康復(fù)大學周平教授團隊最新高密度表面肌電信號分解綜述
前言
康復(fù)大學陳茂啟副教授與周平教授近期在《IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering》發(fā)表最新綜述，系統(tǒng)總結(jié)了HD-sEMG分解技術(shù)的發(fā)展，從CKC奠基到2CFastICA創(chuàng)新，算法效率提升顯著，但仍面臨動態(tài)分解與實時性挑戰(zhàn)。并提出“高密度表面肌電分解開源代碼與數(shù)據(jù)共享”的倡議，旨在推動該技術(shù)從實驗室研究向臨床診斷、康復(fù)工程等領(lǐng)域的轉(zhuǎn)化和應(yīng)用。
高密度表面肌電（HD-sEMG）分解是一種非侵入式技術(shù)，能夠提取運動單位動作電位（MUAP）序列，進而揭示脊髓運動神經(jīng)元的活動規(guī)律，為肌肉收縮機制研究及運動控制理解提供關(guān)鍵依據(jù)。這項技術(shù)在神經(jīng)疾病診斷、康復(fù)評估及人機交互等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊前景�？祻�(fù)大學陳茂啟副教授與周平教授近期在《IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering》發(fā)表綜述，系統(tǒng)總結(jié)了HD-sEMG分解的發(fā)展歷程、技術(shù)突破與當前面臨的核心挑戰(zhàn)。
一、從針電極到高密度陣列：技術(shù)演進之路
肌電信號（EMG）記錄與分析技術(shù)自20世紀中葉興起以來，始終是揭示神經(jīng)肌肉系統(tǒng)工作原理的重要手段。在早期的研究中，科研人員主要依賴針電極深入肌肉組織內(nèi)部，以獲取單個或少量運動單位的動作電位序列。這種“侵入式”方法雖然在分離信號成分方面具有高精度，但由于其操作復(fù)雜、受試者舒適度差和臨床推廣難度大，始終局限于實驗室或小規(guī)模臨床研究中。為突破這一限制，科學家們開始嘗試利用表面肌電圖（sEMG）實現(xiàn)非侵入式記錄。然而傳統(tǒng)的單通道表面肌電存在明顯短板，即MUAP波形在不同運動單位間高度相似，加之多個信號疊加重合，以及表皮和皮下組織對信號的濾波衰減，導致信號的分解難度遠高于針電極數(shù)據(jù)。這使得早期基于模板匹配的分解方法難以勝任表面肌電的復(fù)雜情況。真正的技術(shù)突破出現(xiàn)在高密度表面電極陣列（HD-sEMG）的問世。這種新型電極陣列由幾十甚至上百個電極組成，通常呈二維網(wǎng)格排布，可在非侵入條件下高密度覆蓋目標肌肉區(qū)域。其最大優(yōu)勢在于同時采集到肌肉電活動的“時間+空間”信息：不同運動單位由于解剖位置不同，其MUAP在電極陣列上呈現(xiàn)出獨特的空間分布特征，從而為分離多個信號源提供了可能。在這一硬件基礎(chǔ)上，分解策略也發(fā)生了深刻變革。分解方法不再僅依賴波形匹配，而是演進為多通道協(xié)同處理與盲源分離（BSS）的信號處理問題。
a) 8x4 高密度電極網(wǎng)格；b) 在脊柱兩側(cè)分別應(yīng)用 HD-EMG；c) 電極差分均方根值；d) 高密度電極插值平滑熱圖。From Campanini et al., Sensors 2022, https://doi.org/10.3390/S22114150/S1
二、技術(shù)進展：從瞬時混合模型到2CFastICA
最早期的HD-sEMG分解嘗試使用了如FastICA和JADE等BSS算法，基于瞬時混合模型進行信號分離。然而，這一模型假設(shè)不同通道中的MUAP波形相同，僅存在幅度差異，未能考慮肌電信號不同通道中真實存在的傳播延遲與波形差異，導致分解效果不理想，特別是在通道數(shù)少于活躍運動單位數(shù)的情況下。2000年代初，Holobar和Zazula教授提出“卷積混合模型”，并據(jù)此發(fā)展出“卷積核補償”（CKC）算法。這一方法首次在理論上準確描述了平穩(wěn)狀態(tài)下的HD-sEMG信號的生成機制，成為高密度肌電分解的奠基性工作，并通過一系列仿真與實測數(shù)據(jù)驗證其有效性，推動多個后續(xù)改進算法的出現(xiàn)。盡管CKC在性能上取得突破，其迭代計算仍存在收斂慢和重復(fù)提取的問題。
