CN110960214B - 一种表面肌电图同步音频信号采集方法及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种表面肌电图同步音频信号采集方法，包括如下步骤：(1)在受试者静息、活动、发音、短句及阅读时，采集斜方肌、胸锁乳突肌、舌骨上肌群、舌骨下肌群、环甲肌处的表面肌电信号，并同步采集受试者的语音信号；(2)对步骤(1)中获得的表面肌电信号和语音信号进行综合分析，分析发音与肌肉募集的时间、幅度之间的关系。使用上述表面肌电图同步音频信号采集方法，可以对受试者在静息、活动、发音、短句及阅读等不同状态下的肌肉募集情况及音频信号进行同步采集，从而以无创的方式检测喉外肌是否存在功能性发声障碍。本发明同时公开了用于实现上述表面肌电图同步音频信号采集方法的设备。
Description
技术领域
本发明涉及一种表面肌电图同步音频信号采集方法，同时涉及一种表面肌电图同步音频信号采集设备。
背景技术
1944年Weddell等人首先将肌电图应用于咽喉肌检查，通过研究喉部肌肉在发音、呼吸及吞咽时的生物电活动来判断神经肌肉系统机能状态，为临床诊断提供相应科学依据。临床上应用的肌电图检查多采用针形电极(即电极插入肌肉肌腹位置)检测获得肌电信号，其优势为识别信号准确、周围信号干扰小、检测位置准确，但由于其有创操作的特点，临床应用受到了一定限制。
随着针式肌电图的广泛应用，肌电图检查迅速发展起来。在20世纪中期才逐渐形成喉部表面肌电图研究。目前喉部表面肌电图已广泛应用于与喉部功能密切相关的疾病检查中，其中吞咽相关研究应用最为普遍，能够测量各种肌肉在吞咽过程中的活动模式，从而对吞咽发生过程及吞咽的生理机制进行描述。
在喉部包括吞咽、发音功能方面研究中，表面肌电图主要用于进行喉外肌肌电检测，包括舌骨上肌群(suprahyoid,Sh)和舌骨下肌群(infrahyoid,Ih)，前者包括下颌舌骨肌、二腹肌、茎突舌骨肌、颏舌骨肌；后者包括胸骨甲状肌、胸骨舌骨肌、肩胛舌骨肌、甲状舌骨肌、肩胛舌骨肌。两组肌肉相互拮抗，其主要作用包括在发音、吞咽等过程中的喉牵引和稳定，通过改变肌肉的紧张度使喉位置发生改变，喉软骨结构(舌骨、甲状腺、环状和杓状体)的倾斜度受到干扰，进而影响喉内肌，使声带紧张度发生变化，起到发音辅助作用，是发音过程中的主要激活肌肉。其中，学者对舌骨上肌群的肌电活动研究较多，尤其颏舌骨肌、二腹肌较易在发音过程中出现变化。
表面肌电图(Surface Electromyography，SEMG)在发音方面的研究也在逐年增加，但由于SEMG在发音相关肌肉的检测和分析技术、样本量大小、标准化方法等方面存在差异，目前在这一领域还没有被广泛使用。对于发音方面，主要包括对发音过程相关肌肉活动评估、高功能型发声障碍/发音功能亢进肌电特征等研究，如声带小结、肌紧张性发声障碍(muscle tension dysphonia,MTD)等较为多见。
功能性发音障碍指患者无喉部器质性改变或神经系统疾病的一类发声障碍，可表现为发音或歌唱时声音嘶哑，还可有发音费力、发音疲劳、发音中断等症状，可严重影响患者生活。由于功能性发音障碍未发生器质性病变，在人体解剖结构上无异常，目前对功能性发音障碍的研究缺乏针对性的研究设备，并且对功能性发音障碍的判定缺乏有效的检测方法。
发明内容
本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种表面肌电图同步音频信号采集方法。
