导语
本文将介绍高密度肌电图（HD-EMG）的三个主要的测量领域：区域激活、肌肉纤维特性以及单个运动单位的活动，并探讨这三个领域中HD-EMG的可能应用。
双电极肌电图通过两个电极提供肌肉活动的总体、全局测量。 高密度肌电图（HD-EMG）则通过至少四个紧密间隔的电极测量皮肤表面的区域肌肉激活。因此，HD-EMG能够捕捉肌肉激活的区域差异。此外，HD-EMG利用多通道，能够检测到多个运动单位的激活点，从而识别单个运动单位的活动。与双电极肌电图相比，HD-EMG能提供更多的肌肉激活信息。
在本文中，我们将根据从HD-EMG信号中提取的信息，将HD-EMG测量分为三个主要的测量领域：区域激活、肌肉纤维特性以及单个运动单位的活动。我们将探讨这三个领域中HD-EMG的可能应用。
区域激活
区域激活是指检测肌肉内或不同肌肉中的电位。 如前文所述，这些电位是由运动单位的放电产生的，运动单位支配肌肉内的不同肌肉纤维。 区域激活包括估计浅表肌肉的活动区域的位置、大小和强度。
区域激活可以通过激活图来评估。 激活图显示了肌电图信号的强度，即其均方根值（RMS值）所决定的归一化肌电图振幅分布。 图1展示了一个放置在斜方肌上的电极网格的激活图示例。 图中的颜色反映了激活水平。 从图中可以看出，肌肉的激活程度因肌肉的具体区域而异。
图1：放置在斜方肌上的电极网格，以及测量到的HD-EMG信号（中间）和通过RMS值表示的振幅（右侧）。
肌肉的区域活动可以通过放置在该肌肉上的HD-EMG网格进行观察。 这些变化通过肌电图信号强度随时间的变化来表示。 通过改变区域激活，可以重新分配负荷，减少肌肉疲劳并增强耐力。 这种变化的激活可以缓解从任务开始就处于活动状态的肌肉纤维。
区域激活的一个案例是研究急性间歇性缺氧（AIH）。 急性间歇性缺氧疗法涉及反复、短暂地吸入低氧气体。 AIH可能会通过增强运动神经元的激活或兴奋性来改变肌肉激活。这种改变可以通过在AIH治疗前后使用HD-EMG测量区域激活来评估。 在一项研究中，研究了AIH作为一种神经调节技术对不完全脊髓损伤患者的影响。 图2展示了治疗前后肱二头肌的激活图。 从激活图可以看出，AIH治疗后肌肉活动增加。因此，AIH疗法提高了肱二头肌的自主神经激活水平。
图2：上臂屈曲力量在AIH治疗前后（A和B）的变化，以及相应的肱二头肌HD-EMG信号（C和D），以及对应的原始肌电图信号（下方）。
肌肉纤维特性的估计
- 传导速度
- 神经支配区的位置
- 肌腱区域的位置
- 肌纤维的方向
- 肌纤维长度
- 一个运动神经元支配的肌纤维位置（运动单位）
如何估计传导速度，它的实际应用是什么？
传导速度是指运动单位动作电位（MUAP）在肌肉收缩期间沿肌纤维传播的速度。MUAP到达相互固定距离放置的电极时会有一定的时间延迟。通过这个时间延迟和固定的电极间距离，可以估计传导速度。图3展示了皮肤表面的不同电极P1、P2、P3、P4和P5。在右上角，包括了在不同电极（P1、P2、P3）处测量到的MUAP，它们之间存在时间延迟。由于已知电极P1、P2和P3之间的距离，因此可以计算传导速度。
随着肌肉疲劳的增加，传导速度会因离子浓度的变化而降低。在Brouwer等人的研究中，通过HD-EMG计算了疲劳条件下的下背部肌肉的传导速度。比较了两种不同的计算传导速度的方法，以评估其可靠性。可靠的下背部肌肉传导速度估计可以作为肌肉疲劳的衡量标准。
