利用高密度表面肌电图改进M波的定位和测量
利用高密度表面肌电图改进M波的定位与测量
学术背景
表面肌电图（surface electromyography, sEMG）是一种用于研究肌肉功能和控制假肢的重要工具。然而，由于附近肌肉的信号干扰（cross talk），sEMG的有效性常常受到限制。特别是在前臂等肌肉密集的区域，信号干扰问题尤为突出。为了解决这一问题，研究人员引入了高密度表面肌电图（high-density sEMG, HD-sEMG）技术，该技术通过提高空间分辨率，能够更好地隔离目标肌肉的M波（肌肉动作电位）。本研究旨在评估HD-sEMG在M波定位中的表现，并探讨空间滤波器在减少信号干扰方面的作用。
论文来源
本论文由Ernesto H. Bedoy、Efrain A. Guirola Diaz等多名研究人员共同撰写，他们分别来自美国匹兹堡大学、卡内基梅隆大学等多个研究机构。论文于2024年12月20日首次发表在《Journal of Neurophysiology》上，DOI为10.1152/jn.00354.2024。
研究流程
1. 研究对象与实验设计
研究招募了5名右利手的健康志愿者（3名男性，年龄24-40岁）。所有参与者均签署了知情同意书，并符合研究纳入标准。研究的主要目标是通过HD-sEMG技术，结合超声成像，精确测量前臂肌肉的M波，并评估不同空间滤波器（单极、双极和三极）在减少信号干扰方面的效果。
2. HD-sEMG电极放置与记录
研究人员在参与者的右前臂上放置了64个电极的HD-sEMG网格（SAGA 64+，TMSi），电极间距为8.75毫米。电极网格覆盖了多个前臂肌肉，并通过超声成像确认了肌肉的位置和边界。实验过程中，研究人员对参与者的正中神经、尺神经和桡神经进行了电刺激，以选择性激活目标肌肉。
3. 信号处理与分析
研究人员使用自定义的MATLAB脚本对HD-sEMG数据进行了处理。首先，去除了电刺激产生的伪影，然后应用了10 Hz的高通滤波器。M波的幅度通过峰值到峰值的测量来量化，并在不同的刺激强度下生成了招募曲线。为了检测信号干扰，研究人员计算了电极对之间的线性相关系数，并通过超声成像确认了肌肉的激活区域。
4. 空间滤波器的应用
研究比较了单极、双极和三极空间滤波器在减少信号干扰方面的效果。结果显示，三极滤波器在减少信号干扰方面表现最佳，能够显著降低相邻肌肉的信号干扰，尤其是在高刺激强度下。
主要结果
1. M波的定位与信号干扰
研究表明，HD-sEMG能够在前臂肌肉中成功隔离M波，尤其是在低刺激强度下，信号干扰最小。然而，随着刺激强度的增加，信号干扰显著增加。通过应用双极和三极空间滤波器，信号干扰得到了有效减少。三极滤波器在减少信号干扰方面表现尤为突出，能够将信号干扰降低到可忽略的水平。
2. 超声成像的作用
超声成像在确认肌肉边界和位置方面发挥了关键作用。通过超声成像，研究人员能够准确识别HD-sEMG网格下的肌肉，并区分真正的肌肉激活与信号干扰。
3. 空间滤波器的效果
研究结果显示，单极HD-sEMG在电极对之间的相关性较高（横向r=0.97，纵向r=0.95），而双极和三极滤波器的相关性较低（双极：横向r=0.41，纵向r=0.19；三极：横向r=0.17，纵向r=0.01）。三极滤波器能够显著减少信号干扰，信号幅度在一个电极距离外衰减了51.10%，而单极滤波器仅衰减了10.32%。
结论与意义
本研究通过HD-sEMG技术结合超声成像，成功提高了M波的定位精度，并有效减少了信号干扰。三极空间滤波器在减少信号干扰方面表现最佳，能够显著提高肌肉激活的测量准确性。这一研究成果为神经生理学研究提供了新的工具，特别是在评估运动通路完整性和开发神经康复工具方面具有重要应用价值。
研究亮点
- 创新性方法：本研究首次将HD-sEMG与超声成像结合，提供了一种新的方法来精确测量和定位M波。
- 信号干扰的有效减少：通过应用三极空间滤波器，研究成功将信号干扰降低到可忽略的水平，显著提高了测量精度。
- 临床应用潜力：该技术可以用于开发更精确的假肢控制系统，并为神经损伤患者的康复提供新的评估工具。
其他有价值的信息
研究还发现，信号干扰在前臂肌肉边界处尤为明显，超声成像在区分肌肉激活区域和信号干扰方面发挥了重要作用。此外，研究数据和分析代码已公开，可供其他研究人员进一步验证和应用。
通过本研究，研究人员不仅解决了HD-sEMG技术中的信号干扰问题，还为未来的神经生理学研究和临床应用提供了新的思路和方法。