本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种表面肌电图同步音频信号采集设备。
为了实现上述技术目的，本发明采用下述技术方案：
根据本发明实施例的第一方面，提供一种表面肌电图同步音频信号采集方法，包括如下步骤：
(1)在受试者静息、活动、发音、短句及阅读时，采集斜方肌、胸锁乳突肌、舌骨上肌群、舌骨下肌群、环甲肌处的表面肌电信号，并同步采集受试者的语音信号；
(2)对步骤(1)中获得的所述表面肌电信号和所述语音信号进行综合分析，分析发音与肌肉募集的时间、幅度之间的关系。
其中较优地，在所述步骤(2)中，对肌肉募集大小波幅值、双侧对称性、稳定性、发音前后募集情况进行分析。
其中较优地，还包括步骤(3)，根据发音与肌肉募集的时间、幅度之间的关系，分析是否存在发音费力、发音疲劳、发音中断或发音震颤中任意一种所对应的波形。
其中较优地，在所述步骤(1)中，每次同步采集双侧肩部相同肌肉的表面肌电信号。
其中较优地，在所述步骤(1)中，每次采集斜方肌、胸锁乳突肌、舌骨上肌群、舌骨下肌群、环甲肌处中的一处或多处的表面肌电信号，通过多次完成所有位置的表面肌电信号的采集。
其中较优地，在所述步骤(1)中，受试者的活动包括耸肩、转头、低头、抬头、伸舌、清嗓、咳嗽、吞咽中的一种或多种。
其中较优地，在所述步骤(1)中，受试者的发音包括发单音的不同状态：低音、高音、小声、大声等。
根据本发明实施例的第二方面，提供一种表面肌电图同步音频信号采集设备，用于实现上述表面肌电图同步音频信号采集方法，包括肌电生理仪及与所述肌电生理仪连接的多个表面电极和音频采集元件；
其中，多个所述表面电极分别用于采集斜方肌、胸锁乳突肌、舌骨上肌群、舌骨下肌群、环甲肌处的表面肌电信号；
所述音频采集元件用于采集受试者的语音信号；
所述肌电生理仪用于对所述表面电极采集的表面肌电信号和所述音频采集元件采集的语音信号进行综合分析。
其中较优地，多个所述表面电极和所述音频采集元件用于同步采集所述受试者在静息、活动、发音、短句及阅读时的表面肌电信号和语音信号。
其中较优地，所述肌电生理仪用于根据所述表面电极和所述音频采集元件同步采集的表面肌电信号和语音信号，对肌肉募集大小波幅值、双侧对称性、稳定性、发音前后募集情况进行分析。
本发明所提供的表面肌电图同步音频信号采集方法，可以对受试者在静息、活动、发音、短句及阅读等不同状态下的肌肉募集情况及音频信号进行同步采集，从而以无创的方式检测喉外肌是否存在功能性发声障碍，其具有无创及测量结果准确、可视等优点。并且，上述表面肌电图同步音频信号采集方法，在采集肌肉募集活动的同时同步检测音频信号，可以观察受试者喉外肌肌电活动与发音的关系，从而更全面了解功能性发声障碍患者喉外肌的活动特点，对于临床辅助检查及诊断提供帮助。
附图说明
图1是本发明所提供的表面肌电图同步音频信号采集设备的结构示意图；
图2是表面肌电信号采集原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行进一步地详细描述。
表面肌电图是一种在皮肤表面通过记录肌肉的电活动来评估肌肉功能的方法，即被测肌肉在运动时产生的单个动作电位序列经表面电极引导、放大和记录，从而形成的一维电压时间序列信号。由于其具有无创性、整体性、多导测量等优点，目前主要应用于康复医学、运动医学、体育科学等，也可用于模式识别、人机工程学等领域。表面肌电图不仅能静止状态测定肌肉活动，还能动态监测肌肉收缩时电生理变化，定量分析肌肉功能状态。目前已广泛应用于与喉部功能密切相关的疾病检查中，如吞咽、肌紧张性发声障碍研究等。
