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 sEMG本應(yīng)精準驅(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

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

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sEMG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(Monopolar)展示了在單極導(dǎo)聯(lián)中，指淺屈?。‵DS）和橈側(cè)腕屈?。?/span>FCR）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。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?。?0.32±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位受試者三極拓撲熱圖和超聲界定的肌肉邊界

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)危蝗欢?，研究存在三極濾波可能丟失目標(biāo)肌肉遠場信號、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。

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