2015年，陳茂啟與周平教授提出“Progressive FastICA Peel-off”（PFP）框架，將FastICA與剝離策略結(jié)合，通過“識別-重建-剝離-再識別”過程迭代提取多個運動單位，有效規(guī)避了局部收斂問題。PFP的關(guān)鍵在于，每識別出一個運動單位發(fā)放序列后，通過最小二乘法估計其運動單位動作電位序列并從原始信號中剝離，使得下一輪分解更容易提取新的運動單位。此方法還引入相關(guān)性約束修正機制，提高了錯誤識別校正能力。PFP雖有效，但仍存在效率不足等問題。2024年，兩位作者進一步提出“2CFastICA”方法，引入“核空間約束”理念，保證新識別的運動單位發(fā)放序列與已識別結(jié)果及其延遲版本正交，極大提升了分解效率。該方法有機地結(jié)合核約束FastICA與相關(guān)性約束FastICA，在保證準確性的同時，減少了對復(fù)雜剝離處理的依賴，成為當前高密度肌電分解的代表性先進算法。
三、技術(shù)挑戰(zhàn)：三大難題待解
雖然近年來高密度肌電分解取得長足進展，但該技術(shù)仍存在三大關(guān)鍵挑戰(zhàn)，限制其在實際應(yīng)用中的廣泛部署。HD-sEMG信號的可分解性取決于諸多因素。理想情況下，信號需滿足“等長等力收縮”的假設(shè)，以保證模型穩(wěn)定性。然而在真實環(huán)境中，諸如大肌肉容積傳導效應(yīng)、皮下組織濾波作用、采集質(zhì)量、受試者病理狀態(tài)等因素都會破壞這一假設(shè)，導致即使使用先進算法也難以成功分解。研究者需進一步探討信號結(jié)構(gòu)特征與分解性能之間的關(guān)系，明確哪些條件下該技術(shù)可穩(wěn)定運行。
肌電分解的另一個挑戰(zhàn)是動態(tài)信號分解困難�，F(xiàn)有HD-sEMG分解方法大多基于卷積混合模型，適用于靜態(tài)或穩(wěn)態(tài)肌肉收縮任務(wù)。然而，在動態(tài)任務(wù)中，MUAP波形隨時間變化、運動單位招募數(shù)量變動，使得該模型失效。目前解決策略如“分段分析”“重復(fù)收縮”雖可部分應(yīng)對非平穩(wěn)性，但仍難適用于快速變化場景，如運動意圖識別或假肢控制。真正的“動態(tài)肌電分解”仍處于初級探索階段，亟待基礎(chǔ)建模與算法突破。
此外，實時分解技術(shù)仍難以落地。許多應(yīng)用場景（如實時假肢控制）要求對肌電信號進行“實時分解”。但現(xiàn)有方法通常需幾秒長的信號以便提取統(tǒng)計特征，導致難以在線運行。部分研究嘗試利用離線分解獲得運動單位的分解向量，并依此在線識別已有運動單位，但該“實時識別”方法依賴于電極位置、肌肉狀態(tài)的穩(wěn)定，無法識別新運動單位，且泛化能力有限。要實現(xiàn)真正的實時分解，仍需突破算法對數(shù)據(jù)長度和穩(wěn)定性的依賴。
四、面向未來：推動開放共享與跨界合作
HD-sEMG分解技術(shù)的發(fā)展，不僅需要在算法模型上不斷創(chuàng)新，更需要形成一種開放透明、協(xié)作共進的研究氛圍。推動HD-sEMG分解算法與數(shù)據(jù)的開放共享，是促進該領(lǐng)域健康發(fā)展的關(guān)鍵。目前已有研究團隊公開了其源碼與測試數(shù)據(jù)，如作者團隊開放的PFP程序和2CFastICA分解算法的源代碼，為該領(lǐng)域研究者搭建了交流橋梁。未來，它有望成為神經(jīng)肌肉疾病早期檢測、康復(fù)干預(yù)個性化評估、人機交互智能控制等方向的關(guān)鍵技術(shù)支撐。
參考文獻
M. Chen and P. Zhou, "High-Density Surface EMG Decomposition: Achievements, Challenges, and Concerns," in IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, vol. 33, pp. 1212-1219, 2025, doi: 10.1109/TNSRE.2025.3551630.
