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康復(fù)大學(xué)周平教授團(tuán)隊(duì)最新高密度表面肌電信號(hào)分解綜述

瀏覽次數(shù):545 發(fā)布日期:2025-4-16  來源:本站 僅供參考,謝絕轉(zhuǎn)載,否則責(zé)任自負(fù)
前言
康復(fù)大學(xué)陳茂啟副教授與周平教授近期在《IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering》發(fā)表最新綜述,系統(tǒng)總結(jié)了HD-sEMG分解技術(shù)的發(fā)展,從CKC奠基到2CFastICA創(chuàng)新,算法效率提升顯著,但仍面臨動(dòng)態(tài)分解與實(shí)時(shí)性挑戰(zhàn)。并提出“高密度表面肌電分解開源代碼與數(shù)據(jù)共享”的倡議,旨在推動(dòng)該技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室研究向臨床診斷、康復(fù)工程等領(lǐng)域的轉(zhuǎn)化和應(yīng)用。


高密度表面肌電(HD-sEMG)分解是一種非侵入式技術(shù),能夠提取運(yùn)動(dòng)單位動(dòng)作電位(MUAP)序列,進(jìn)而揭示脊髓運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的活動(dòng)規(guī)律,為肌肉收縮機(jī)制研究及運(yùn)動(dòng)控制理解提供關(guān)鍵依據(jù)。這項(xiàng)技術(shù)在神經(jīng)疾病診斷、康復(fù)評(píng)估及人機(jī)交互等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊前景?祻(fù)大學(xué)陳茂啟副教授與周平教授近期在《IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering》發(fā)表綜述,系統(tǒng)總結(jié)了HD-sEMG分解的發(fā)展歷程、技術(shù)突破與當(dāng)前面臨的核心挑戰(zhàn)。

 

一、從針電極到高密度陣列:技術(shù)演進(jìn)之路
肌電信號(hào)(EMG)記錄與分析技術(shù)自20世紀(jì)中葉興起以來,始終是揭示神經(jīng)肌肉系統(tǒng)工作原理的重要手段。在早期的研究中,科研人員主要依賴針電極深入肌肉組織內(nèi)部,以獲取單個(gè)或少量運(yùn)動(dòng)單位的動(dòng)作電位序列。這種“侵入式”方法雖然在分離信號(hào)成分方面具有高精度,但由于其操作復(fù)雜、受試者舒適度差和臨床推廣難度大,始終局限于實(shí)驗(yàn)室或小規(guī)模臨床研究中。為突破這一限制,科學(xué)家們開始嘗試?yán)帽砻婕‰妶D(sEMG)實(shí)現(xiàn)非侵入式記錄。然而傳統(tǒng)的單通道表面肌電存在明顯短板,即MUAP波形在不同運(yùn)動(dòng)單位間高度相似,加之多個(gè)信號(hào)疊加重合,以及表皮和皮下組織對(duì)信號(hào)的濾波衰減,導(dǎo)致信號(hào)的分解難度遠(yuǎn)高于針電極數(shù)據(jù)。這使得早期基于模板匹配的分解方法難以勝任表面肌電的復(fù)雜情況。真正的技術(shù)突破出現(xiàn)在高密度表面電極陣列(HD-sEMG)的問世。這種新型電極陣列由幾十甚至上百個(gè)電極組成,通常呈二維網(wǎng)格排布,可在非侵入條件下高密度覆蓋目標(biāo)肌肉區(qū)域。其最大優(yōu)勢(shì)在于同時(shí)采集到肌肉電活動(dòng)的“時(shí)間+空間”信息:不同運(yùn)動(dòng)單位由于解剖位置不同,其MUAP在電極陣列上呈現(xiàn)出獨(dú)特的空間分布特征,從而為分離多個(gè)信號(hào)源提供了可能。在這一硬件基礎(chǔ)上,分解策略也發(fā)生了深刻變革。分解方法不再僅依賴波形匹配,而是演進(jìn)為多通道協(xié)同處理與盲源分離(BSS)的信號(hào)處理問題。

A.侵入式肌電電極;B.高密度肌電電極
 
 
 a) 8x4 高密度電極網(wǎng)格;b) 在脊柱兩側(cè)分別應(yīng)用 HD-EMG;c) 電極差分均方根值;d) 高密度電極插值平滑熱圖。From Campanini et al., Sensors 2022, https://doi.org/10.3390/S22114150/S1 

二、技術(shù)進(jìn)展:從瞬時(shí)混合模型到2CFastICA
最早期的HD-sEMG分解嘗試使用了如FastICA和JADE等BSS算法,基于瞬時(shí)混合模型進(jìn)行信號(hào)分離。然而,這一模型假設(shè)不同通道中的MUAP波形相同,僅存在幅度差異,未能考慮肌電信號(hào)不同通道中真實(shí)存在的傳播延遲與波形差異,導(dǎo)致分解效果不理想,特別是在通道數(shù)少于活躍運(yùn)動(dòng)單位數(shù)的情況下。2000年代初,Holobar和Zazula教授提出“卷積混合模型”,并據(jù)此發(fā)展出“卷積核補(bǔ)償”(CKC)算法。這一方法首次在理論上準(zhǔn)確描述了平穩(wěn)狀態(tài)下的HD-sEMG信號(hào)的生成機(jī)制,成為高密度肌電分解的奠基性工作,并通過一系列仿真與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證其有效性,推動(dòng)多個(gè)后續(xù)改進(jìn)算法的出現(xiàn)。盡管CKC在性能上取得突破,其迭代計(jì)算仍存在收斂慢和重復(fù)提取的問題。

