表面肌电信号概率密度函数随肌力变化的特征分析：胫骨前肌与股外侧肌的对比研究

推荐：本研究通过分析胫骨前肌（TA）和股外侧肌（VL）表面肌电信号（sEMG）的概率密度函数（PDF）随肌力增加的动态变化，揭示了两种肌肉在运动单位电位（MUP）填充过程中的显著差异。研究发现TA在高肌力下PDF接近拉普拉斯分布（FF～0.5），而VL接近高斯分布（FF～0.63），且填充过程具有肌肉和性别特异性，为临床肌电信号解读和假肢控制提供了新视角。

　　

肌肉活动时产生的电信号——表面肌电信号（sEMG）是研究神经肌肉功能的重要窗口。然而，长期以来，科学家们对sEMG信号的分析主要集中在其振幅上，而忽视了信号形态的动态变化。随着研究的深入，人们发现sEMG信号的概率密度函数（PDF）会随着肌力的增加而发生显著变化，从最初的"半退化"分布逐渐向拉普拉斯分布和高斯分布转变。这一现象被称为sEMG的"填充过程"，反映了运动单位电位（MUP）的逐步募集过程。

然而，现有的研究主要局限于股四头肌，而忽略了不同肌肉在解剖结构、生理特性和神经控制策略上的差异。特别是临床上常用的胫骨前肌（TA），其sEMG信号特征尚未得到系统研究。此外，皮下脂肪层厚度等解剖因素对sEMG信号形态的影响，以及性别差异在其中的作用，都是亟待解答的科学问题。

为了解决这些问题，西班牙纳瓦拉公立大学的研究团队开展了一项创新性研究，比较了TA和股外侧肌（VL）在肌力逐渐增加时的sEMG PDF变化特征。研究采用了一种新型分析工具——填充因子（FF），通过量化sEMG PDF的形状变化来表征信号的填充过程。相关成果发表在《Journal of Electromyography and Kinesiology》上。

研究采用了多项关键技术：首先使用16电极线性阵列定位肌肉的神经支配区和肌纤维走向；其次通过超声测量皮下组织厚度；然后让受试者完成从0到80%最大自主收缩力（MVC）的等长斜坡收缩，同时记录sEMG信号；最后通过计算非中心矩m₁和m₂来推导填充因子FF=（m₁）²/m₂，分析sEMG信号的填充过程。

3.1. 男性肌肉中典型的sEMG信号和填充因子值
研究发现，在男性受试者中，TA和VL在收缩初期都表现出明显的"脉冲式"sEMG活动（FF～0.3），这与较薄的皮下组织（3.5-4.0mm）相关。但在高肌力下（80%MVC），TA的sEMG呈现"不均匀"的峰振幅（FF～0.5，接近拉普拉斯分布），而VL则表现出更"规则"的峰振幅（FF～0.63，接近高斯分布）。

3.2. 女性肌肉中典型的sEMG信号和填充因子值
女性受试者表现出明显的性别差异：TA初始sEMG多为脉冲式（FF～0.41），而VL初始sEMG多为连续式（FF～0.55）。这种差异与VL更厚的皮下组织（10mm vs TA的6.3mm）密切相关。高肌力下，TA仍保持不均匀特征（FF～0.53），而VL则接近高斯分布（FF～0.63）。

3.3. 群体分析
统计分析显示：72%男性和53%女性的TA初始sEMG为脉冲式（FF<0.45），而VL中这一比例在男性和女性分别为89%和12%。高肌力时，TA的FF稳定在0.5左右（拉普拉斯分布），而VL接近0.63（高斯分布）。皮下组织厚度与初始FF的相关性在TA中为中等（r=0.42），在VL中较强（r=0.63）。

3.4. 相关性分析
研究证实皮下组织厚度是影响初始sEMG模式的关键因素：厚度越小，越可能出现脉冲式sEMG。这一发现在TA和VL中均得到验证，但在VL中相关性更强。

3.5. 实验内和实验间的可靠性
研究显示TA的填充因子测量具有优秀的重复性（ICC=0.87-0.92），支持该方法在临床和研究中的应用价值。

讨论部分强调了几个重要发现：首先，sEMG填充过程具有肌肉特异性，TA在高肌力下保持拉普拉斯分布特征，而VL趋向高斯分布。其次，皮下组织厚度是决定初始sEMG模式（脉冲式vs连续式）的关键解剖因素。第三，性别差异在VL中更为明显，这与女性更厚的皮下组织相关。

这项研究的重要意义在于：为临床sEMG解读提供了新维度，不仅关注信号振幅，还关注其形态特征；为假肢控制中的肌电信号检测提供了优化策略；为生物反馈训练中的信号建模提供了肌肉特异性参考。特别是发现TA的sEMG填充曲线比VL更具信息性，这对临床神经肌肉疾病的诊断具有潜在应用价值。

研究也存在一定局限性，如噪声对低振幅MUP的FF计算可能产生干扰。未来研究可进一步探讨肌肉结构参数（如厚度、羽状角）与sEMG形态特征的关系，以及在神经肌肉疾病患者中的应用价值。