高密度表面肌电解码舌骨上肌群吞咽控制机制
2026-07-14 来源:本站 点击次数:27
吞咽功能评估：高密度表面肌电（HD-sEMG ）如何破解舌骨上肌群的控制密码？
引言
吞咽是人体最复杂的运动之一，看似简单的一次吞咽，实际上需要口腔、咽喉及食管等多个结构协调配合。其中，舌骨上肌群（Suprahyoid muscles）承担着提升舌骨和喉部、打开食管上括约肌的重要功能，是保证食物顺利进入食管的关键动力来源。随着脑卒中、帕金森病、头颈部肿瘤以及人口老龄化的增加，吞咽障碍（Dysphagia）患者数量不断上升，如何客观评价吞咽相关肌肉功能已成为康复医学的重要研究方向。目前，临床主要依赖吞咽造影（VF）、纤维内镜检查（FEES）以及传统表面肌电（sEMG）评估吞咽功能。然而，这些方法要么依赖大型设备，要么只能记录整体肌肉活动强度，难以进一步分析运动单位的募集及空间激活特性。近年来，高密度表面肌电（High-density Surface Electromyography，HD-sEMG）凭借其高空间分辨率和无创检测优势，为深入研究吞咽肌群神经肌肉控制提供了新的技术手段。
论文概要
来自日本广岛大学等机构的研究团队首次将HD-sEMG应用于舌骨上肌群功能评估，探索了舌上抬（Tongue Elevation）过程中运动单位募集规律的变化，并建立了健康成年人吞咽相关肌群的参考数据。研究成果发表于《Journal of Oral Rehabilitation》，题为“Analysis of the suprahyoid muscles during tongue elevation: High-density surface electromyography as a novel tool for swallowing-related muscle assessment”。研究采集了健康成年人在不同舌上抬力量下的HD-sEMG信号，并利用变异系数（Coefficient of Variation，CoV）、修正熵（Modified Entropy）、相关系数（Correlation Coefficient）及均方根值（Root Mean Square，RMS）四项指标，系统分析运动单位募集模式随肌肉收缩强度的变化。结果显示，随着舌上抬力量逐渐增加，运动单位募集由离散逐渐趋于集中，肌肉激活水平持续增强，而男女之间未观察到明显差异。研究证明，HD-sEMG能够稳定、客观地反映吞咽相关肌群的神经肌肉活动，为吞咽障碍评估提供了一种新的无创检测方法。
研究方法及结果呈现
本研究共纳入30名健康青年志愿者（男性15名、女性15名），所有受试者均无神经系统疾病、吞咽障碍或口腔疾病史。实验过程中，研究人员将64通道高密度表面肌电电极阵列贴附于下颌部舌骨上肌群区域，首先测量每位受试者的最大自主收缩力（Maximum Voluntary Contraction，MVC），随后分别完成20%、30%、40%、50%、60%、70%和80% MVC七个不同强度的舌上抬任务，并保持稳定收缩约10秒，以模拟不同程度的吞咽相关肌肉激活状态。
数据处理阶段，研究人员首先对原始HD-sEMG信号进行带通滤波及空间差分处理，以降低噪声和邻近肌肉干扰，并计算每个电极通道的均方根值（RMS）。随后，从空间分布和运动单位募集两个角度提取四项关键指标，包括反映空间均匀性的变异系数（CoV）和修正熵（Modified Entropy），以及反映运动单位同步募集程度的相关系数（Correlation Coefficient）和均方根（RMS），从而定量评价不同收缩强度下舌骨上肌群的神经肌肉控制特征。
结果显示，随着舌上抬力量由20% MVC逐渐增加至80% MVC，舌骨上肌群的运动单位募集模式呈现出一种稳定且连续的变化趋势（图2）。首先，在空间变异性方面（图2A），肌电信号的变异系数随着收缩强度增加持续下降，整体呈现出从分散向集中的转变。这意味着在低强度收缩（20% MVC）时，不同肌肉区域之间的激活差异较大，而当收缩逐渐增强至80% MVC时，肌肉活动趋于一致，空间分布更加统一。与之相反，反映信号复杂性的指标则呈现相反趋势。修正熵（图2B）与相关系数（图2C）均随着收缩强度逐级上升，在高强度收缩阶段（60%–80% MVC）达到较高水平，并且在不同强度之间均表现出显著差异（p < 0.001）。这说明随着力量输出需求增加，运动单位之间的同步性逐渐增强，肌肉整体协同程度不断提高。同时，均方根值（RMS）（图2D）也呈现出稳定上升趋势，在20% MVC时处于较低水平，而在80% MVC时达到最高值。这一变化直接反映了肌肉激活程度随负荷增加而逐步增强的生理过程。更重要的是，这种变化并不是阶跃式，而是一个连续的递进过程。在相邻10% MVC的强度区间之间，多个指标仍然能够检测到显著差异。这说明HD-sEMG不仅可以区分高低两种强度，甚至能够敏感捕捉到非常细微的力量变化所对应的运动单位募集差异。
图2 对20%至80%的每个10%段，分别显示了（A）变异系数（CoV）（B）修正熵（C）相关系数和（D）均方根（RMS）
