sEMG技術(shù)在肌少癥診斷與評估中的應(yīng)用

肌少癥表面肌電圖的系統(tǒng)綜述：涉及肌肉、信號處理技術(shù)、顯著特征及人工智能方法

背景介紹

肌少癥是一種與年齡相關(guān)的骨骼肌質(zhì)量與功能進(jìn)行性下降的綜合征，影響約1–29%的老年人口，尤其是社區(qū)居住的老年人中女性患病率可達(dá)30%。其主要表現(xiàn)包括肌肉力量下降、肌肉質(zhì)量減少及身體功能衰退，常伴隨生活品質(zhì)下降、殘疾風(fēng)險(xiǎn)增加和死亡率上升。

目前診斷肌少癥的金標(biāo)準(zhǔn)方法如雙能X射線吸收法（DXA）、磁共振成像（MRI）和手握力測試，雖可靠但成本高、需專業(yè)設(shè)備與人員，且不便攜，限制了其在早期篩查和長期監(jiān)測中的應(yīng)用。

因此，近年來研究者開始探索非侵入性、可穿戴的替代工具，其中表面肌電圖（sEMG）因其能實(shí)時(shí)捕捉肌肉電活動、反映神經(jīng)肌肉功能變化而備受關(guān)注。sEMG尤其適用于早期肌少癥的檢測，因其能在肌肉質(zhì)量明顯下降之前識別神經(jīng)肌肉活動模式的異常。

本文旨在系統(tǒng)回顧sEMG在肌少癥診斷與評估中的應(yīng)用，涵蓋所研究的肌肉、信號處理技術(shù)、特征提取方法以及人工智能與統(tǒng)計(jì)分析策略，以推動該領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)化與臨床轉(zhuǎn)化。
 

 
論文摘要

本研究遵循PRISMA指南，系統(tǒng)檢索了2014年至2024年12月期間PubMed、Scopus和IEEE數(shù)據(jù)庫中關(guān)于sEMG用于肌少癥診斷與評估的文獻(xiàn)。初檢獲198篇，去除重復(fù)后剩余145篇，最終納入18篇進(jìn)行深入分析。綜述發(fā)現(xiàn)，sEMG在肌少癥研究中應(yīng)用逐漸增多，尤其在2020年后呈現(xiàn)明顯上升趨勢。

研究多聚焦下肢肌肉（如股外側(cè)肌、腓腸肌、脛骨前肌等），采用等長收縮（如最大自愿收縮）和動態(tài)任務(wù)（如起立-行走測試）進(jìn)行信號采集。常用設(shè)備包括無線sEMG系統(tǒng)（如BTS FreeEMG 1000）、高密度sEMG（如OT Bioelettronica的Sessantaquattro）以及集成可穿戴傳感器。信號處理以帶通濾波（常為10–500 Hz）、歸一化和特征提取（如均方根、中值頻率）為主；人工智能方法中支持向量機(jī)（SVM）和隨機(jī)森林（RF）分類器表現(xiàn)最佳，準(zhǔn)確率可達(dá)96%以上。

然而，研究間方法學(xué)異質(zhì)性較大，缺乏統(tǒng)一協(xié)議，限制了結(jié)果的可比性與臨床推廣。未來需開展多中心、大樣本研究，制定標(biāo)準(zhǔn)化采集與處理指南，并推動sEMG與可穿戴設(shè)備的融合，以實(shí)現(xiàn)肌少癥的早期識別與長期監(jiān)測。
 

 
研究方法

本研究采用PRISMA-S框架進(jìn)行系統(tǒng)性文獻(xiàn)檢索與篩選，關(guān)鍵詞涵蓋“surface electromyography”“sarcopenia”“muscle strength”等，檢索范圍包括Scopus、PubMed和IEEE數(shù)據(jù)庫。納入標(biāo)準(zhǔn)為：2014–2024年間發(fā)表、使用sEMG評估肌少癥相關(guān)參數(shù)、以人為研究對象；排除非英文、全文不可及、與非骨骼肌相關(guān)的研究。

