基于表面肌電信號的小兒步態(tài)穩(wěn)定性研究

閆成起，周 軍，趙利華*，陳夢婕

（1.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院電子系，上海 200240；2.上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬兒童醫(yī)院，上海 200062）

步態(tài)穩(wěn)定性是衡量下肢健康狀態(tài)的重要指標，通常用于評價髖關(guān)節(jié)脫位兒童的下肢穩(wěn)定性和術(shù)后恢復(fù)狀態(tài)。據(jù)統(tǒng)計目前我國髖關(guān)節(jié)脫位兒童占兒童總量的0.91～3.9%，目前用于診斷的主要方式是X光和步態(tài)運動學(xué)參數(shù)，但是隨著科技的發(fā)展表面肌電信號在步態(tài)領(lǐng)域有了長足的發(fā)展[1]。我們?yōu)榱四軌驅(qū)⒈砻婕‰娦盘柛玫挠糜诓綉B(tài)分析和病情診斷，探究下肢肌肉的表面肌電特征在定量描述下肢穩(wěn)定性的效果，筆者對20例能夠獨立行走的的兒童臨床資料進行了以下研究。

1 資料與方法

1.1 一般資料

從2019年5月～2019年9月上海市兒童醫(yī)院采集的兒童下肢表面肌電信號中選取20例作為研究對象,20例兒童能夠獨立行走，并且符合自愿原則。根據(jù)研究目的的需要將20例兒童分為下肢顯著差異組和穩(wěn)定組（10例/組）。本文數(shù)據(jù)通過British Vicon Gait Analysis System設(shè)備采集，采樣頻率為1500Hz,在采集過程中對電極貼片通過必要的消毒等處理，然后分別貼于兩腿的脛骨前肌和腓腸肌處，然后在醫(yī)生的指導(dǎo)下在步態(tài)分析室內(nèi)進行正常行走，通過多次采集數(shù)據(jù)后選取相對較好的肌電數(shù)據(jù)用于分析。在步態(tài)中脛骨前肌主要在擺動相發(fā)揮作用，而腓腸肌表面肌電信號在擺動相達到峰值，兩塊肌肉對步態(tài)的穩(wěn)定都有著至關(guān)重要的作用。

1.2 方法

首先對所有的表面肌電信號數(shù)據(jù)做降噪處理，提高信號的信息量同時減少噪聲的干擾，在此基礎(chǔ)上，分別對每條肌電信號提取均方值，過零率，中值頻率，平均頻率，樣本熵和分形維數(shù)特征[2-4]，分別計算不同特征在脛骨前肌和腓腸肌兩塊肌肉下的對稱性指標[5]。

1.3 評價指標

比較兩組對應(yīng)肌電特征的對稱指標。

1.4 統(tǒng)計學(xué)方法

對本研究中的數(shù)據(jù)使用Matlab軟件進行統(tǒng)計分析。計算各組樣本的均值和方差，采用t檢驗法分析兩組數(shù)據(jù)的差異，當(dāng)P＜0.05認為具有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié) 果

兩組樣本的肌電特征在脛骨前肌中的統(tǒng)計結(jié)果如表1所示，可以看出過零率，中值頻率和平均頻率三個特征在脛骨前肌中有顯著差異，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05），同時對于同一個特征下肢穩(wěn)定組的對稱指標要明顯小于顯著組，符合平穩(wěn)步態(tài)的特點。因為不同特征計算方式的不同，所以特征之間具體的對稱指標沒有對比意義。均方值特征描述肌肉能量的大小，但是因為不同兒童體質(zhì)的不同，使表面肌電信號幅度從在較大差異，在顯著組和平穩(wěn)組中不存在顯著性差異，差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）。

表1 不同特征在脛骨前肌中的對稱指標（）

表1 不同特征在脛骨前肌中的對稱指標（）

均方值 過零率 中值頻率 平均頻率 樣本熵 分形維數(shù)顯著組 0.61±0.39 0.30±0.21 0.65±0.35 0.38±0.25 0.36±0.14 0.067±0.049平穩(wěn)組 0.54±0.30 0.11±0.06 0.35±0.36 0.16±0.17 0.43±0.33 0.058±0.057 P＞0.05 ＜0.01 ＜0.05 ＜0.05 ＞0.05 ＞0.05

兩組樣本的肌電特征在腓腸肌中的對稱指標統(tǒng)計如表2所示，6個肌電特征中只有均方值在兩組樣本中不存在顯著差異，其余特征均存在顯著性差異，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05），其中過零率，中值頻率和平均頻率特征在兩組樣本中的差異較為明顯，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05），同時平穩(wěn)組因為左右下肢差異性較小，所以對應(yīng)的對稱指標小于顯著組，符合實驗的先驗知識。

表2 不同特征在腓腸肌中的對稱指標（）

表2 不同特征在腓腸肌中的對稱指標（）

均方值 過零率 中值頻率 平均頻率 樣本熵 分形維數(shù)顯著組 0.40±0.47 0.52±0.21 0.74±0.40 0.61±0.28 0.46±0.20 0.054±0.037平穩(wěn)組 0.65±0.25 0.26±0.22 0.26±0.36 0.25±0.28 0.20±0.19 0.034±0.028 P＞0.05 ＜0.01 ＜0.01 ＜0.01 ＜0.05 ＜0.05

綜合分析脛骨前肌和腓腸肌的肌電特征，表明過零率，中值頻率和平均頻率能夠很好的描述左右下肢的對稱性，其中過零率在兩塊下肢中表現(xiàn)都較為明顯，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05），我們可以通過該指標來定量分析下肢的對稱性。

3 討 論

下肢穩(wěn)定性分析是步態(tài)分析中常見的評價指標。下肢不穩(wěn)定主要由神經(jīng)系統(tǒng)異常，關(guān)節(jié)脫位，以及走路方式不同等因素引起，因此能夠反映出身體的健康狀態(tài)，同時可以幫助修改鍛煉的方式[6]。目前，步態(tài)分析常用的方法為三維步態(tài)分析系統(tǒng)和壓力測試系統(tǒng)，表面肌電信號在該領(lǐng)域有了明顯的進步，但是還不能很好的定量分析步態(tài)特性，我們通過對兒童下肢的脛骨前肌和腓腸肌的表面肌電特征做對稱分析，輔助其他方法對兒童的走路方式和身體健康得到定量的描述。實驗結(jié)果表明，過零率，中值頻率和平均頻率特征能夠很好的描述下肢間的對稱性，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05），腓腸肌中的大部分特征在兩組樣本中都存在較大差異，表明腓腸肌在步態(tài)穩(wěn)定性中起到很重要作用。