關(guān)于維拓啟創(chuàng)
維拓啟創(chuàng)（北京）信息技術(shù)有限公司成立于2006年，是一家專注于腦科學、康復(fù)工程、人因工程、心理學、體育科學等領(lǐng)域的科研解決方案供應(yīng)商。公司與國內(nèi)外多所大學、研究機構(gòu)、企業(yè)長期保持合作關(guān)系，致力于將優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品、先進的技術(shù)和服務(wù)帶給各個領(lǐng)域的科研工作者，為用戶提供有競爭力的方案和服務(wù)，協(xié)助用戶的科研工作，持續(xù)提升使用體驗。
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康復(fù)大學陳茂啟副教授與周平教授近期在《IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering》發(fā)表最新綜述，系統(tǒng)總結(jié)了HD-sEMG分解技術(shù)的發(fā)展，從CKC奠基到2CFastICA創(chuàng)新，算法效率提升顯著，但仍面臨動態(tài)分解與實時性挑戰(zhàn)。并提出“高密度表面肌電分解開源代碼與數(shù)據(jù)共享”的倡議，旨在推動該技術(shù)從實驗室研究向臨床診斷、康復(fù)工程等領(lǐng)域的轉(zhuǎn)化和應(yīng)用。
高密度表面肌電（HD-sEMG）分解是一種非侵入式技術(shù)，能夠提取運動單位動作電位（MUAP）序列，進而揭示脊髓運動神經(jīng)元的活動規(guī)律，為肌肉收縮機制研究及運動控制理解提供關(guān)鍵依據(jù)。這項技術(shù)在神經(jīng)疾病診斷、康復(fù)評估及人機交互等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊前景�？祻�(fù)大學陳茂啟副教授與周平教授近期在《IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering》發(fā)表綜述，系統(tǒng)總結(jié)了HD-sEMG分解的發(fā)展歷程、技術(shù)突破與當前面臨的核心挑戰(zhàn)。
一、從針電極到高密度陣列：技術(shù)演進之路
肌電信號（EMG）記錄與分析技術(shù)自20世紀中葉興起以來，始終是揭示神經(jīng)肌肉系統(tǒng)工作原理的重要手段。在早期的研究中，科研人員主要依賴針電極深入肌肉組織內(nèi)部，以獲取單個或少量運動單位的動作電位序列。這種“侵入式”方法雖然在分離信號成分方面具有高精度，但由于其操作復(fù)雜、受試者舒適度差和臨床推廣難度大，始終局限于實驗室或小規(guī)模臨床研究中。為突破這一限制，科學家們開始嘗試利用表面肌電圖（sEMG）實現(xiàn)非侵入式記錄。然而傳統(tǒng)的單通道表面肌電存在明顯短板，即MUAP波形在不同運動單位間高度相似，加之多個信號疊加重合，以及表皮和皮下組織對信號的濾波衰減，導致信號的分解難度遠高于針電極數(shù)據(jù)。這使得早期基于模板匹配的分解方法難以勝任表面肌電的復(fù)雜情況。真正的技術(shù)突破出現(xiàn)在高密度表面電極陣列（HD-sEMG）的問世。這種新型電極陣列由幾十甚至上百個電極組成，通常呈二維網(wǎng)格排布，可在非侵入條件下高密度覆蓋目標肌肉區(qū)域。其最大優(yōu)勢在于同時采集到肌肉電活動的“時間+空間”信息：不同運動單位由于解剖位置不同，其MUAP在電極陣列上呈現(xiàn)出獨特的空間分布特征，從而為分離多個信號源提供了可能。在這一硬件基礎(chǔ)上，分解策略也發(fā)生了深刻變革。分解方法不再僅依賴波形匹配，而是演進為多通道協(xié)同處理與盲源分離（BSS）的信號處理問題。
A.侵入式肌電電極；B.高密度肌電電極
二、技術(shù)進展：從瞬時混合模型到2CFastICA
最早期的HD-sEMG分解嘗試使用了如FastICA和JADE等BSS算法，基于瞬時混合模型進行信號分離。然而，這一模型假設(shè)不同通道中的MUAP波形相同，僅存在幅度差異，未能考慮肌電信號不同通道中真實存在的傳播延遲與波形差異，導致分解效果不理想，特別是在通道數(shù)少于活躍運動單位數(shù)的情況下。2000年代初，Holobar和Zazula教授提出“卷積混合模型”，并據(jù)此發(fā)展出“卷積核補償”（CKC）算法。這一方法首次在理論上準確描述了平穩(wěn)狀態(tài)下的HD-sEMG信號的生成機制，成為高密度肌電分解的奠基性工作，并通過一系列仿真與實測數(shù)據(jù)驗證其有效性，推動多個后續(xù)改進算法的出現(xiàn)。盡管CKC在性能上取得突破，其迭代計算仍存在收斂慢和重復(fù)提取的問題。