最終納入的18篇研究中，部分采用了高密度sEMG設(shè)備，如OT Bioelettronica（Italy）的Sessantaquattro系統(tǒng)（型號為64通道半可棄式電極網(wǎng)格），該設(shè)備在多通道信號采集與空間分辨率方面表現(xiàn)優(yōu)異，適用于精細(xì)分析肌肉激活模式。

信號采集前，皮膚經(jīng)剃毛、酒精清潔處理，電極沿肌纖維走向放置于肌腹，避免肌腱與神經(jīng)支配區(qū)。信號預(yù)處理常用Butterworth帶通濾波器（如20–450 Hz）去除噪聲與運(yùn)動偽影，并進(jìn)行最大自愿收縮歸一化以提升跨被試可比性。特征提取涵蓋時(shí)域（如均方根、積分肌電）、頻域（如中值頻率）及時(shí)頻域（如小波熵）指標(biāo)，部分研究進(jìn)一步采用主成分分析或最小冗余最大相關(guān)性進(jìn)行特征選擇。人工智能模型包括支持向量機(jī)、隨機(jī)森林、K近鄰等，通過交叉驗(yàn)證評估分類性能。
 
                                                                

 
實(shí)驗(yàn)結(jié)果

納入研究的肌肉以下肢為主（尤其是股外側(cè)肌、腓腸肌外側(cè)頭、脛骨前肌），上肢（如肱橈肌）與核心肌群（如多裂�。┮嘤猩婕啊３Ｓ眠\(yùn)動任務(wù)包括等長收縮（如手握力測試）和動態(tài)活動（如5米步行、30秒起立測試）。

信號處理方面，Butterworth帶通濾波（10–500 Hz）使用最廣泛，特征提取以均方根、積分肌電、中值頻率等為主。在人工智能分類方面，SVM在Leone等人（2022）的研究中取得最佳性能，準(zhǔn)確率達(dá)96.7%；RF在Hung等人（2023）的研究中也達(dá)到96.37%的準(zhǔn)確率（圖6a）。

統(tǒng)計(jì)分析顯示，肌少癥患者與健康對照組在sEMG特征上存在顯著差異，如肌電振幅下降、頻率成分左移、肌肉協(xié)調(diào)性降低等。部分研究還發(fā)現(xiàn)，高密度sEMG指標(biāo)（如肌肉收縮強(qiáng)度、收縮動態(tài)）與年齡、體力活動水平顯著相關(guān)，可用于區(qū)分不同肌少癥風(fēng)險(xiǎn)群體。盡管分類模型表現(xiàn)良好，但各研究在樣本量、任務(wù)協(xié)議、特征集等方面存在差異，影響了結(jié)果的一致性與泛化能力。
 

 
總結(jié)與展望

sEMG作為一種非侵入性、可實(shí)時(shí)監(jiān)測肌肉活動的技術(shù)，在肌少癥早期識別與進(jìn)展監(jiān)測中展現(xiàn)出重要潛力。本綜述表明，通過結(jié)合適當(dāng)?shù)男盘柼幚砼c人工智能方法，sEMG能夠有效區(qū)分肌少癥患者與健康人群，且部分便攜設(shè)備已支持家庭環(huán)境下的長期監(jiān)測。然而，當(dāng)前研究仍面臨若干挑戰(zhàn)：缺乏統(tǒng)一的電極放置標(biāo)準(zhǔn)、運(yùn)動任務(wù)協(xié)議與信號處理流程；樣本規(guī)模普遍較小，且多為橫斷面設(shè)計(jì)，限制了縱向變化分析的可靠性；多數(shù)模型尚未在真實(shí)臨床場景中得到驗(yàn)證。

未來研究應(yīng)致力于：制定標(biāo)準(zhǔn)化的sEMG采集與處理指南；開展多中心、大樣本隊(duì)列研究，增強(qiáng)模型泛化能力；推動sEMG與慣性傳感器、力傳感等多元數(shù)據(jù)融合，構(gòu)建全方位肌肉功能評估系統(tǒng)；開發(fā)基于邊緣計(jì)算或云平臺的實(shí)時(shí)分析工具，以支持臨床決策與居家健康管理。最終，sEMG有望成為肌少癥篩查、診斷與干預(yù)評估的重要輔助工具，促進(jìn)老年人肌肉健康管理的個(gè)性化與精準(zhǔn)化。

