两种TMR手术系统性比较：哪种更适合肌电假肢控制？
2025-06-30 来源:本站 点击次数:55
两种TMR手术大PK 哪种更适合肌电假肢控制？
背景介绍
全球有数百万人因事故、疾病或工业伤害而失去肢体，肌电假肢成为他们恢复部分功能的重要选择。然而，对于高位截肢者（如肘上或膝上截肢），残肢缺乏足够的肌电信号（EMG），导致假肢控制困难，甚至被弃用。靶向肌肉神经移植术（Targeted Muscle Reinnervation, TMR）通过将残存神经移植到目标肌肉，重建神经-机器接口，为高位截肢者提供更多肌电信号源，提高解码准确性，从而改善假肢的直观控制能力和多功能性，降低了假肢弃用率。目前TMR手术有两种主要方式，神经-肌肉缝合（Nerve-to-Muscle）：将残存神经直接植入目标肌肉；神经-神经缝合（Nerve-to-Nerve）：将残存神经与目标肌肉的原有神经吻合。尽管两种方法在临床中均有应用，但其效果差异尚不明确。
文章概要
近期，中国科学院深圳先进技术研究院的李光林和牛传欣研究团队通过动物实验，对这两种TMR手术的效果进行了系统性比较，研究成果发表在《IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering》上。
研究方法
研究团队选取14只成年雄性SD大鼠，随机分为两组，分别接受神经-肌肉缝合和神经-神经缝合手术。对于神经-肌肉缝合组，研究人员将尺神经（UN）近端植入去神经支配的肱二头肌（BBM）。而神经-神经缝合组，则将UN近端与支配BBM的肌皮神经（MCN）远端吻合。
术后，两组动物模型按计划在跑步机上以 5 米 / 分钟的速度行走，同时记录肌电信号。肌电信号在术后每 7 天记录一次，直至术后 28 天，共进行四次记录。研究人员用EMG信号分析比较了两组大鼠的EMG信号振幅、信噪比（SNR）和中心频率（CF）。
术后3个月，所有大鼠均接受强直收缩力（TCF）和最大单次收缩力（MSCF）测试。这两种测试都反映了肌肉收缩特性，该特性是能有效反映神经在靶肌肉上再生程度的功能指标。神经再生效果越好，支配能力越强，表现为靶肌肉在神经冲动下产生更大力量的能力，反之亦然。对于TCF测试，刺激频率从 11 Hz 以 10 Hz 的步长增加至 51 Hz。
测试完成后，研究人员完全分离双侧肱二头肌（包含经TMR处理的和对照的肱二头肌）并去除其表面覆盖的组织（以确保肌腱和肌肉保持完整），对每块肱二头肌进行称重，并设计保存率（即经TMR处理的肱二头肌质量/对照的肱二头肌质量）来评估神经-神经和神经-肌肉模型的肌肉萎缩情况，进一步评估肌肉萎缩状况。
完成以上记录和称重后，采集TMR靶肌肉用于组织学染色。采用Sihler神经染色技术来反映肌肉组织的整体神经分布模式映射。
研究结果以及解释
研究人员对运动期间记录的肌电信号做了多种分析。图3E显示了两组TMR肌电信号的信噪比（SNR），结果表明术后14天起，神经-肌肉模型的SNR显著低于神经-神经模型。比较两组间TMR肱二头肌的归一化肌电信号（见图3F）时发现，神经-神经模型的值显著高于神经-肌肉模型。两组TMR肌电信号的质心频率（CF）也存在显著差异。以对照的肌电信号的CF进行归一化后的值如图3G所示，两组在术后第7、14、21和28天均存在显著差异。
对靶向肌肉（此处为肱二头肌）做收缩特性分析，结果如图4，随着刺激频率的持续增加，两组模型中靶向肌肉的强直收缩力均持续上升，并在 41 Hz刺激频率时达到最大值（见图4 A）。图 4B 显示了强直收缩力（TCF）的反应持续时间（RD），其定义为从刺激快速初始上升到完全 TCF 曲线平坦部分的时间。神经-肌肉肱二头肌的 RD 显著高于神经-神经肱二头肌，表明神经-神经模型中靶向肌肉的神经激活一致性更好。此外，关于肱二头肌的最大单次收缩力（MSCF），神经-神经缝合术也优于神经-肌肉缝合术（图 4C）。
图5A展示了神经-肌肉模型和神经-神经模型中肱二头肌（BBM）横截面的染色结果。神经-神经缝合组的肌纤维横截面积（见图5B），和肱二头肌的湿重（见图5C）显著多于神经-肌肉模型组。图5D和F展示了对照组肱二头肌中肌内神经分布的形态。在神经干进入肌肉之前，会发出多个小分支，进入肌肉后这些小分支会继续发出逐渐变细的分支。图5E和G分别展示了神经-肌肉组和神经-神经组的肱二头肌的肌内神经分布，只有神经-神经组表现出与对照肱二头肌中观察到的多级分支相似的分布模式。
总结，不足和展望
本研究对比了神经-肌肉缝合与神经-神经缝合两种靶向肌肉再神经支配（TMR）方法对肌电信号和肌肉功能的影响。结果表明，神经-神经缝合在肌电信号信噪比、质心频率、肌肉收缩力及肌内神经分布等方面均优于神经-肌肉缝合，且神经-神经组的肌肉湿重和肌纤维横截面积更大，肌内神经分支模式更接近正常。然而，研究存在电极植入寿命短、仅收集1个月肌电信号、未涉及感觉神经再生研究等局限。未来需改进长期植入技术以延长信号采集时间，结合行为训练探索运动意图识别，并深入研究感觉神经再生机制，为优化TMR临床应用提供更全面的理论依据。
原文链接
J. Huang, X. Li, J. Wei, C. M. Niu and G. Li, "Performance of Two Different Targeted Muscle Reinnervation Approaches for Improving Myoelectric Prosthetic Control," in IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, vol. 33, pp. 1392-1399, 2025.