2015年,陳茂啟與周平教授提出“Progressive FastICA Peel-off”(PFP)框架,將FastICA與剝離策略結(jié)合,通過“識(shí)別-重建-剝離-再識(shí)別”過程迭代提取多個(gè)運(yùn)動(dòng)單位,有效規(guī)避了局部收斂問題。PFP的關(guān)鍵在于,每識(shí)別出一個(gè)運(yùn)動(dòng)單位發(fā)放序列后,通過最小二乘法估計(jì)其運(yùn)動(dòng)單位動(dòng)作電位序列并從原始信號(hào)中剝離,使得下一輪分解更容易提取新的運(yùn)動(dòng)單位。此方法還引入相關(guān)性約束修正機(jī)制,提高了錯(cuò)誤識(shí)別校正能力。PFP雖有效,但仍存在效率不足等問題。2024年,兩位作者進(jìn)一步提出“2CFastICA”方法,引入“核空間約束”理念,保證新識(shí)別的運(yùn)動(dòng)單位發(fā)放序列與已識(shí)別結(jié)果及其延遲版本正交,極大提升了分解效率。該方法有機(jī)地結(jié)合核約束FastICA與相關(guān)性約束FastICA,在保證準(zhǔn)確性的同時(shí),減少了對(duì)復(fù)雜剝離處理的依賴,成為當(dāng)前高密度肌電分解的代表性先進(jìn)算法。

 
高密度表面肌電分解示意圖(圖片來自作者)
 
PFP高密度表面肌電分解算法框架(圖片來自作者)
 
PFP分解算法實(shí)現(xiàn)3次運(yùn)動(dòng)單位剝離過程的動(dòng)圖示例(圖片來自作者)
 
三、技術(shù)挑戰(zhàn):三大難題待解
雖然近年來高密度肌電分解取得長足進(jìn)展,但該技術(shù)仍存在三大關(guān)鍵挑戰(zhàn),限制其在實(shí)際應(yīng)用中的廣泛部署。HD-sEMG信號(hào)的可分解性取決于諸多因素。理想情況下,信號(hào)需滿足“等長等力收縮”的假設(shè),以保證模型穩(wěn)定性。然而在真實(shí)環(huán)境中,諸如大肌肉容積傳導(dǎo)效應(yīng)、皮下組織濾波作用、采集質(zhì)量、受試者病理狀態(tài)等因素都會(huì)破壞這一假設(shè),導(dǎo)致即使使用先進(jìn)算法也難以成功分解。研究者需進(jìn)一步探討信號(hào)結(jié)構(gòu)特征與分解性能之間的關(guān)系,明確哪些條件下該技術(shù)可穩(wěn)定運(yùn)行。

肌電分解的另一個(gè)挑戰(zhàn)是動(dòng)態(tài)信號(hào)分解困難,F(xiàn)有HD-sEMG分解方法大多基于卷積混合模型,適用于靜態(tài)或穩(wěn)態(tài)肌肉收縮任務(wù)。然而,在動(dòng)態(tài)任務(wù)中,MUAP波形隨時(shí)間變化、運(yùn)動(dòng)單位招募數(shù)量變動(dòng),使得該模型失效。目前解決策略如“分段分析”“重復(fù)收縮”雖可部分應(yīng)對(duì)非平穩(wěn)性,但仍難適用于快速變化場(chǎng)景,如運(yùn)動(dòng)意圖識(shí)別或假肢控制。真正的“動(dòng)態(tài)肌電分解”仍處于初級(jí)探索階段,亟待基礎(chǔ)建模與算法突破。

此外,實(shí)時(shí)分解技術(shù)仍難以落地。許多應(yīng)用場(chǎng)景(如實(shí)時(shí)假肢控制)要求對(duì)肌電信號(hào)進(jìn)行“實(shí)時(shí)分解”。但現(xiàn)有方法通常需幾秒長的信號(hào)以便提取統(tǒng)計(jì)特征,導(dǎo)致難以在線運(yùn)行。部分研究嘗試?yán)秒x線分解獲得運(yùn)動(dòng)單位的分解向量,并依此在線識(shí)別已有運(yùn)動(dòng)單位,但該“實(shí)時(shí)識(shí)別”方法依賴于電極位置、肌肉狀態(tài)的穩(wěn)定,無法識(shí)別新運(yùn)動(dòng)單位,且泛化能力有限。要實(shí)現(xiàn)真正的實(shí)時(shí)分解,仍需突破算法對(duì)數(shù)據(jù)長度和穩(wěn)定性的依賴。

四、面向未來:推動(dòng)開放共享與跨界合作
HD-sEMG分解技術(shù)的發(fā)展,不僅需要在算法模型上不斷創(chuàng)新,更需要形成一種開放透明、協(xié)作共進(jìn)的研究氛圍。推動(dòng)HD-sEMG分解算法與數(shù)據(jù)的開放共享,是促進(jìn)該領(lǐng)域健康發(fā)展的關(guān)鍵。目前已有研究團(tuán)隊(duì)公開了其源碼與測(cè)試數(shù)據(jù),如作者團(tuán)隊(duì)開放的PFP程序和2CFastICA分解算法的源代碼,為該領(lǐng)域研究者搭建了交流橋梁。未來,它有望成為神經(jīng)肌肉疾病早期檢測(cè)、康復(fù)干預(yù)個(gè)性化評(píng)估、人機(jī)交互智能控制等方向的關(guān)鍵技術(shù)支撐。

參考文獻(xiàn)
M. Chen and P. Zhou, "High-Density Surface EMG Decomposition: Achievements, Challenges, and Concerns," in IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, vol. 33, pp. 1212-1219, 2025, doi: 10.1109/TNSRE.2025.3551630.

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