肌电图（EMG）信号处理在评估低频震颤中的应用

《Sensors》：Electromyography (EMG) Signal Processing to Evaluate Low-Frequency Tremors

本研究通过表面肌电信号分析健康成人执行MDS-UPDRS任务时的低频肌肉激活模式，发现手指敲击任务显著增加3.5-9Hz活动，而旋转任务稳定，为PD客观评估提供基准。

　　
本研究旨在探索表面肌电（sEMG）信号与改良版 Unified Parkinson’s Disease Rating Scale（MDS-UPDRS）任务结合在健康成人中的可行性及信号特征，为帕金森病（PD）的客观评估提供基础数据。研究采用32名健康成人（平均年龄27.6岁）作为受试对象，通过七项改编自MDS-UPDRS的肢体运动任务，结合Shimmer 3 EMG设备采集前臂拮抗肌的sEMG信号，并利用频域（FFT）和时间频域（STFT）分析方法，重点考察3.5-9Hz低频范围的肌肉激活模式。

### 实验设计与设备选择
研究采用单组内重复设计，所有参与者完成包括手指敲击、握力动作、旋前旋后运动等在内的七项任务。sEMG信号采集使用医疗级单次使用电极（Kendall H92SG），分别贴于尺侧腕伸肌和桡侧腕伸肌，电极位置精确到腕骨上方5mm和肘关节内侧10mm处。设备采样率为2048Hz，经14Hz巴特沃斯带通滤波后保留PD典型震颤频率范围（1-12Hz），并通过蓝牙实时传输数据。

### 信号处理与分析方法
预处理流程包含三阶段：首先根据任务类型剔除非任务期数据，其次对基线状态（Task0和Task8）进行3分钟标准化采集，最后通过最大自主收缩（MVC）归一化消除个体差异。频域分析采用FFT分解信号，时间频域分析通过STFT生成功率谱图，窗口大小根据任务时长动态调整（例如基线任务窗口长度为180秒，而手指敲击任务为30秒）。

### 关键研究结果
1. **低频段（3.5-6Hz）特征**：
- 指尖敲击（Task3）较基线状态（Task0）和恢复期（Task8）呈现显著更高的低频信号功率（p<0.05），效应量达0.05。
- 握拳动作（Task5）和姿势震颤评估（Task7）在3.5-6Hz频段表现出与基线相似的活动模式，但幅度存在统计学差异。
- 个体间存在显著差异，如受试者6和26在特定任务中的STFT谱图显示不同的能量分布特征。

2. **中频段（6-9Hz）特征**：
- 所有任务在此频段均未发现显著统计学差异（p>0.05），表明中等频率活动对任务执行不敏感。
- 指尖敲击任务（Task3）在该频段出现能量峰值，可能与快速重复动作引发的共振效应有关。

3. **高频段（9-12Hz）与正常段（>12Hz）特征**：
- 9-12Hz频段仅在Task3与基线间出现微弱差异（p=0.03），但效应量极低（ε2=0.02）。
- >12Hz频段完全丧失任务区分能力，所有任务在该频段功率均无显著变化（p>0.1）。

### 任务特异性分析
- **Task3（指尖敲击）**：引发显著低频振荡（3.5-6Hz），功率较基线提升约40%，但未超过临床PD震颤阈值（>30Hz/s2）。
- **Task6（旋前旋后）**：在所有频段均保持最低活动幅度，成为最稳定对照组（标准差<15%）。
- **Task7（姿势震颤）**：虽未达到统计学显著差异，但STFT谱图显示5%的受试者在9-12Hz出现间歇性高功率事件。

### 生理学意义与临床启示
研究证实：
1. **任务设计影响信号特征**：手指敲击类快速重复动作能有效激发低频肌电信号，而缓慢运动任务（如旋前旋后）则更易维持稳定激活模式。
2. **基线参考价值**：连续两次基线测试（Task0和Task8）的sEMG谱图高度相似（相关系数r=0.92），证明设备稳定性和操作规范。
3. **频段选择策略**：3.5-9Hz范围具有最佳任务区分度，其中3.5-6Hz频段对运动任务响应最敏感，9-12Hz频段更适合评估静息态肌肉稳定性。

### 局限性与改进方向
1. **样本局限性**：18-34岁健康群体可能无法完全反映PD早期患者的神经肌肉特征，建议后续研究纳入年龄跨度更大的群体（18-60岁）。
2. **设备空间分辨率**：当前电极间距（10mm）可能无法区分前臂肌肉的精细激活模式，建议改用四电极阵列（间距2.5mm）。
3. **疲劳效应控制**：虽然任务间插入休息期，但连续执行七项任务仍可能导致末阶段肌肉微损伤，需优化实验流程。

### 未来研究方向
1. **临床验证**：需与PD患者组（n≥50）进行双盲对照，重点比较Task3和Task6的频谱特征差异。
2. **多模态融合**：建议整合惯性传感器（IMU）和sEMG数据，利用运动轨迹与肌电信号的时频耦合分析。
3. **标准化流程**：需建立任务执行参数（如握力工具重量、敲击频率）的统一标准，减少操作者影响。

该研究为PD评估提供了重要的技术基准：当结合改良MDS-UPDRS任务时，sEMG信号在3.5-6Hz频段可检测到明确的任务特异性激活模式，其中手指敲击任务（Task3）产生的低频振荡（3.5-5.9Hz）与基线存在显著差异（p<0.01），而旋前旋后任务（Task6）在所有频段均保持最低活动水平（SD=12.3%）。这些发现为开发非侵入式PD评估系统奠定了基础，特别是通过区分Task3和Task6的sEMG特征，可能构建出具有85%以上特异性的早期筛查指标。后续研究需重点验证在PD患者队列中的任务区分度（目标>80%敏感性和特异性），并建立动态基线更新机制以适应不同病程阶段。