基于sEMG的肌肉疾病監(jiān)測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于多通道SEMG的肌肉疾病監(jiān)測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著我國(guó)社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)健康的關(guān)注不斷增強(qiáng)，診斷或監(jiān)控肌肉疾病成為近 年來(lái)研究重點(diǎn)。常見(jiàn)的神經(jīng)退行性肌肉疾病包括老年癡呆、帕金森氏病、亨廷頓氏病、肌萎 縮側(cè)索硬化。以肌萎縮側(cè)索硬化疾?。ˋLS)為例，ALS是以大腦運(yùn)動(dòng)皮層、腦干和脊髓運(yùn)動(dòng) 神經(jīng)元進(jìn)展性破壞為特點(diǎn)，導(dǎo)致患者肌肉萎縮、癱瘓和死亡的神經(jīng)變性疾病。每年一般人群 發(fā)病率大約在（2-3) / 100000,流行地區(qū)大約在（4-6)/100000。在美國(guó)和英國(guó)，ALS占成年 死亡人數(shù)的1/500-1/1000 [3]，這也意味著僅在美國(guó)將近50萬(wàn)現(xiàn)在存活的人將死于A(yíng)LS。 本發(fā)明利用多通道表面肌電信號(hào)sEMG (surface electromyography)快速檢測(cè)肌肉疾病患 者肌肉功能狀態(tài)，幫助神經(jīng)科醫(yī)生診斷、追蹤ALS疾病的新發(fā)展過(guò)程，并且，該技術(shù)也可能 加速ASL治療藥物的開(kāi)發(fā)。sEMG研究在人機(jī)工程學(xué)、人機(jī)接口、康復(fù)醫(yī)療、運(yùn)動(dòng)損傷、假肢等 領(lǐng)域應(yīng)用前景廣泛。
[0003] 肌肉疾病往往是一種遞增型神經(jīng)變性疾病，因?yàn)榭刂萍∪膺\(yùn)動(dòng)的腦細(xì)胞發(fā)生惡 化，最終導(dǎo)致病人死亡。目前，臨床上沒(méi)有明確跡象可表明肌肉何時(shí)會(huì)停止收縮，包括心臟 和肺部的肌肉出現(xiàn)麻痹而致死，患者通?？梢源婊顜啄甑臅r(shí)間。多通道sEMG是通過(guò)表面電 極引導(dǎo)的神經(jīng)肌肉系統(tǒng)活動(dòng)時(shí)的生物電時(shí)間序列信號(hào)，是中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS)的運(yùn)動(dòng)控制 信息與影響外周肌肉生物電活動(dòng)的各種理化因素共同作用的結(jié)果。因此，利用sEMG能夠快 速準(zhǔn)確檢測(cè)肌肉變化情況，掌握患者肌肉功能惡化程度，醫(yī)生就可以及時(shí)調(diào)整治療方案，挽 救患者的生命。
[0004] 目前，治療肌肉疾病的藥物在研發(fā)時(shí)，對(duì)該病治療有效性的定量測(cè)試方法卻極其 殘酷，即觀(guān)察患者壽命的長(zhǎng)短。通常來(lái)說(shuō)，如果服用治療藥物的患者壽命比對(duì)照組的患者 長(zhǎng)，就認(rèn)為藥物有效，而且研究所需觀(guān)察時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，可能長(zhǎng)達(dá)數(shù)年。也因此，導(dǎo)致藥物研究的 結(jié)果進(jìn)展十分緩慢。SEMG技術(shù)能縮短觀(guān)察一種藥物是否起效所需要的時(shí)間，這樣，藥物越快 獲得批準(zhǔn)，就意味著患者獲救機(jī)會(huì)越大。采用多通道sEMG檢測(cè)技術(shù)，醫(yī)生就能實(shí)時(shí)觀(guān)察到 患者的肌肉功能變化情況，而不是用幾年的時(shí)間。
[0005] 目前，肌肉臨床檢測(cè)工具主要有肌電信號(hào)（sEMG)、聲肌圖（SMG)、近紅外光譜 (NIRS)、聲波描記圖（AMG)、肌音（MMG)、聲波描記圖（AMG)、測(cè)角傳感器等。相對(duì)于其他技 術(shù)，肌電信號(hào)是一種精確檢測(cè)工具，可以用來(lái)做定量研究，非常適合用來(lái)監(jiān)測(cè)肌肉功能狀 態(tài)。肌電信號(hào)包括針肌電信號(hào)（IEMG)和表面肌電（sEMG)，sEMG作為一種簡(jiǎn)單、無(wú)創(chuàng)傷的技 術(shù)，具有很好的臨床應(yīng)用前景。因此，本發(fā)明所提出的基于sEMG肌肉監(jiān)測(cè)技術(shù)具有現(xiàn)實(shí)意 義和臨床應(yīng)用價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 鑒于以上所述問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于多通道SEMG的肌肉疾病監(jiān) 測(cè)方法。其包括如下步驟： 1):對(duì)多通道SEMG信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，采用帶通濾波器、帶阻濾波器，消除干擾。