doi: 10.1109/TNSRE.2025.3558292
研究团队介绍
Jianping Huang、Xiangxin Li、Jingjing Wei：均隶属于中国科学院深圳先进技术研究院，同时任职于中国科学院大学。
Chuanxin M. Niu（牛传欣）：上海交通大学医学院附属瑞金医院康复医学科。
Guanglin Li（李光林）：中国科学院深圳先进技术研究院研究员，同时任职于中国科学院大学、深圳人工智能与机器人研究院 SIAT 分院，以及山东中科先进技术有限公司。
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背景介绍
全球有数百万人因事故、疾病或工业伤害而失去肢体，肌电假肢成为他们恢复部分功能的重要选择。然而，对于高位截肢者（如肘上或膝上截肢），残肢缺乏足够的肌电信号（EMG），导致假肢控制困难，甚至被弃用。靶向肌肉神经移植术（Targeted Muscle Reinnervation, TMR）通过将残存神经移植到目标肌肉，重建神经-机器接口，为高位截肢者提供更多肌电信号源，提高解码准确性，从而改善假肢的直观控制能力和多功能性，降低了假肢弃用率。目前TMR手术有两种主要方式，神经-肌肉缝合（Nerve-to-Muscle）：将残存神经直接植入目标肌肉；神经-神经缝合（Nerve-to-Nerve）：将残存神经与目标肌肉的原有神经吻合。尽管两种方法在临床中均有应用，但其效果差异尚不明确。
图1. 文章信息
文章概要
近期，中国科学院深圳先进技术研究院的李光林和牛传欣研究团队通过动物实验，对这两种TMR手术的效果进行了系统性比较，研究成果发表在《IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering》上。
研究方法
研究团队选取14只成年雄性SD大鼠，随机分为两组，分别接受神经-肌肉缝合和神经-神经缝合手术。对于神经-肌肉缝合组，研究人员将尺神经（UN）近端植入去神经支配的肱二头肌（BBM）。而神经-神经缝合组，则将UN近端与支配BBM的肌皮神经（MCN）远端吻合。
术后，两组动物模型按计划在跑步机上以 5 米 / 分钟的速度行走，同时记录肌电信号。肌电信号在术后每 7 天记录一次，直至术后 28 天，共进行四次记录。研究人员用EMG信号分析比较了两组大鼠的EMG信号振幅、信噪比（SNR）和中心频率（CF）。
图2. 手术范式示意图。神经-肌肉缝合（C）和神经-神经缝合（D）
术后3个月，所有大鼠均接受强直收缩力（TCF）和最大单次收缩力（MSCF）测试。这两种测试都反映了肌肉收缩特性，该特性是能有效反映神经在靶肌肉上再生程度的功能指标。神经再生效果越好，支配能力越强，表现为靶肌肉在神经冲动下产生更大力量的能力，反之亦然。对于TCF测试，刺激频率从 11 Hz 以 10 Hz 的步长增加至 51 Hz。
测试完成后，研究人员完全分离双侧肱二头肌（包含经TMR处理的和对照的肱二头肌）并去除其表面覆盖的组织（以确保肌腱和肌肉保持完整），对每块肱二头肌进行称重，并设计保存率（即经TMR处理的肱二头肌质量/对照的肱二头肌质量）来评估神经-神经和神经-肌肉模型的肌肉萎缩情况，进一步评估肌肉萎缩状况。
完成以上记录和称重后，采集TMR靶肌肉用于组织学染色。采用Sihler神经染色技术来反映肌肉组织的整体神经分布模式映射。
研究结果以及解释
研究人员对运动期间记录的肌电信号做了多种分析。图3E显示了两组TMR肌电信号的信噪比（SNR），结果表明术后14天起，神经-肌肉模型的SNR显著低于神经-神经模型。比较两组间TMR肱二头肌的归一化肌电信号（见图3F）时发现，神经-神经模型的值显著高于神经-肌肉模型。两组TMR肌电信号的质心频率（CF）也存在显著差异。以对照的肌电信号的CF进行归一化后的值如图3G所示，两组在术后第7、14、21和28天均存在显著差异。
图3. 跑步机运动期间从模型中记录的肌电信号。（A-B）分别为神经-肌肉模型中靶向肌肉再神经支配（TMR）的肱二头肌（BBMs）和对照组肱二头肌的肌电信号。（C-D）分别为神经-神经模型中 TMR 的肱二头肌和对照肱二头肌的肌电信号。（E）神经-肌肉模型和神经-神经模型中 TMR 的肱二头肌肌电信号的信噪比（SNR）。（F）神经-肌肉模型和神经-神经模型中 TMR 的肱二头肌的归一化肌电信号。（G）神经-肌肉模型和神经-神经模型中 TMR 的肱二头肌肌电信号的归一化质心频率
