文獻分享 | 基于高密度肌電電勢圖的正常吞咽過程可視化研究

分類：

學術動態

作者：

高密度肌電

來源：

發布時間：

2024-08-28

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吞咽是維持生命最基本的生理活動之一，每天大約發生600次，它涉及大腦、神經及口腔、喉部和食道肌肉的復雜協調工作，確保食物順利進入胃中而不誤入鼻腔或呼吸道。

然而，中樞神經系統或神經的損傷可能導致吞咽障礙，這在老年人群中尤為常見，且是多種疾病如腦中風、帕金森病的并發癥。吞咽障礙嚴重影響患者的進食能力，甚至可能引發吸入性肺炎，危及生命。臨床上常用的評估方法包括X線熒光透視檢查、吞咽光纖內窺鏡檢查、咽部測壓儀和超聲成像等，但這些方法主要提供結構性或推理性的信息，無法直接觀察吞咽過程中的肌肉活動。

表面肌電信號(sEMG)作為一種無創方法，已被廣泛用于檢測肌肉活動，但由于大多數研究僅限于單個或少數肌肉，未能全面反映吞咽過程的復雜性。

為此，本文采用高密度肌電技術，通過二維陣列形式的多通道電極覆蓋下頜和頸部肌肉表面，同步采集 96 通道的肌電信號，并構建動態肌電電勢圖，直觀顯示吞咽過程中相關肌群的活動變化。這種方法不僅能夠為吞咽功能的評估和吞咽障礙的篩選提供更全面的信息，還可用于評價吞咽康復訓練的效果，具有重要的臨床應用價值。

實驗方法

1. 實驗對象：

• 實驗招募了 5 名正常吞咽功能的受試者（3 名男性，2 名女性，年齡在 23 到 28 歲）。

• 這些受試者無吞咽障礙病史，其他相關功能良好。

2. 肌電信號的采集：

• 實驗中使用二維陣列的表面肌電電極（16×6 矩陣，共 96 個電極），覆蓋在受試者頸前肌群。

• 電極間距為 10 mm，采樣頻率為 1000 Hz，濾波范圍為 10-750 Hz，參考電極放置在右手腕部。

• 為確保信號采集的精確性和可靠性，研究中使用了 TMSi 的 SAGA 高密度肌電系統，該系統以其高性能和多通道采集能力，在復雜的生物信號采集中表現出色。SAGA 系統的先進技術能夠提供高密度、精準的肌電信號，極大地支持了本研究在吞咽肌群電生理活動中的數據分析。

3. 吞咽實驗過程：

• 受試者進行三種吞咽測試：干吞（吞咽唾液）、5 mL 水吞咽、15 mL 水吞咽，每種測試重復三次。

• 實驗中，受試者保持上半身豎直，頭部正直，并按照指示完成吞咽。

4. 數據處理與分析：

• 原始肌電信號經過均一化和濾波預處理，并使用獨立成分分析（ICA）去除心電信號和 50 Hz 工頻干擾。

• 吞咽過程被分為 20 個 100 ms 的時間窗，每個時間窗內計算 96 個通道的均方根值（RMS），并將其重排成 16×6 的矩陣。

• 這些矩陣通過三次樣條插值擴展為 1500×500 的二維偽彩色電勢圖，以可視化表示吞咽肌電信號的分布，反映吞咽過程中頸前部肌群的活動情況。

實驗結果

實驗結果表明，通過多通道電極陣列采集吞咽肌群的表面肌電信號，并生成肌電能量動態電勢圖，可以觀察到吞咽過程中肌群的協同運動。我們利用寬度為 100 ms 的移動窗口逐一計算 96 個通道的肌電均方根值，生成了 20 個連續的關鍵幀，反映了吞咽過程中的動態變化。

圖 2 展示了一名受試者在吞咽 15 mL 清水過程中的典型肌電電勢圖。結果顯示，在吞咽的早期階段，受試者將水含在口中時，電勢圖的中心呈現出高強度區域（1～4 幀）。隨著吞咽動作的開始，高亮區域分成左右對稱的兩個部分（5～16 幀），并從圖像頂部向下移動，強度逐漸增強，在第 10 幀達到能量峰值。隨著吞咽過程的推進，食團下移，肌電活動的強度逐漸減弱，在第 20 幀完全消失。這種典型的動態肌電分布在其他四名受試者中也得到了驗證。