原文鏈接

https://doi.org/10.3390/s25072122

研究團(tuán)隊(duì)介紹
 
本綜述由意大利國家研究委員會微電子與微系統(tǒng)研究所的跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)完成。團(tuán)隊(duì)核心成員包括Alessandro Leone、Anna Maria Carluccio、Andrea Caroppo、Andrea Manni與Gabriele Rescio。該團(tuán)隊(duì)長期致力于將微電子、傳感器技術(shù)與人工智能方法應(yīng)用于健康監(jiān)測與老年醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，尤其在利用生理信號（如表面肌電sEMG）進(jìn)行肌肉功能評估方面具有深厚的研究基礎(chǔ)與工程經(jīng)驗(yàn)。在本研究中，團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)性地回顧并分析了sEMG在肌少癥診斷中的應(yīng)用，相關(guān)工作獲得了歐盟Next Generation EU “Age-It” 項(xiàng)目的資助，體現(xiàn)了其研究的前沿性與社會重要性。

關(guān)于瑞鴻安
 

 
意大利OT總代理

瑞鴻安(廣東）科學(xué)設(shè)備有限公司總部坐落于中國廣州，主要經(jīng)營各類實(shí)驗(yàn)室儀器、分析儀器以及最新的運(yùn)動健身、體能測試、體能訓(xùn)練、體能恢復(fù)、生物醫(yī)學(xué)、運(yùn)動心理學(xué)、運(yùn)動生理學(xué)、運(yùn)動訓(xùn)練學(xué)、康復(fù)醫(yī)療、人體工程學(xué)、機(jī)器人技術(shù)、腦機(jī)接口可用性測試等產(chǎn)品，并提供設(shè)計(jì)、安裝、培訓(xùn)、科研等全方位服務(wù)，以及實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)。公司現(xiàn)在主要代理和經(jīng)銷著OT Bioelettronica公司研發(fā)的各類高密度矩陣肌電、穿戴式無線肌電、無線表面肌電等采集分析系統(tǒng)。

為什么選擇OT
OT Bioelettronica是生物電信號采集領(lǐng)域，特別是高密度肌電領(lǐng)域的全球領(lǐng)導(dǎo)者和標(biāo)準(zhǔn)制定者之一。研究者選擇該系統(tǒng)的原因非常明確：
1.專業(yè)性與可靠性： 其設(shè)備是專門為科研和臨床研究設(shè)計(jì)的，提供工業(yè)級的可靠性和信號保真度。
2.高通道數(shù)支持： 為HD-EMG研究提供了必要的技術(shù)基礎(chǔ)。
3.完整的生態(tài)系統(tǒng)： 從電極、放大器到采集軟件，提供了一個(gè)完整且經(jīng)過優(yōu)化的解決方案，確保了從數(shù)據(jù)采集到后期處理的流程順暢。
4.學(xué)術(shù)認(rèn)可度： 在全球頂尖的神經(jīng)力學(xué)和生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)室被廣泛采用，其數(shù)據(jù)質(zhì)量在學(xué)術(shù)界享有很高的聲譽(yù)，在世界頂刊上發(fā)表了1000余篇專業(yè)論文，這增加了研究結(jié)果的可信度和可重復(fù)性。
 
產(chǎn)品推薦

本實(shí)驗(yàn)由意大利OT公司研發(fā)的sessantaquattro無線高密度肌電采集系統(tǒng)完成，該設(shè)備最大可達(dá)64通道的高密度矩陣式肌電記錄系統(tǒng)�？梢杂^察肌肉局部席位的電生理活動特性。在無創(chuàng)研究神經(jīng)-肌肉電生理信號傳導(dǎo)、疲勞負(fù)荷評價(jià)、肌電模式識別和肌纖維類判讀方面具有無與倫比的優(yōu)勢�？蓮V泛用于體育訓(xùn)練、運(yùn)動選材、康復(fù)指導(dǎo)、仿生假肢設(shè)計(jì)、機(jī)器人等研究領(lǐng)域。