高密度陣列式表面肌電的應用：一系列選項
人體是一個復雜的神經通路網絡。對于任何運動，以及為了我們能夠與周圍的世界互動，來自大腦的信息需要成功傳遞到肌肉。在過去的幾年里，檢測和破譯大腦如何控制運動的技術不斷發展。評估人體運動以及不同肌肉對力產生的貢獻的一種常見方法是使用表面肌電圖（sEMG 或 EMG）。肌電圖是一種實驗技術，涉及記錄和分析由肌纖維膜狀態的生理變化形成的肌電信號。通過深入了解肌肉興奮的狀態，研究人員、臨床醫生、體育從業者和工程師能夠確定：
1、所涉及的肌肉力量水平——整體肌電圖信號幅度。
2、肌肉之間的協調性 ——肌肉的激活時間來評估。
3、肌肉疲勞的影響——肌電圖信號頻率成分的探索。
4、神經控制策略——大腦如何適應訓練或外部刺激。
然而，在過去十年中，高密度陣列式表面肌電圖(HD-sEMG)的使用日益普及。在許多應用中，肌肉激活可以被視為在肌肉的整個區域上相對均勻。然而，隨著我們不斷發展電生理學中的方法和技術，更多的證據表明肌肉不同區域之間的激活策略是異質的。本文將提供有關 HD-sEMG 在一系列場景中的背景、應用的更多信息。
相對于針電極肌電，表面肌電在測量上具有非侵入性、無創傷、操作簡單等優點。隨著表面肌電信號采集技術的改進，其從傳統的單極肌電、雙極肌電、線性肌電陣列等簡單的一維肌電采集方案，發展為高密度肌電陣列等復雜的二維肌電采集方案。
高密度陣列式表面肌電被定義為使用四個或更多緊密間隔的電極來深入了解肌肉中肌電激發的空間分布。傳統肌電圖可以深入了解肌肉的整體激活策略，而高密度陣列式表面肌電提供了了解區域興奮的窗口，從而了解肌肉內部或肌肉之間局部運動單位的募集和調節。
同時，高密度陣列式表面肌電解決了傳統表面積電信噪比低的問題，可提供骨骼肌發力可視化圖，且由于其無創、易于被受試者接收等原因，被逐步應用到在肌纖維傳導速度測定、運動動作分析、肌肉力量評估和運動單位數目估計等方面，允許在神經生理學、神經康復、工程學、運動科學、人體工程學和臨床干預評估領域提出新問題。
肌肉內觀察到的非均勻興奮模式反映在肌肉不同區域的不同行為上，其原因是多因素的。變化可能取決于關節的位置、激活的持續時間和水平，甚至收縮的速度。因此，在某些情況下，獲得肌電圖信號的空間表示并了解其如何隨時間變化是有幫助的。
當評估皮膚表面的信號時，幅度代表該區域的局部活躍肌纖維。因此，如果肌肉纖維通過運動神經元的神經驅動，優先在肌肉的某些區域募集，那么當在地形圖上顯示時，皮膚表面的肌電圖信號的幅度將以此為特征。
雖然 HD-sEMG 在神經肌肉系統評估中有廣泛的應用，但以下領域是研究領域中最常見的一些領域。
1 疼痛和疲勞
對于健康或無痛的人類來說，當執行一系列重復或可能引起疲勞的任務時，肌肉會將活動重新分配到肌肉的不同區域，從而最大限度地減少某個特定區域的負荷。這是一種旨在幫助減少局部疲勞或疼痛發作的機制，因為人們發現患有慢性肌肉骨骼疼痛的患者在整個任務期間不會將活動重新分配到肌肉的不同區域。 
能夠減輕疼痛和/或疲勞的患者和運動員傾向于在重復或持續任務期間將肌纖維重新分配到肌肉的不同區域。這使它們仍然能夠產生足夠的力量來完成任務，但不會在肌肉的特定區域引起局部超負荷。
通過使用 HD-sEMG，可以評估區域激活是否發生變化，從而最大限度地減少局部、持續和反復出現的疼痛或疲勞的影響。
2 運動表現
在運動表現應用中使用 HD-sEMG 可以讓教練、訓練員和從業者進一步了解肌肉興奮的區域差異，從而進一步為力量和體能計劃或避免受傷技術提供更有針對性的方法。
肌肉內不同區域的優先募集被認為是神經肌肉系統的適應性，以避免局部超負荷造成潛在損傷，或提高神經肌肉性能。例如，在腿筋肌肉的近端和遠端部分中發現了肌肉特定的區域變化，以在不同的練習過程中提高表現并減輕損傷誘發機制。
3 神經康復
在不同的疾病人群中，區域分布的變化被認為意味著相關機械或神經缺陷的適應不良。
例如，在中風人群中，研究表明中風幸存者的肌肉結構發生了變化，包括肌纖維損失和整體運動單位數量減少。拉蘇爾等人。(2015)（中風幸存者肌肉激活的空間分析 - PubMed (nih.gov)）在比較中風后受影響和未受影響的肢體時顯示了振幅聚類的區域變化。
在受影響的一側看到的激活區域的整體收縮可能是肌肉萎縮的跡象。雖然 sEMG 的空間模式可能指的是肌肉內運動單位募集的機制，但這種模式在不同力量水平上的一致性證實了不隨力量需求而改變的機制的存在，因此運動單位數量的潛在損失來自中樞神經系統下行通路的去神經支配或破壞。
通過使用 HDsEMG，可以通過評估肌電信號的區域分布及其與特定干預措施的關系如何變化來測量疾病進展或康復結果。
4 肌電控制
采用多通道肌電傳感器為模式識別算法提供大量輸入數據，以創建更自然、直觀的人機界面。通過使用 HD-sEMG 解碼人類運動意圖，可以將區域肌肉激活的離散模式映射到控制輸出，從而以更高的自由度復制多功能假肢的特定運動。