圖 3 比較了同一受試者在 5 mL 和 15 mL 清水吞咽實驗中的動態肌電電勢圖。結果表明，兩者的動態變化過程非常相似。在吞咽實驗開始階段，受試者將水含在口中時，電勢圖中心位置出現高強度區域（2～3 幀）。在實際吞咽動作開始后，肌電活動分為左右對稱的兩部分，從圖像上邊緣向下移動，至圖像中心位置達到最大值，隨后活動區域逐漸縮小，強度減弱直到消失。

圖 4 展示了干吞（自然吞咽唾液）時的動態肌電電勢圖，與吞水實驗相比，干吞實驗的結果存在顯著差異。由于干吞過程不需要將水含在口中，電勢圖中未出現類似于圖 3 中 2～3 幀所表現的中心高強度區域。此外，由于唾液相比清水具有更高的粘稠度，吞咽時間較長，肌電活動持續到第 20 幀才完全消失。

這些結果表明，不同吞咽方式下的動態肌電電勢圖能夠有效反映吞咽肌群的協同運動及其差異。

討論

吞咽過程中，吞咽肌群的主動或被動收縮產生的神經肌肉電信號與吞咽功能有著較強的電生理相關性。這使得利用表面肌電信號研究吞咽功能及吞咽障礙成為了科研人員和臨床醫生廣泛關注的領域。相較于傳統的X線熒光透視檢查或內窺鏡檢查等方法，表面肌電法具有無創、無輻射、測量簡單等優點。然而，基于肌電的吞咽功能研究仍存在一些局限，目前的研究通常采用少量電極（2至6個），捕獲的有限通道信息難以全面反映吞咽過程中復雜的肌電動態分布。本文創新性地引入了高密度肌電采集設備用于吞咽研究，通過建立動態肌電電勢圖方法，實現了吞咽過程中相關肌群電生理活動的可視化。

研究結果表明，高密度肌電電勢圖能夠提供吞咽過程肌電信號的空間分布信息，如圖2至圖4所示。與現有的針對單個肌肉或肌群的研究不同，本文通過高密度肌電方法研究了吞咽肌群之間的協調性和肌電分布情況。電勢圖的方法能夠揭示吞咽肌肉電信號分布的動態變化輪廓。通過均方根值描述肌肉的活動能量，并將其賦值給電勢圖中的空間坐標色彩，實現信息的可視化處理。單個電勢圖只能描述靜態的吞咽肌群收縮情況，而通過將不同吞咽時期產生的一系列靜態肌電電勢圖連接在一起，可以形成整個吞咽過程的動態變化圖，從而更直觀地評估吞咽過程中肌群的收縮狀況。綜上所述，高密度表面肌電陣列電極的應用能夠對吞咽過程中頸部吞咽肌肉功能進行直觀觀察和綜合評價。

本研究的動態肌電電勢圖與Koichiro等人提出的吞咽生理生物學規律相一致。在實際的吞咽過程中，吞咽初期，通過提起軟腭將食物推向口咽部腭舌弓，同時頦下肌肉開始收縮，這一過程在電勢圖上表現為肌電活動集中在圖像上邊緣，如圖2中的第5幀至第7幀。隨后，在咽反射階段，當食物進入食管時，舌骨下肌開始活動，對應的電勢圖中大量肌電活動集中于中心位置，如圖2中的第9幀至第13幀。頦下肌肉的活躍通常發生在吞咽初期，而舌骨下肌的活躍期則一般出現在吞咽結束時。

結論

本文將高密度肌電技術應用于吞咽生理的研究中，動態肌電電勢圖可以完整地描述吞咽過程中肌群活動分布的連續變化。這種方法的優點在于能夠將吞咽時肌肉收縮協調性以及表面肌電信號分布變化規律對應到二維平面上的色彩分布變化，直觀地反映出吞咽肌肉活動的動態變化。經初步研究，我們相信，在未來的臨床應用上，動態肌電電勢圖可以作為一種吞咽功能評估、吞咽障礙篩查和吞咽康復評價的有效工具。

參考文獻：朱明星, 于濱, 方鵬, & 李光林. (2013). 基于高密度肌電電勢圖的正常吞咽過程可視化研究. 集成技術(4), 39-43.

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