本发明所提供的表面肌电图同步音频信号采集方法，应用于临床发声障碍的肌电特征及语音关系检查中。本发明所提供的表面肌电图同步音频信号采集方法，可以对受试者在静息、活动、发音、短句及阅读等不同状态下的肌肉募集情况及音频信号进行同步采集，并对所采集到的波形数据进行综合分析，从而以无创的方式检测喉外肌是否存在功能性发声障碍，其具有无创及测量结果准确、可视等优点。
具体来说，本发明所提供的表面肌电图同步音频信号采集方法，包括如下步骤：
(1)在受试者静息、活动、发音、短句及阅读时，采集斜方肌、胸锁乳突肌、舌骨上肌群、舌骨下肌群、环甲肌处的表面肌电信号，并同步采集受试者的语音信号。
其中，根据肌电生理仪的性能，每次采集斜方肌、胸锁乳突肌、舌骨上肌群、舌骨下肌群、环甲肌处中的一处或多处的表面肌电信号，通过多次完成所有位置的表面肌电信号的采集。在检测时，每次同步采集受试者双侧肩部相同肌肉的表面肌电信号。
针对每组肌肉的检测，需要受试者完成静息、活动、发音、短句及阅读全部任务。
在具体采集时，嘱咐受试者进行的活动包括耸肩、转头、低头、抬头、伸舌、清嗓、咳嗽、吞咽中的一种或多种。通过采集每组肌肉在活动时的表面肌电信号，一方面可以判断电极放置位置是否正确，另一方面可以检测双侧肌肉收缩动作幅度是否存在变化及是否对称，从而判断是否存在器质性病变。
每组肌肉在静息时的表面肌电信号，一方面可以作为肌肉募集参考，另一方面也可以判断是否存在器质性病变。
嘱咐受试者完成的发音包括发单音的不同状态：低音、高音、小声、大声等；嘱咐受试者完成的短句及阅读需要读出指定的短句及完成不同时长的指定阅读，其中包括不同响度及音高变化，还包括停顿、换气等动作。通过采集每组肌肉在发音、短句及阅读时的表面肌电信号，可以判断上述肌肉在发音、短句及阅读时，肌肉募集的时间及幅度是否正常。
(2)对步骤(1)中获得的表面肌电信号和语音信号进行综合分析，分析发音与肌肉募集的时间、幅度之间的关系。具体对肌肉募集大小波幅值、双侧对称性、稳定性、发音前后募集情况进行分析。
(3)根据发音及肌肉募集间的关系，分析是否存在发音费力、发音疲劳、发音中断或发音震颤中任意一种所对应的波形。
其中，发音费力是指发音前募集，发音后持续，并且，在发音过程中肌肉募集幅度增大的情形；发音疲劳一般存在短句和阅读过程中，指发音过程中肌肉募集减弱；发音中断存在两种情况，一种是发音过程中，肌肉存在收缩，但没有声音，还有一种是发音过程中，肌肉不收缩，也没有声音；发音震颤是指发音过程中声音存在发颤的现象，在静止或者运动中，肌肉有节律的收缩，通常可以采集到震颤波形。
本发明同时提供了如图1所示的表面肌电图同步音频信号采集设备，用于实现上述表面肌电图同步音频信号采集方法。该表面肌电图同步音频信号采集设备包括肌电生理仪及与肌电生理仪连接的多个表面电极和音频采集元件；其中，多个表面电极分别用于采集斜方肌、胸锁乳突肌、舌骨下肌群、舌骨上肌群、环甲肌处的表面肌电信号；音频采集元件用于采集受试者的语音信号；肌电生理仪用于对表面电极采集的表面肌电信号和音频采集元件同步采集的语音信号进行综合分析。具体来说，多个表面电极和音频采集元件用于同步采集受试者在静息、活动、发音、短句及阅读时的表面肌电信号和语音信号。肌电生理仪用于根据表面电极和音频采集元件同步采集的表面肌电信号和语音信号，对肌肉募集大小波幅值、双侧对称性、稳定性、发音前后募集情况进行分析。
