呼吸表面肌电图电极位置的定量比较
呼吸表面肌电图电极位置定量比较研究
学术背景
呼吸表面肌电图（Surface Electromyography, SEMG）是一种非侵入性技术，用于记录呼吸肌肉的肌电活动，广泛应用于分析呼吸努力、患者-呼吸机不同步以及呼吸训练。然而，由于缺乏标准化的电极放置方案，不同研究中使用的位置和配置差异较大，导致研究结果的可比性受限，临床应用的推广也受到影响。因此，确定最佳的电极位置对于提高呼吸SEMG的临床接受度至关重要。本研究旨在通过定量比较单侧和双侧双极导联的性能，为呼吸SEMG的标准化提供科学依据。
论文来源
本论文由Andra Oltmann、Jan Graßhoff、Nils Lange、Tobias Knopp和Philipp Rostalski共同撰写，作者均来自德国弗劳恩霍夫研究所（Fraunhofer IMTE）和吕贝克大学（University of Lübeck）。该研究发表于《IEEE Transactions on Biomedical Engineering》期刊，并于2023年获得欧洲区域发展基金、德国联邦政府及石勒苏益格-荷尔斯泰因州的资助。
研究流程
研究对象
研究纳入了20名健康成年人（10名男性和10名女性），年龄范围为26-30岁，身体质量指数（BMI）低于50 kg/m²。所有受试者均在研究前签署知情同意书，研究方案获得了吕贝克大学伦理委员会的批准。
电极放置
研究使用64个凝胶电极（Kendall H124SG），按照基于解剖学标志的电极方案放置。电极位置包括中腋线（Midaxillary Line, MAL）、前腋线（Anterior Axillary Line, AAL）、锁骨中线（Midclavicular Line, MCL）和胸骨旁线（Parasternal Line, PSL）。电极间距为25毫米，覆盖了膈肌和肋间肌的活动区域。此外，还放置了12导联心电图（ECG）电极和一对胸锁乳突肌电极。
信号采集
使用TMSI SAGA 64+放大器记录64通道的单极SEMG信号，采样频率为2000 Hz。同时，使用Biopac系统测量气道流量和压力数据，并通过微控制器实现信号同步。
研究协议
研究包括三个呼吸任务：
1. 安静呼吸：持续300秒，无额外负荷。
2. 最大吸气压（MIP）测试：进行5次最大吸气努力，评估整体呼吸肌力量。
3. 阻力呼吸：以20% MIP的阻力进行15次深呼吸。
信号处理
信号处理包括以下步骤：
1. 使用100毫秒滑动平均滤波器平滑气道压力和流量信号。
2. 通过Pan-Tompkins算法检测ECG的R波位置。
3. 使用Butterworth带阻滤波器去除电源线干扰。
4. 基于小波去噪算法去除心脏干扰。
5. 计算单极或双极导联的信号包络。
数据分析
研究使用三个性能指标定量比较电极导联：
1. 信噪比（SNRbase）：吸气肌活动与基线噪声的比值。
2. 呼气肌活动信噪比（SNRexp）：吸气肌活动与呼气肌活动的比值。
3. ECG干扰信噪比（SNR EMG-ECG）：R波功率与吸气肌活动功率的比值。
主要结果
膈肌活动
- 双侧导联性能更优：双侧MCL导联（特别是距离肋缘2.5厘米的位置）在所有性能指标上表现最佳。
- 单侧导联性能较差：单侧导联的SNRbase和SNRexp值显著低于双侧导联，且ECG干扰较小。
- 最佳导联位置：MCL导联在膈肌活动测量中表现最佳，而MAL和AAL导联的性能较差。
肋间肌活动
- 双侧PSL导联性能最佳：双侧PSL导联在第二肋间隙的位置表现最佳。
- 电极位置的灵活性：电极可以在胸骨旁线附近移动，以适应临床需求。
- 单侧导联性能较差：单侧导联的SNRbase和SNRexp值均低于双侧导联。
结论
本研究通过定量比较不同电极位置，推荐使用双侧MCL导联（距离肋缘2.5厘米）测量膈肌活动，以及双侧PSL导联（第二肋间隙）测量肋间肌活动。这些结果为呼吸SEMG测量的标准化提供了重要依据，有助于提高该技术在临床中的接受度和应用价值。
研究亮点
- 系统性比较：首次系统比较单侧和双侧导联在膈肌和肋间肌活动测量中的性能。
- 定量指标：引入三个性能指标，全面评估电极位置对信号质量的影响。
- 临床应用价值：为呼吸SEMG的标准化提供了科学依据，有助于推动该技术在临床中的应用。
其他信息
研究还发现，电极位置的灵活性在临床实践中具有重要意义，特别是在患者胸壁受限或存在手术创伤的情况下。此外，研究结果提示，ECG干扰的程度可以通过电极位置的调整进行优化。