研究进一步发现，从性别角度来看，如图3所示，虽然男性与女性在体型及BMI等方面存在一定差异，但在四项核心指标（CoV、修正熵、相关系数及RMS）上均未观察到显著统计学差异。这表明舌骨上肌群的基本募集规律在健康人群中具有较高一致性，不受性别因素明显影响，也为建立统一的吞咽肌功能参考标准提供了重要依据。
图3 不同力度水平下的每个参数指标按性别区分，在最大自愿收缩间隔的20%至80%之间，男女之间无显著差异
总结与展望
随着高密度表面肌电技术的发展，人们已经能够不仅观察肌肉是否收缩，还能够进一步分析运动单位如何募集、肌肉活动如何分布以及神经肌肉控制策略如何变化。本研究首次建立了健康成年人舌骨上肌群运动单位募集的HD-sEMG参考特征，为吞咽功能的客观量化评估提供了新的技术基础。
尽管本研究仅纳入健康青年受试者，尚未涉及脑卒中、帕金森病、肌少症及头颈部肿瘤等吞咽障碍患者，但作者认为，该方法具有良好的无创性、稳定性和重复性，未来有望用于吞咽障碍早期筛查、康复疗效评价及个体化训练效果监测。随着更多临床研究的开展，高密度肌电技术有望成为连接神经肌肉机制研究与吞咽康复实践的重要桥梁，为精准康复提供更加客观、可靠的评估工具。
原文链接
Yoshikawa K, Nakamori M, Ushio K, et al. Analysis of the suprahyoid muscles during tongue elevation: High‐density surface electromyography as a novel tool for swallowing‐related muscle assessment[J]. Journal of Oral Rehabilitation, 2024, 51(9): 1872-1880.
https://doi.org/10.1111/joor.13737
研究团队介绍
本研究由日本广岛大学研究团队完成。第一作者Yoshikawa K.与通讯作者中森雅弘Nakamori M.均隶属于广岛大学生物医学与健康科学研究生院，长期深耕口腔运动调控与吞咽功能电生理评估相关研究。
关于维拓启创
维拓启创（北京）信息技术有限公司成立于2006年，是一家专注于脑科学、康复工程、人因工程、心理学、体育科学等领域的科研解决方案供应商。公司与国内外多所大学、研究机构、企业长期保持合作关系，致力于将优质的产品、先进的技术和服务带给各个领域的科研工作者，为用户提供有竞争力的方案和服务，协助用户的科研工作，持续提升使用体验。
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引言
吞咽是人体最复杂的运动之一，看似简单的一次吞咽，实际上需要口腔、咽喉及食管等多个结构协调配合。其中，舌骨上肌群（Suprahyoid muscles）承担着提升舌骨和喉部、打开食管上括约肌的重要功能，是保证食物顺利进入食管的关键动力来源。随着脑卒中、帕金森病、头颈部肿瘤以及人口老龄化的增加，吞咽障碍（Dysphagia）患者数量不断上升，如何客观评价吞咽相关肌肉功能已成为康复医学的重要研究方向。目前，临床主要依赖吞咽造影（VF）、纤维内镜检查（FEES）以及传统表面肌电（sEMG）评估吞咽功能。然而，这些方法要么依赖大型设备，要么只能记录整体肌肉活动强度，难以进一步分析运动单位的募集及空间激活特性。近年来，高密度表面肌电（High-density Surface Electromyography，HD-sEMG）凭借其高空间分辨率和无创检测优势，为深入研究吞咽肌群神经肌肉控制提供了新的技术手段。
论文概要
来自日本广岛大学等机构的研究团队首次将HD-sEMG应用于舌骨上肌群功能评估，探索了舌上抬（Tongue Elevation）过程中运动单位募集规律的变化，并建立了健康成年人吞咽相关肌群的参考数据。研究成果发表于《Journal of Oral Rehabilitation》，题为“Analysis of the suprahyoid muscles during tongue elevation: High-density surface electromyography as a novel tool for swallowing-related muscle assessment”。研究采集了健康成年人在不同舌上抬力量下的HD-sEMG信号，并利用变异系数（Coefficient of Variation，CoV）、修正熵（Modified Entropy）、相关系数（Correlation Coefficient）及均方根值（Root Mean Square，RMS）四项指标，系统分析运动单位募集模式随肌肉收缩强度的变化。结果显示，随着舌上抬力量逐渐增加，运动单位募集由离散逐渐趋于集中，肌肉激活水平持续增强，而男女之间未观察到明显差异。研究证明，HD-sEMG能够稳定、客观地反映吞咽相关肌群的神经肌肉活动，为吞咽障碍评估提供了一种新的无创检测方法。
论文信息
研究方法及结果呈现