下面对实现上述表面肌电图同步音频信号采集方法所用的具体设备及相应的检测方法进行举例说明。
例如：应用尼高力肌电生理仪，连接表面电极及语音采集元件。如图2所示，表面肌电记录设备选择尼高力肌电生理仪-四通道肌电采集系统；前置放大器采用模拟差分放大器，增益为2000。使用配套尼高力计算机软件程序显示和分析表面肌电信号，并将数据直接加载到计算机系统。表面肌电信号以微伏(uV)为单位记录。获得有效肌电振幅数值，并进行进一步分析。使用语音采集元件(例如话筒等)同步采集受试者的语音信号，并输入尼高力肌电生理仪中，供同步显示、存储及进一步分析。
将电极片分别放置于不同被测肌肉表面对应皮肤处，电极位置根据既往相关文献放置，并平行于肌纤维的方向，位于肌腹处。五组电极位置：1.斜方肌(双侧斜方肌前缘中点)；2.胸锁乳突肌(双侧胸锁乳突肌中点)；3.舌骨下肌群(胸骨舌骨肌、肩胛舌骨肌)；4.舌骨上肌群(颏舌骨肌、二腹肌、下颌舌骨肌等)；5.环甲肌(甲状软骨下角稍外侧距颈前正中约1cm平环甲膜处)。表面肌电图使用双极金杯电极放置在颈肩部五组肌肉肌腹处(双侧对称)，电极间距(两电极中心)为10mm。使用Ten 20导电膏(Weaver and Company，USA)涂抹于金杯电极内，使其完全包裹电极与皮肤接触区域，进一步降低电极-皮肤阻抗。
在测试时，所有受试者均行表面肌电联合语音监测检查。检测受试者在静息、活动、发音、短句和阅读五种状态下两组研究对象的肌肉情况，对比发音及肌肉募集间关系。嘱受试者平静呼吸、发音(包括单音/i/和/a/的不同状态，低音、高音、小声、大声等)、讲话(间断语句，/我去黑龙江，他到无锡市/)、相应活动(耸肩、转头、低头、抬头、伸舌、清嗓、咳嗽、吞咽等)等，同步检测不同状态下肌肉募集情况，记录肌肉募集大小波幅值、双侧对称性、稳定性、发音前后募集情况等，同时记录语音信号，比较发音及平静状态下肌肉活动的区别。
首先在发音前嘱受试者平静呼吸，休息30s。发音任务：1.正常音高及响度的持续元音/i/；2.正常响度但高音状态持续元音/i/；3.正常音高及响度持续元音/a/；4.正常音高但大声/a/(声音响度≥70dB)；5.正常响度及大声短句：我去黑龙江，他到无锡市；6.阅读短文《北风和太阳》，约30-60s不等。其中持续元音发音时程≥4s，连续重复三次，以显示和捕捉合适的肌电信号。每次发音后休息约10s，避免发音疲劳。
后嘱患者分别进行转头、耸肩、下巴行最大抵抗动作(低头)、抬头、清嗓、咳嗽、吞咽、伸舌等动作。当受试者低头做最大抵抗动作时，颈部肌肉处于最大自愿收缩(maximumvoluntary contraction,MVC)状态。
所有测试任务都是定时的，假设研究人员发出的指令为零点，开始执行到数据收集完毕的总时间从45分钟到60分钟不等，取决于受试者对任务指令的理解和电极捕获电信号质量。
上述表面肌电图同步音频信号采集方法，可用于观察记录功能性发声障碍患者喉外肌肌电活动情况及其与语音时间关系，以得到功能性发声障碍特征性检查及诊断方法。具体可以对喉外肌肌电活动大小、稳定性，双侧对称性，发音前后肌电活动情况等进行研究。进一步地，可以对受试者是否存在功能性发声障碍进行判定。