对靶向肌肉（此处为肱二头肌）做收缩特性分析，结果如图4，随着刺激频率的持续增加，两组模型中靶向肌肉的强直收缩力均持续上升，并在 41 Hz刺激频率时达到最大值（见图4 A）。图 4B 显示了强直收缩力（TCF）的反应持续时间（RD），其定义为从刺激快速初始上升到完全 TCF 曲线平坦部分的时间。神经-肌肉肱二头肌的 RD 显著高于神经-神经肱二头肌，表明神经-神经模型中靶向肌肉的神经激活一致性更好。此外，关于肱二头肌的最大单次收缩力（MSCF），神经-神经缝合术也优于神经-肌肉缝合术（图 4C）。
图4. 肱二头肌（BBMs）的收缩特性。（A）随着电刺激频率增加，神经-肌肉和神经-神经模型中靶向肌肉再神经支配（TMR）的肱二头肌的强直收缩力（TCF），实心和虚线箭头表示。（B）强直收缩力的反应持续时间（RD）。（C）神经-肌肉和神经-神经模型之间，随着电刺激电压增加，TMR 肱二头肌的最大单次收缩力（MSCF）的比较
图5A展示了神经-肌肉模型和神经-神经模型中肱二头肌（BBM）横截面的染色结果。神经-神经缝合组的肌纤维横截面积（见图5B），和肱二头肌的湿重（见图5C）显著多于神经-肌肉模型组。图5D和F展示了对照组肱二头肌中肌内神经分布的形态。在神经干进入肌肉之前，会发出多个小分支，进入肌肉后这些小分支会继续发出逐渐变细的分支。图5E和G分别展示了神经-肌肉组和神经-神经组的肱二头肌的肌内神经分布，只有神经-神经组表现出与对照肱二头肌中观察到的多级分支相似的分布模式。
图5. 肌肉生理状况及靶向肌肉再神经支配（TMR）的肌内神经分布（IND）。（A）神经-肌肉模型和神经-神经模型中 TMR 肱二头肌（BBM）的横截面染色。（B-C）神经-肌肉模型和神经-神经模型中 TMR 肱二头肌的肌细胞大小及保存率差异。（D 和 F）染色显示神经-肌肉模型和神经-神经模型中对照肱二头肌的 IND，实心三角形和空心三角形分别代表原始神经及其分支。（E）神经-肌肉缝合术的 TMR 肱二头肌 IND，实心正方形和虚线圆圈分别代表原始神经及其再生神经。（G）神经-神经缝合术的 TMR 肱二头肌 IND，实心正方形、菱形、实心圆圈和空心正方形分别代表移植的尺神经（UN）、肌皮神经（MCN）、神经吻合位点和原始分支
总结，不足和展望
本研究对比了神经-肌肉缝合与神经-神经缝合两种靶向肌肉再神经支配（TMR）方法对肌电信号和肌肉功能的影响。结果表明，神经-神经缝合在肌电信号信噪比、质心频率、肌肉收缩力及肌内神经分布等方面均优于神经-肌肉缝合，且神经-神经组的肌肉湿重和肌纤维横截面积更大，肌内神经分支模式更接近正常。然而，研究存在电极植入寿命短、仅收集1个月肌电信号、未涉及感觉神经再生研究等局限。未来需改进长期植入技术以延长信号采集时间，结合行为训练探索运动意图识别，并深入研究感觉神经再生机制，为优化TMR临床应用提供更全面的理论依据。
原文链接
J. Huang, X. Li, J. Wei, C. M. Niu and G. Li, "Performance of Two Different Targeted Muscle Reinnervation Approaches for Improving Myoelectric Prosthetic Control," in IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, vol. 33, pp. 1392-1399, 2025.
doi: 10.1109/TNSRE.2025.3558292
研究团队介绍
Jianping Huang、Xiangxin Li、Jingjing Wei：均隶属于中国科学院深圳先进技术研究院，同时任职于中国科学院大学。
Chuanxin M. Niu（牛传欣）：上海交通大学医学院附属瑞金医院康复医学科。
Guanglin Li（李光林）：中国科学院深圳先进技术研究院研究员，同时任职于中国科学院大学、深圳人工智能与机器人研究院 SIAT 分院，以及山东中科先进技术有限公司。
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