另一个肌肉纤维特性是神经支配区的位置。动作电位从神经支配区向肌纤维的两端传播。在HD-EMG信号中，肌纤维两端的信号极性会反转。这使得可以估计神经支配区的位置。神经支配区是HD-EMG信号极性反转的点。图4展示了这一点，信号的极性在倒数第二列和最后一列之间在第9行和第10行之间发生变化。
图4：使用HD-EMG信号的振幅和极性定位神经支配区（IZ）。
单个运动单元的活动
高密度肌电图（HD-EMG）的最后一个主要测量领域是研究单个运动单元的活动。这涉及到识别靠近皮肤表面的多个运动单位的放电模式。运动神经元的放电会在肌纤维中产生运动单位动作电位（MUAP），这些MUAP的总和就是HD-EMG信号。通过分解处理方法，可以从HD-EMG信号中提取运动单元的放电模式及其对应的MUAP，从而估计肌肉的神经驱动，例如运动单元的放电率和招募阈值。图5展示了运动单元放电与肌电图信号之间的关系。
图5：运动神经元放电（左侧），导致产生运动单元动作电位（MUAPs，右侧）。肌电图（EMG）信号是这些MUAPs的总和。通过分解算法，可以从高密度肌电图（HD-EMG）信号中提取出MUAPs和放电时间（黄色箭头所示）。
研究通过提取单个运动单位的放电特征，以实现对神经肌肉系统的深入理解。这些特征有助于揭示运动控制策略、运动单位的形态和功能特性，以及它们对特定条件的适应性。这些见解对于研究神经肌肉病理、疲劳和运动干预的效果具有重要价值。
例如，在肌萎缩侧索硬化症（ALS）的研究中，单运动单位活动被用于研究运动神经元的活动。在ALS中，下运动神经元的退化会导致运动单位特征的代偿性变化，因为剩余的运动单位会重新支配肌肉纤维。慢肌纤维对疾病最为耐受，而快速疲劳型运动单位则最容易受到影响，因此在疾病早期，快速疲劳型运动单位会首先退化，随后由慢肌纤维进行代偿。
有研究表明，慢肌纤维在代偿性重新支配后可能会改变其表型，转变为快速疲劳型运动单位，从而变得更加易感。在相关研究中，通过分析ALS疾病不同阶段的运动单位大小及其放电行为，来研究ALS疾病进展中的代偿性支配。
结论
与双极肌电图相比，高密度肌电图（HD-EMG）能够通过更密集的电极阵列同时记录肌肉活动。HD-EMG的非侵入性特性，结合其捕捉区域肌肉激活、评估肌肉纤维特性以及研究单运动单位活动的能力，使其成为研究运动、肌肉功能和神经系统控制策略的强大工具。
产品介绍
TMSi高密度肌电测试系统SAGA
荷兰TMSi公司致力于提供高质量数据和广泛应用场景的电生理设备，旗下产品被广泛应用于运动科学领域，包括神经生理学、康复、运动生物物理学、肌肉功能和运动发展的方方面面。
其研发的测试系统SAGA是市场上先进的脑电&高密度肌电测试系统，配有32或64通道，可用于电生理测量，提供高质量的数据，能轻松记录脑电图（EEG）、高密度肌电图（HD-EMG）、双极肌电图（bipolar EMG）数据或进行辅助测量。
TMSi柔性织物电极
TMSi研发的高密度肌电柔性织物电极配有32或64个通道，采用4×8、8×8或6×11拓扑结构，电极间距离4mm或8.75mm，网格尺寸多样，适用于测量绝大多数的肌肉。
这款柔性网格可完美地贴合皮肤，支持放置在面部、肩部和手部等难以测量的肌肉上，并能够确保电极在被试者的运动过程中保持原位，大幅降低测量中出现运动伪影的情况。
这款电极在上述三个领域均有广泛应用。其能够以清晰且低噪声的信号捕捉各种形状和大小肌肉的激活模式。