综上所述，本发明所提供表面肌电图同步音频信号采集方法，可以对受试者在静息、活动、发音、短句及阅读等不同状态下的肌肉募集情况及音频信号进行同步采集，从而以无创的方式检测喉外肌是否存在功能性发声障碍，其具有无创及测量结果准确、可视等优点。上述表面肌电图同步音频信号采集方法，在采集肌肉募集活动的同时同步检测音频信号，可以观察喉外肌肌电活动与发音的关系，从而更全面了解功能性发声障碍患者喉外肌的活动特点，对于临床辅助检查及诊断提供帮助。
以上对本发明所提供的一种表面肌电图同步音频信号采集方法及设备进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。
Claims (9)
1.一种表面肌电图同步音频信号采集方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）在受试者静息、活动、发音、短句及阅读时，采集斜方肌、胸锁乳突肌、舌骨上肌群、舌骨下肌群、环甲肌处的表面肌电信号，并同步采集受试者的语音信号；
（2）对步骤（1）中获得的所述表面肌电信号和所述语音信号进行综合分析，对肌肉募集大小波幅值、双侧对称性、稳定性、发音前后募集情况进行分析，分析发音与肌肉募集的时间、幅度之间的关系。
2.如权利要求1所述的表面肌电图同步音频信号采集方法，其特征在于：
还包括步骤（3），根据发音与肌肉募集的时间、幅度之间的关系，分析是否存在发音费力、发音疲劳、发音中断或发音震颤中任意一种所对应的波形。
3.如权利要求1所述的表面肌电图同步音频信号采集方法，其特征在于：
在所述步骤（1）中，每次同步采集双侧肩部相同肌肉的表面肌电信号。
4.如权利要求3所述的表面肌电图同步音频信号采集方法，其特征在于：
在所述步骤（1）中，每次采集斜方肌上缘、胸锁乳突肌、舌骨上肌群、舌骨下肌群、环甲肌处中的一处或多处的表面肌电信号，通过多次完成所有位置的表面肌电信号的采集。
5.如权利要求1所述的表面肌电图同步音频信号采集方法，其特征在于：
在所述步骤（1）中，受试者的活动包括耸肩、转头、低头、抬头、伸舌、清嗓、咳嗽、吞咽中的一种或多种。
6.如权利要求1所述的表面肌电图同步音频信号采集方法，其特征在于：
在所述步骤（1）中，受试者的发音包括发单音的不同状态：低音、高音、小声或大声。
7.一种表面肌电图同步音频信号采集设备，用于实现权利要求1至6任一项所述的表面肌电图同步音频信号采集方法，其特征在于：
包括肌电生理仪及与所述肌电生理仪连接的多个表面电极和音频采集元件；
多个所述表面电极分别用于采集斜方肌、胸锁乳突肌、舌骨上肌群、舌骨下肌群、环甲肌处的表面肌电信号；
所述音频采集元件用于采集受试者的语音信号；
所述肌电生理仪用于对所述表面电极采集的表面肌电信号和所述音频采集元件采集的语音信号进行存储、综合分析及输出。
8.如权利要求7所述的表面肌电图同步音频信号采集设备，其特征在于：
多个所述表面电极和所述音频采集元件用于同步采集所述受试者在静息、活动、发音、短句及阅读时的表面肌电信号和语音信号。
9.如权利要求7所述的表面肌电图同步音频信号采集设备，其特征在于：
所述肌电生理仪用于根据所述表面电极和所述音频采集元件同步采集的表面肌电信号和语音信号，对肌肉募集大小波幅值、双侧对称性、稳定性、发音前后募集情况进行分析。
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