)助用戶的科研工作，持續(xù)提升使用體驗。
相關(guān)產(chǎn)品
HD-sEMG 如何撕開神經(jīng)肌肉研究的新切口
引言：什么是技能的天花板效應(yīng)？
想象一位中風(fēng)患者試圖通過肌電假肢抓握水杯 —— 前臂肌肉收縮產(chǎn)生的電信號（表面肌電圖 sEMG）本應(yīng)精準(zhǔn)驅(qū)動假肢動作，但鄰近肌肉的電活動 "串?dāng)_" 卻像干擾信號，讓指令變得混亂。這種串?dāng)_在高密度肌肉分布的前臂尤為突出，直接導(dǎo)致傳統(tǒng) sEMG 難以準(zhǔn)確分離單個肌肉的電反應(yīng)（如 M 波），成為神經(jīng)肌肉功能評估、假肢控制研發(fā)中的關(guān)鍵瓶頸。
近期，由匹茲堡大學(xué)與卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的研究者合作發(fā)表在《JOURNAL OF NEUROPHYSIOLOGY》的文章，題為“Improving localization and measurements of M-waves using high-density surface electromyography”，提出對高密度肌電使用三極蒙太奇空間濾波技術(shù)可以顯著降低串?dāng)_現(xiàn)象，有助于隔離前臂密集肌肉的M波。
圖1. 文章信息
研究方法
本研究納入5名健康志愿者參與實驗。該實驗使用 HD-sEMG 網(wǎng)格（SAGA 64+，TMSi，荷蘭奧爾登扎爾）以 4000 Hz 的頻率記錄每位受試者右前臂的肌肉活動，該網(wǎng)格由 64 個 Ag/AgCl 電極組成（直徑 = 4.5 mm；電極間距 = 8.75 mm）（圖 2A）。8×8 網(wǎng)格每側(cè)跨度 7 厘米，覆蓋多塊前臂肌肉。
串?dāng)_研究中使用 DS8R 恒流刺激器（刺激電極放置位置見圖2C）以 1 Hz 的重復(fù)頻率施加單相陰極脈沖（1 ms 脈沖寬度），對正中神經(jīng)，尺神經(jīng)和橈神經(jīng)進(jìn)行電刺激，以選擇性募集該區(qū)域的肌肉。通過計算電極對在行（橫向）和列（縱向）方向上的線性相關(guān)系數(shù)以檢測串?dāng)_，相關(guān)性高于0.9則表示存在串?dāng)_。串?dāng)_研究后，研究者在前臂周圍放置多個HD-sEMG網(wǎng)格來映射多塊前臂肌肉的M波，并使用超聲探頭定位HD-sEMG電極下方的肌肉（見圖2D）。
本研究中單極蒙太奇指每個電極獨立記錄，不進(jìn)行空間濾波；雙極蒙太奇指記錄兩個相鄰電極之間的電壓差；而三級蒙太奇進(jìn)一步擴展雙極配置，通過測量兩組雙極信號的差值來增強信號隔離。
圖2. 實驗設(shè)置與超聲引導(dǎo)的肌肉邊界識別
研究結(jié)果以及解釋
三極蒙太奇顯著優(yōu)化肌電信號分離效果
圖3展示了在不同強度刺激下，串?dāng)_對表面肌電圖的振幅和肌肉激活模式的影響，以及空間濾波如何減少串?dāng)_。圖3第一行(Monopolar)展示了在單極導(dǎo)聯(lián)中，指淺屈�。‵DS）和橈側(cè)腕屈�。‵CR）的激活圖在較高刺激強度下開始融合，難以區(qū)分各自的貢獻(xiàn)。然而，應(yīng)用空間濾波后（圖3第二行和第三行），激活區(qū)域保持獨立，減少了串?dāng)_并改善了肌肉區(qū)分度。
圖3. 隨著刺激強度增加，串?dāng)_對表面肌電圖（sEMG）振幅和肌肉激活模式的影響。
三極蒙太奇空間濾波顯著降低了串?dāng)_
圖4直觀地展示了橫向（左圖）和縱向（右圖）方向上M波的相關(guān)系數(shù)的分布。而空間濾波方法，尤其是三極空間濾波在兩個方向上均降低了電極對M波的相關(guān)性，主要表現(xiàn)在：M波相關(guān)性小于0.9的電極對中，單極導(dǎo)聯(lián)有28.1%，表明了串?dāng)_嚴(yán)重；雙極和三極導(dǎo)聯(lián)分別有82.6%和93.7%。