2015年，陳茂啟與周平教授提出“Progressive FastICA Peel-off”（PFP）框架，將FastICA與剝離策略結(jié)合，通過“識別-重建-剝離-再識別”過程迭代提取多個運動單位，有效規(guī)避了局部收斂問題。PFP的關(guān)鍵在于，每識別出一個運動單位發(fā)放序列后，通過最小二乘法估計其運動單位動作電位序列并從原始信號中剝離，使得下一輪分解更容易提取新的運動單位。此方法還引入相關(guān)性約束修正機制，提高了錯誤識別校正能力。PFP雖有效，但仍存在效率不足等問題。2024年，兩位作者進一步提出“2CFastICA”方法，引入“核空間約束”理念，保證新識別的運動單位發(fā)放序列與已識別結(jié)果及其延遲版本正交，極大提升了分解效率。該方法有機地結(jié)合核約束FastICA與相關(guān)性約束FastICA，在保證準確性的同時，減少了對復(fù)雜剝離處理的依賴，成為當前高密度肌電分解的代表性先進算法。
高密度表面肌電分解示意圖（圖片來自作者）
PFP高密度表面肌電分解算法框架（圖片來自作者）
PFP分解算法實現(xiàn)3次運動單位剝離過程的動圖示例（圖片來自作者）
三、技術(shù)挑戰(zhàn)：三大難題待解
雖然近年來高密度肌電分解取得長足進展，但該技術(shù)仍存在三大關(guān)鍵挑戰(zhàn)，限制其在實際應(yīng)用中的廣泛部署。HD-sEMG信號的可分解性取決于諸多因素。理想情況下，信號需滿足“等長等力收縮”的假設(shè)，以保證模型穩(wěn)定性。然而在真實環(huán)境中，諸如大肌肉容積傳導效應(yīng)、皮下組織濾波作用、采集質(zhì)量、受試者病理狀態(tài)等因素都會破壞這一假設(shè)，導致即使使用先進算法也難以成功分解。研究者需進一步探討信號結(jié)構(gòu)特征與分解性能之間的關(guān)系，明確哪些條件下該技術(shù)可穩(wěn)定運行。
肌電分解的另一個挑戰(zhàn)是動態(tài)信號分解困難�，F(xiàn)有HD-sEMG分解方法大多基于卷積混合模型，適用于靜態(tài)或穩(wěn)態(tài)肌肉收縮任務(wù)。然而，在動態(tài)任務(wù)中，MUAP波形隨時間變化、運動單位招募數(shù)量變動，使得該模型失效。目前解決策略如“分段分析”“重復(fù)收縮”雖可部分應(yīng)對非平穩(wěn)性，但仍難適用于快速變化場景，如運動意圖識別或假肢控制。真正的“動態(tài)肌電分解”仍處于初級探索階段，亟待基礎(chǔ)建模與算法突破。
此外，實時分解技術(shù)仍難以落地。許多應(yīng)用場景（如實時假肢控制）要求對肌電信號進行“實時分解”。但現(xiàn)有方法通常需幾秒長的信號以便提取統(tǒng)計特征，導致難以在線運行。部分研究嘗試利用離線分解獲得運動單位的分解向量，并依此在線識別已有運動單位，但該“實時識別”方法依賴于電極位置、肌肉狀態(tài)的穩(wěn)定，無法識別新運動單位，且泛化能力有限。要實現(xiàn)真正的實時分解，仍需突破算法對數(shù)據(jù)長度和穩(wěn)定性的依賴。
四、面向未來：推動開放共享與跨界合作
HD-sEMG分解技術(shù)的發(fā)展，不僅需要在算法模型上不斷創(chuàng)新，更需要形成一種開放透明、協(xié)作共進的研究氛圍。推動HD-sEMG分解算法與數(shù)據(jù)的開放共享，是促進該領(lǐng)域健康發(fā)展的關(guān)鍵。目前已有研究團隊公開了其源碼與測試數(shù)據(jù)，如作者團隊開放的PFP程序和2CFastICA分解算法的源代碼，為該領(lǐng)域研究者搭建了交流橋梁。未來，它有望成為神經(jīng)肌肉疾病早期檢測、康復(fù)干預(yù)個性化評估、人機交互智能控制等方向的關(guān)鍵技術(shù)支撐。
參考文獻
M. Chen and P. Zhou, "High-Density Surface EMG Decomposition: Achievements, Challenges, and Concerns," in IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, vol. 33, pp. 1212-1219, 2025, doi: 10.1109/TNSRE.2025.3551630.
關(guān)于維拓啟創(chuàng)
維拓啟創(chuàng)（北京）信息技術(shù)有限公司成立于2006年，是一家專注于腦科學、康復(fù)工程、人因工程、心理學、體育科學等領(lǐng)域的科研解決方案供應(yīng)商。公司與國內(nèi)外多所大學、研究機構(gòu)、企業(yè)長期保持合作關(guān)系，致力于將優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品、先進的技術(shù)和服務(wù)帶給各個領(lǐng)域的科研工作者，為用戶提供有競爭力的方案和服務(wù)，協(xié)助用戶的科研工作，持續(xù)提升使用體驗。
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