本研究共纳入30名健康青年志愿者（男性15名、女性15名），所有受试者均无神经系统疾病、吞咽障碍或口腔疾病史。实验过程中，研究人员将64通道高密度表面肌电电极阵列贴附于下颌部舌骨上肌群区域，首先测量每位受试者的最大自主收缩力（Maximum Voluntary Contraction，MVC），随后分别完成20%、30%、40%、50%、60%、70%和80% MVC七个不同强度的舌上抬任务，并保持稳定收缩约10秒，以模拟不同程度的吞咽相关肌肉激活状态。
图1 实验设置
（A）使用舌头力量计测量舌头等长收缩肌力（B）测量了用舌头按压传感器所产生的肌肉力量（C）电极置于舌骨和下颌骨之间，位于前颈中部（D）分析了每个10%增量（共八个增量）前后各0.5秒的肌电图信号，从最大自愿收缩（MVC）的0%到80%（E）测量MVC后，执行了40% MVC持续15秒和60% MVC持续10秒的肌肉收缩任务数据处理阶段，研究人员首先对原始HD-sEMG信号进行带通滤波及空间差分处理，以降低噪声和邻近肌肉干扰，并计算每个电极通道的均方根值（RMS）。随后，从空间分布和运动单位募集两个角度提取四项关键指标，包括反映空间均匀性的变异系数（CoV）和修正熵（Modified Entropy），以及反映运动单位同步募集程度的相关系数（Correlation Coefficient）和均方根（RMS），从而定量评价不同收缩强度下舌骨上肌群的神经肌肉控制特征。
结果显示，随着舌上抬力量由20% MVC逐渐增加至80% MVC，舌骨上肌群的运动单位募集模式呈现出一种稳定且连续的变化趋势（图2）。首先，在空间变异性方面（图2A），肌电信号的变异系数随着收缩强度增加持续下降，整体呈现出从分散向集中的转变。这意味着在低强度收缩（20% MVC）时，不同肌肉区域之间的激活差异较大，而当收缩逐渐增强至80% MVC时，肌肉活动趋于一致，空间分布更加统一。与之相反，反映信号复杂性的指标则呈现相反趋势。修正熵（图2B）与相关系数（图2C）均随着收缩强度逐级上升，在高强度收缩阶段（60%–80% MVC）达到较高水平，并且在不同强度之间均表现出显著差异（p < 0.001）。这说明随着力量输出需求增加，运动单位之间的同步性逐渐增强，肌肉整体协同程度不断提高。同时，均方根值（RMS）（图2D）也呈现出稳定上升趋势，在20% MVC时处于较低水平，而在80% MVC时达到最高值。这一变化直接反映了肌肉激活程度随负荷增加而逐步增强的生理过程。更重要的是，这种变化并不是阶跃式，而是一个连续的递进过程。在相邻10% MVC的强度区间之间，多个指标仍然能够检测到显著差异。这说明HD-sEMG不仅可以区分高低两种强度，甚至能够敏感捕捉到非常细微的力量变化所对应的运动单位募集差异。
研究进一步发现，从性别角度来看，如图3所示，虽然男性与女性在体型及BMI等方面存在一定差异，但在四项核心指标（CoV、修正熵、相关系数及RMS）上均未观察到显著统计学差异。这表明舌骨上肌群的基本募集规律在健康人群中具有较高一致性，不受性别因素明显影响，也为建立统一的吞咽肌功能参考标准提供了重要依据。
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随着高密度表面肌电技术的发展，人们已经能够不仅观察肌肉是否收缩，还能够进一步分析运动单位如何募集、肌肉活动如何分布以及神经肌肉控制策略如何变化。本研究首次建立了健康成年人舌骨上肌群运动单位募集的HD-sEMG参考特征，为吞咽功能的客观量化评估提供了新的技术基础。
尽管本研究仅纳入健康青年受试者，尚未涉及脑卒中、帕金森病、肌少症及头颈部肿瘤等吞咽障碍患者，但作者认为，该方法具有良好的无创性、稳定性和重复性，未来有望用于吞咽障碍早期筛查、康复疗效评价及个体化训练效果监测。随着更多临床研究的开展，高密度肌电技术有望成为连接神经肌肉机制研究与吞咽康复实践的重要桥梁，为精准康复提供更加客观、可靠的评估工具。
原文链接
Yoshikawa K, Nakamori M, Ushio K, et al. Analysis of the suprahyoid muscles during tongue elevation: High‐density surface electromyography as a novel tool for swallowing‐related muscle assessment[J]. Journal of Oral Rehabilitation, 2024, 51(9): 1872-1880.
https://doi.org/10.1111/joor.13737
研究团队介绍
本研究由日本广岛大学研究团队完成。第一作者Yoshikawa K.与通讯作者中森雅弘Nakamori M.均隶属于广岛大学生物医学与健康科学研究生院，长期深耕口腔运动调控与吞咽功能电生理评估相关研究。
关于维拓启创
维拓启创（北京）信息技术有限公司成立于2006年，是一家专注于脑科学、康复工程、人因工程、心理学、体育科学等领域的科研解决方案供应商。公司与国内外多所大学、研究机构、企业长期保持合作关系，致力于将优质的产品、先进的技术和服务带给各个领域的科研工作者，为用户提供有竞争力的方案和服务，协助用户的科研工作，持续提升使用体验。
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