文献分享 | 基于高密度肌电电势图的正常吞咽过程可视化研究

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学术动态

作者：

高密度肌电

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发布时间：

2024-08-28

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吞咽是维持生命最基本的生理活动之一，每天大约发生600次，它涉及大脑、神经及口腔、喉部和食道肌肉的复杂协调工作，确保食物顺利进入胃中而不误入鼻腔或呼吸道。

然而，中枢神经系统或神经的损伤可能导致吞咽障碍，这在老年人群中尤为常见，且是多种疾病如脑中风、帕金森病的并发症。吞咽障碍严重影响患者的进食能力，甚至可能引发吸入性肺炎，危及生命。临床上常用的评估方法包括X线荧光透视检查、吞咽光纤内窥镜检查、咽部测压仪和超声成像等，但这些方法主要提供结构性或推理性的信息，无法直接观察吞咽过程中的肌肉活动。

表面肌电信号(sEMG)作为一种无创方法，已被广泛用于检测肌肉活动，但由于大多数研究仅限于单个或少数肌肉，未能全面反映吞咽过程的复杂性。

为此，本文采用高密度肌电技术，通过二维阵列形式的多通道电极覆盖下颌和颈部肌肉表面，同步采集 96 通道的肌电信号，并构建动态肌电电势图，直观显示吞咽过程中相关肌群的活动变化。这种方法不仅能够为吞咽功能的评估和吞咽障碍的筛选提供更全面的信息，还可用于评价吞咽康复训练的效果，具有重要的临床应用价值。

实验方法

1. 实验对象：

• 实验招募了 5 名正常吞咽功能的受试者（3 名男性，2 名女性，年龄在 23 到 28 岁）。

• 这些受试者无吞咽障碍病史，其他相关功能良好。

2. 肌电信号的采集：

• 实验中使用二维阵列的表面肌电电极（16×6 矩阵，共 96 个电极），覆盖在受试者颈前肌群。

• 电极间距为 10 mm，采样频率为 1000 Hz，滤波范围为 10-750 Hz，参考电极放置在右手腕部。

• 为确保信号采集的精确性和可靠性，研究中使用了 TMSi 的 SAGA 高密度肌电系统，该系统以其高性能和多通道采集能力，在复杂的生物信号采集中表现出色。SAGA 系统的先进技术能够提供高密度、精准的肌电信号，极大地支持了本研究在吞咽肌群电生理活动中的数据分析。

3. 吞咽实验过程：

• 受试者进行三种吞咽测试：干吞（吞咽唾液）、5 mL 水吞咽、15 mL 水吞咽，每种测试重复三次。

• 实验中，受试者保持上半身竖直，头部正直，并按照指示完成吞咽。

4. 数据处理与分析：

• 原始肌电信号经过均一化和滤波预处理，并使用独立成分分析（ICA）去除心电信号和 50 Hz 工频干扰。

• 吞咽过程被分为 20 个 100 ms 的时间窗，每个时间窗内计算 96 个通道的均方根值（RMS），并将其重排成 16×6 的矩阵。

• 这些矩阵通过三次样条插值扩展为 1500×500 的二维伪彩色电势图，以可视化表示吞咽肌电信号的分布，反映吞咽过程中颈前部肌群的活动情况。

实验结果

实验结果表明，通过多通道电极阵列采集吞咽肌群的表面肌电信号，并生成肌电能量动态电势图，可以观察到吞咽过程中肌群的协同运动。我们利用宽度为 100 ms 的移动窗口逐一计算 96 个通道的肌电均方根值，生成了 20 个连续的关键帧，反映了吞咽过程中的动态变化。

图 2 展示了一名受试者在吞咽 15 mL 清水过程中的典型肌电电势图。结果显示，在吞咽的早期阶段，受试者将水含在口中时，电势图的中心呈现出高强度区域（1～4 帧）。随着吞咽动作的开始，高亮区域分成左右对称的两个部分（5～16 帧），并从图像顶部向下移动，强度逐渐增强，在第 10 帧达到能量峰值。随着吞咽过程的推进，食团下移，肌电活动的强度逐渐减弱，在第 20 帧完全消失。这种典型的动态肌电分布在其他四名受试者中也得到了验证。