圖4. 不同空間濾波器下電極間的 M 波相關(guān)系數(shù)
圖5則展示了從M波振幅衰減程度測量了串?dāng)_。單極導(dǎo)聯(lián)的振幅衰減極�。�10.32±5.30%），而雙極（35.43±10.49%）和三極（51.10±8.10%）導(dǎo)聯(lián)的衰減更大（圖5A），證實了空間濾波器在減少串?dāng)_中的有效性。
圖5. M波振幅衰減
超聲成像是區(qū)分肌肉腹側(cè)反應(yīng)與邊界信號的關(guān)鍵
圖6展示了5個被試的超聲界定的肌肉邊界，并與三極導(dǎo)聯(lián)熱圖共同顯示。三極蒙太奇的熱圖可清晰顯示肌肉激活熱點，并且可以分離兩塊肌肉，但隨著更多肌肉被募集，識別不同來源則變得更加困難（圖 6C）；而超聲成像可以更加清晰地區(qū)分肌肉邊界（紅色虛線）。
圖6. 5位受試者三極拓?fù)錈釄D和超聲界定的肌肉邊界
總結(jié)，不足和展望
本研究通過HD-sEMG結(jié)合雙極/三極空間濾波及超聲成像，在5名健康受試者前臂肌肉中證實，低強度刺激下單極HD-sEMG可分離M波且串?dāng)_極小，高強度刺激下三極濾波器能顯著減少串?dāng)_，超聲成像則有效驗證肌肉位置并區(qū)分信號真?zhèn)�；然而，研究存在三極濾波可能丟失目標(biāo)肌肉遠(yuǎn)場信號、未考慮深層肌肉串?dāng)_、樣本未納入神經(jīng)損傷人群及刺激未覆蓋復(fù)雜電位等不足；未來研究可結(jié)合功能性超聲與深度學(xué)習(xí)構(gòu)建多模態(tài)自適應(yīng)濾波模型，拓展至神經(jīng)損傷評估、肌電假肢實時控制及串?dāng)_與肌肉病理機制關(guān)聯(lián)等方向。
原文鏈接
Ernesto H. Bedoy, Efrain A. Guirola Diaz, Ashley N. Dalrymple, Isaiah Levy, Thomas Hyatt, Darcy M. Griffin, George F. Wittenberg, and Douglas J. Weber. Improving localization and measurements of M-waves using high-density surface electromyography. Journal of Neurophysiology. 2025. 133:1, 299-309.
https://doi.org/10.1152/jn.00354.2024
研究團隊介紹
該研究團隊由 Ernesto H. Bedoy、Efrain A. Guirola Diaz 等來自美國匹茲堡大學(xué)神經(jīng)科學(xué)中心、神經(jīng)基礎(chǔ)認(rèn)知中心、卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機械工程系等多機構(gòu)學(xué)者組成。
關(guān)于維拓啟創(chuàng)
維拓啟創(chuàng)（北京）信息技術(shù)有限公司成立于2006年，是一家專注于腦科學(xué)、康復(fù)工程、人因工程、心理學(xué)、體育科學(xué)等領(lǐng)域的科研解決方案供應(yīng)商。公司與國內(nèi)外多所大學(xué)、研究機構(gòu)、企業(yè)長期保持合作關(guān)系，致力于將優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品、先進(jìn)的技術(shù)和服務(wù)帶給各個領(lǐng)域的科研工作者，為用戶提供有競爭力的方案和服務(wù)，協(xié)助用戶的科研工作，持續(xù)提升使用體驗。
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