王亞薇， 楊 陽(yáng)， 李耀民

表面肌電圖（surface electromyography, sEMG），也稱(chēng)動(dòng)態(tài)肌電圖（dynamic electromyography, DEMG），通過(guò)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(dòng)時(shí)的生物電信號(hào)的測(cè)定方法[1-2]。近年來(lái)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(hào)代表肌肉功能的特征，提供有關(guān)肌肉活動(dòng)的信息。分析這一信號(hào)可以為醫(yī)學(xué)健康專(zhuān)家提供診斷信息，在決定肌肉功能障礙的適當(dāng)治療方案時(shí)可以作為一個(gè)有用的工具[3]。

使用特定的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)對(duì)骨科患者的步態(tài)功能進(jìn)行評(píng)估是非常必要的，但是，當(dāng)結(jié)合不同的運(yùn)動(dòng)任務(wù)和sEMG評(píng)估時(shí)，這些評(píng)估可能會(huì)對(duì)特定患者的步態(tài)和肌肉平衡給出完整的認(rèn)識(shí)[4]。特別是在特定運(yùn)動(dòng)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(dāng)自主活動(dòng)時(shí)，sEMG可以描繪出患者步態(tài)中肌肉收縮的時(shí)間和水平。這與運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)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(yùn)動(dòng)[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(píng)估，可能為及時(shí)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(gè)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(jì)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(wèn)題：1）噪音控制；2）波頻；3）串?dāng)_；4）sEMG電極放置方案；5）sEMG信號(hào)的時(shí)序和強(qiáng)度；6）標(biāo)準(zhǔn)化。

1 噪音控制

由組織運(yùn)動(dòng)和環(huán)境因素可產(chǎn)生噪聲信號(hào)，這些噪聲信號(hào)會(huì)影響肌電信號(hào)的診斷，噪聲信號(hào)可以通過(guò)濾波和使用差分放大器排除，以抑制共模信號(hào)[9]。Stachaczyk等[10]提出了一種自適應(yīng)的高密度肌電信號(hào)自動(dòng)檢測(cè)和衰減算法，該方法通過(guò)信號(hào)相似性的時(shí)間-頻譜度量來(lái)推斷每個(gè)肌電通道中是否存在噪聲。實(shí)驗(yàn)證明，該方法不僅可以提高高密度肌電信號(hào)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(zhǔn)確性。為了把噪聲最小化，在數(shù)據(jù)采集時(shí)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(hào)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(jìn)行肌電信號(hào)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(hào)頻率范圍廣，與關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)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(huì)產(chǎn)生10 Hz的信號(hào)，行走時(shí)地面反饋會(huì)產(chǎn)生25 ～30 Hz的信號(hào)。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(lái)自電子設(shè)備的常規(guī)60 Hz信號(hào)。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]?？傊^大部分學(xué)者認(rèn)為40～1000 Hz的波頻適用于sEMG[17-18]。

3 串?dāng)_

sEMG信號(hào)起源于運(yùn)動(dòng)單元?jiǎng)幼麟娢? motor unit action potential, MUAP)，運(yùn)動(dòng)單位是肌肉活動(dòng)的最小單位，實(shí)際的肌肉收縮是多個(gè)運(yùn)動(dòng)單位共同參與活動(dòng)的結(jié)果。大量的運(yùn)動(dòng)單位同時(shí)興奮則電位募集，電流通過(guò)人體組織到達(dá)皮膚，再通過(guò)記錄電極、放大器顯示。因此表面肌電圖信號(hào)實(shí)質(zhì)上是多個(gè)運(yùn)動(dòng)單位動(dòng)作電位的總和。這些運(yùn)動(dòng)單位活動(dòng)的總和構(gòu)成了肌電信號(hào)的強(qiáng)度。所以在記錄肌肉群活動(dòng)時(shí)，EMG記錄的可能包含有不關(guān)注的肌肉信號(hào)。

串?dāng)_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(guò)拾取增效劑的信號(hào)可能可以鑒定出哪組肌肉是沒(méi)有收縮的。通過(guò)選擇電極尺寸和電極間距離可以最大程度地減少串?dāng)_。Koh等[19]認(rèn)為串?dāng)_的原因可能是表面電極中低到中等的信號(hào)而不是因?yàn)榧∪獾墓餐湛s。這一點(diǎn)在一項(xiàng)針對(duì)兒童拮抗肌共同作用研究中得到了證實(shí)[20]。研究人員表明在整個(gè)步態(tài)周期中連續(xù)記錄EMG，在平均6.5%的最大強(qiáng)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(fù)荷時(shí)才會(huì)發(fā)生重疊，因此，真正的共同收縮是不連續(xù)的。