图 3 比较了同一受试者在 5 mL 和 15 mL 清水吞咽实验中的动态肌电电势图。结果表明，两者的动态变化过程非常相似。在吞咽实验开始阶段，受试者将水含在口中时，电势图中心位置出现高强度区域（2～3 帧）。在实际吞咽动作开始后，肌电活动分为左右对称的两部分，从图像上边缘向下移动，至图像中心位置达到最大值，随后活动区域逐渐缩小，强度减弱直到消失。

图 4 展示了干吞（自然吞咽唾液）时的动态肌电电势图，与吞水实验相比，干吞实验的结果存在显著差异。由于干吞过程不需要将水含在口中，电势图中未出现类似于图 3 中 2～3 帧所表现的中心高强度区域。此外，由于唾液相比清水具有更高的粘稠度，吞咽时间较长，肌电活动持续到第 20 帧才完全消失。

这些结果表明，不同吞咽方式下的动态肌电电势图能够有效反映吞咽肌群的协同运动及其差异。

讨论

吞咽过程中，吞咽肌群的主动或被动收缩产生的神经肌肉电信号与吞咽功能有着较强的电生理相关性。这使得利用表面肌电信号研究吞咽功能及吞咽障碍成为了科研人员和临床医生广泛关注的领域。相较于传统的X线荧光透视检查或内窥镜检查等方法，表面肌电法具有无创、无辐射、测量简单等优点。然而，基于肌电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电极（2至6个），捕获的有限通道信息难以全面反映吞咽过程中复杂的肌电动态分布。本文创新性地引入了高密度肌电采集设备用于吞咽研究，通过建立动态肌电电势图方法，实现了吞咽过程中相关肌群电生理活动的可视化。

研究结果表明，高密度肌电电势图能够提供吞咽过程肌电信号的空间分布信息，如图2至图4所示。与现有的针对单个肌肉或肌群的研究不同，本文通过高密度肌电方法研究了吞咽肌群之间的协调性和肌电分布情况。电势图的方法能够揭示吞咽肌肉电信号分布的动态变化轮廓。通过均方根值描述肌肉的活动能量，并将其赋值给电势图中的空间坐标色彩，实现信息的可视化处理。单个电势图只能描述静态的吞咽肌群收缩情况，而通过将不同吞咽时期产生的一系列静态肌电电势图连接在一起，可以形成整个吞咽过程的动态变化图，从而更直观地评估吞咽过程中肌群的收缩状况。综上所述，高密度表面肌电阵列电极的应用能够对吞咽过程中颈部吞咽肌肉功能进行直观观察和综合评价。

本研究的动态肌电电势图与Koichiro等人提出的吞咽生理生物学规律相一致。在实际的吞咽过程中，吞咽初期，通过提起软腭将食物推向口咽部腭舌弓，同时颏下肌肉开始收缩，这一过程在电势图上表现为肌电活动集中在图像上边缘，如图2中的第5帧至第7帧。随后，在咽反射阶段，当食物进入食管时，舌骨下肌开始活动，对应的电势图中大量肌电活动集中于中心位置，如图2中的第9帧至第13帧。颏下肌肉的活跃通常发生在吞咽初期，而舌骨下肌的活跃期则一般出现在吞咽结束时。

结论

本文将高密度肌电技术应用于吞咽生理的研究中，动态肌电电势图可以完整地描述吞咽过程中肌群活动分布的连续变化。这种方法的优点在于能够将吞咽时肌肉收缩协调性以及表面肌电信号分布变化规律对应到二维平面上的色彩分布变化，直观地反映出吞咽肌肉活动的动态变化。经初步研究，我们相信，在未来的临床应用上，动态肌电电势图可以作为一种吞咽功能评估、吞咽障碍筛查和吞咽康复评价的有效工具。

参考文献：朱明星, 于滨, 方鹏, & 李光林. (2013). 基于高密度肌电电势图的正常吞咽过程可视化研究. 集成技术(4), 39-43.

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