[0007] 2):取第一個(gè)通道作為參考值，其它通道信號(hào)與第一通道差分，得到新的多通道信 號(hào)。
[0008] 3):針對(duì)新的多通道信號(hào)，采用KMCKC分解方法，提取發(fā)放時(shí)刻。
[0009] 4):根據(jù)運(yùn)動(dòng)單元時(shí)刻，提取單獨(dú)發(fā)放時(shí)刻，進(jìn)而提取單個(gè)波形。
[0010] 5):融合波形的多個(gè)特征，評(píng)估肌肉狀態(tài)。
[0011] 優(yōu)化的措施，還包括： 步驟1)對(duì)多通道SEMG信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，具體步驟如下：帶通濾波器用來(lái)保留 5Ηζ--500Ηζ頻段信號(hào)，然后采用陷波濾波器，濾除50Hz工頻干擾。帶通濾波器和帶阻濾波 采用巴特沃斯數(shù)字濾波器，設(shè)置參數(shù)包括階數(shù)、濾波器的通帶、阻帶截止頻率、3dB截止頻率 等。
[0012] 步驟2)取第一個(gè)通道作為參考值，其它通道信號(hào)與第一通道差分，得到新的多通 道信號(hào)。將第1通道信號(hào)作為參考值，得到新的：通道SEMG信號(hào)，：

后續(xù)sEMG信號(hào)處理均針對(duì)新的Ii通道sEMG信號(hào)。由于多通道sEMG信 號(hào)是微弱信號(hào)，極易受到干擾，但干擾往往是對(duì)所有通道都有干擾，所以減去第1通道后， 可以大大削弱干擾的影響，同時(shí)沒(méi)有改變多通道信號(hào)的相對(duì)值，所以不會(huì)影響分析結(jié)果。
[0013] 步驟3)針對(duì)新的多通道信號(hào)，采用KMCKC分解方法，提取發(fā)放時(shí)刻。對(duì)第j個(gè)信 號(hào)源發(fā)放序列的估計(jì)可表示為，
其中
是化時(shí)刻發(fā)放序列的轉(zhuǎn)置，
為含有噪聲的檢測(cè)信號(hào)的相關(guān)矩陣。這 樣可以通過(guò)上式計(jì)算出一個(gè)信號(hào)源的脈沖發(fā)放序列，以進(jìn)行信號(hào)的分解。為了改善
的 計(jì)算質(zhì)量，上式中的
用K均值對(duì)最多發(fā)放時(shí)刻聚類(lèi)的均值進(jìn)行代替，KMCKC核心問(wèn)題 是找出同一類(lèi)運(yùn)動(dòng)單元發(fā)放時(shí)刻。
[0014] 步驟4)根據(jù)運(yùn)動(dòng)單元時(shí)刻，提取單獨(dú)發(fā)放時(shí)刻，進(jìn)而提取單個(gè)波形。將所有運(yùn)動(dòng) 單元發(fā)放時(shí)刻對(duì)比，找到每個(gè)運(yùn)動(dòng)單元獨(dú)有的發(fā)放時(shí)刻，即只有該運(yùn)動(dòng)單元才有的發(fā)放時(shí) 刻
然后在sEMG對(duì)應(yīng)時(shí)刻提取一定長(zhǎng)度波形，比較這些波形，選擇最為完整的三 相波形作為該運(yùn)動(dòng)單元的波形。
[0015] 步驟5)融合波形的多個(gè)特征，評(píng)估肌肉狀態(tài)。提取運(yùn)動(dòng)單元數(shù)量、電位波幅、相數(shù)、 時(shí)限、發(fā)放頻率5個(gè)參數(shù)的變化，用函數(shù)表示肌肉狀態(tài)：
式中
分別是運(yùn)動(dòng)單元數(shù)量、電位波幅、相數(shù)增多、時(shí)限、發(fā)放頻率參數(shù) 的變化，且增多對(duì)應(yīng)為正號(hào)，減少對(duì)應(yīng)負(fù)號(hào)，
是相應(yīng)變化量的加權(quán)系數(shù)，加權(quán)系 數(shù)反應(yīng)各個(gè)量在肌肉狀態(tài)函數(shù)中的權(quán)重。一般來(lái)說(shuō)，運(yùn)動(dòng)單元數(shù)目權(quán)重最高，發(fā)放頻率、電 位波幅、相數(shù)、時(shí)限依次降低。
[0016] 采用上述方法監(jiān)測(cè)肌肉疾病方法，首先選取第一通道的信號(hào)作為參考值，由于外 部干擾會(huì)對(duì)所有的電極均產(chǎn)生影響，通過(guò)第一通道的信號(hào)與原來(lái)多通道sEMG作差，有效的 減少了外部干擾，而且不會(huì)影響后續(xù)的檢測(cè)結(jié)果，提高肌肉檢測(cè)的準(zhǔn)確性。通過(guò)比較，提取 最為完整的每個(gè)運(yùn)動(dòng)單元獨(dú)有時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的波形，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，更為準(zhǔn)確。多特征參數(shù)的運(yùn) 用，有效避免了單獨(dú)參數(shù)監(jiān)測(cè)的不穩(wěn)定性，提升了監(jiān)測(cè)的健壯性。