消除串?dāng)_的方法有很多種。而目前還沒(méi)有確定的方法來(lái)避免串?dāng)_的發(fā)生。Mesin[21]采用時(shí)空濾波器方法，在時(shí)間和不同通道之間進(jìn)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(hào)，該方法處理的單差分或雙差分?jǐn)?shù)據(jù)的信噪比平均提高約2db，可以減少由串?dāng)_引起的傳導(dǎo)速度和傳導(dǎo)力的偏差。Di等[22]研究開(kāi)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(lèi)和預(yù)測(cè)的精確方法，其貢獻(xiàn)在于僅從單個(gè)受試者的肌電信號(hào)中預(yù)測(cè)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(hào)分析的一個(gè)關(guān)鍵原理是將信號(hào)分解成多個(gè)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(hào)數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換成各個(gè)MUAP。也有研究報(bào)道，主成分分析法是一個(gè)分析高精度數(shù)據(jù)強(qiáng)有力的工具，有進(jìn)一步改進(jìn)從表面肌電信號(hào)估計(jì)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(hào)的無(wú)創(chuàng)電極。皮膚屬于不良導(dǎo)體，對(duì)肌電信號(hào)存在阻抗（即電流通過(guò)物質(zhì)時(shí)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(xì)胞等眾多因素的影響。為了盡可能地降低阻抗，需要對(duì)皮膚進(jìn)行處理，臨床上通常采用酒精棉球擦拭來(lái)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(gè)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(guò)大。不同設(shè)備配置的電極有所不同，有固定兩個(gè)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(wú)肌肉組織的骨面皮膚上。

5 sEMG信號(hào)的時(shí)序和強(qiáng)度

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

動(dòng)態(tài)肌電圖所獲得的基本信息是步態(tài)周期中的每一個(gè)階段肌肉作用的結(jié)果。也就是基于與肢體運(yùn)動(dòng)有關(guān)的肌肉活動(dòng)開(kāi)始和停止的時(shí)間，以及肌肉收縮到極限的時(shí)間。肌電記錄的節(jié)點(diǎn)一定是分階段確定的，同時(shí)還需要記錄當(dāng)時(shí)的肢體功能。一般是記錄三個(gè)步態(tài)周期的開(kāi)始和結(jié)束時(shí)間，并計(jì)算其平均數(shù)。

肌肉活動(dòng)強(qiáng)度從肌電圖中提取出來(lái)，用于單自由度激活。在步態(tài)分析中，三個(gè)完整步態(tài)周期的信號(hào)用于評(píng)估肌肉活動(dòng)的時(shí)間和相對(duì)強(qiáng)度。在人體整個(gè)步態(tài)周期中都有正常的EMG激活。動(dòng)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(hào)通常為監(jiān)測(cè)肌肉的開(kāi)-關(guān)活動(dòng)，其中“開(kāi)”為最大自主收縮的5%。它可以通過(guò)全波整流EMG集成來(lái)評(píng)估相對(duì)肌肉收縮情況。與正常時(shí)序模式的偏差可分為七種類(lèi)型：過(guò)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(shí)序錯(cuò)誤可為適應(yīng)性模式、病理模式和神經(jīng)異常。步態(tài)過(guò)程中動(dòng)態(tài)肌電數(shù)據(jù)的時(shí)序信息為臨床決策提供了重要的依據(jù)。

6 標(biāo)準(zhǔn)化

為肌電圖記錄得到一個(gè)有意義的數(shù)值，需要三步。對(duì)原始肌電圖數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，數(shù)字化和標(biāo)準(zhǔn)化。為了對(duì)處理后的肌電數(shù)據(jù)進(jìn)行相對(duì)評(píng)估，需要一種標(biāo)準(zhǔn)化方法來(lái)處理包含電極采樣檢測(cè)到的運(yùn)動(dòng)單元數(shù)目的個(gè)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(duì)不同個(gè)體之間和不同時(shí)段、不同實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較時(shí)，也必須做標(biāo)準(zhǔn)化處理。標(biāo)準(zhǔn)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(lái)表達(dá)。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)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(gè)體的EMG值進(jìn)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(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)決策治療此類(lèi)患者所選擇合適方法的有用工具，sEMG用于評(píng)估運(yùn)動(dòng)過(guò)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(duì)于有意義的數(shù)據(jù)采集，研究者應(yīng)該始終遵循一種準(zhǔn)確而充分的方法，臨床工作中應(yīng)盡可能建立標(biāo)準(zhǔn)化的操作程序，以便不同肌肉、不同個(gè)體和不同時(shí)段的測(cè)試結(jié)果具有可比性。建議做到以下幾點(diǎn)：1）受試者盡量穿著寬松衣物，過(guò)緊的衣物會(huì)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(hào)采集的穩(wěn)定性，電極片的放置盡量避開(kāi)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)。4）可應(yīng)用小的電極避免串?dāng)_。5）電極和皮膚接觸需要一定的時(shí)間才能達(dá)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(guò)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(yùn)動(dòng)干擾波，可應(yīng)用高通濾波將低于某頻率的肌電信號(hào)去除。