基于表面肌电信号的小儿步态稳定性研究

闫成起，周 军，赵利华*，陈梦婕

（1.上海交通大学电子信息与电气工程学院电子系，上海 200240；2.上海交通大学医学院附属儿童医院，上海 200062）

步态稳定性是衡量下肢健康状态的重要指标，通常用于评价髋关节脱位儿童的下肢稳定性和术后恢复状态。据统计目前我国髋关节脱位儿童占儿童总量的0.91～3.9%，目前用于诊断的主要方式是X光和步态运动学参数，但是随着科技的发展表面肌电信号在步态领域有了长足的发展[1]。我们为了能够将表面肌电信号更好的用于步态分析和病情诊断，探究下肢肌肉的表面肌电特征在定量描述下肢稳定性的效果，笔者对20例能够独立行走的的儿童临床资料进行了以下研究。

1 资料与方法

1.1 一般资料

从2019年5月～2019年9月上海市儿童医院采集的儿童下肢表面肌电信号中选取20例作为研究对象,20例儿童能够独立行走，并且符合自愿原则。根据研究目的的需要将20例儿童分为下肢显著差异组和稳定组（10例/组）。本文数据通过British Vicon Gait Analysis System设备采集，采样频率为1500Hz,在采集过程中对电极贴片通过必要的消毒等处理，然后分别贴于两腿的胫骨前肌和腓肠肌处，然后在医生的指导下在步态分析室内进行正常行走，通过多次采集数据后选取相对较好的肌电数据用于分析。在步态中胫骨前肌主要在摆动相发挥作用，而腓肠肌表面肌电信号在摆动相达到峰值，两块肌肉对步态的稳定都有着至关重要的作用。

1.2 方法

首先对所有的表面肌电信号数据做降噪处理，提高信号的信息量同时减少噪声的干扰，在此基础上，分别对每条肌电信号提取均方值，过零率，中值频率，平均频率，样本熵和分形维数特征[2-4]，分别计算不同特征在胫骨前肌和腓肠肌两块肌肉下的对称性指标[5]。

1.3 评价指标

比较两组对应肌电特征的对称指标。

1.4 统计学方法

对本研究中的数据使用Matlab软件进行统计分析。计算各组样本的均值和方差，采用t检验法分析两组数据的差异，当P＜0.05认为具有统计学意义。

2 结 果

两组样本的肌电特征在胫骨前肌中的统计结果如表1所示，可以看出过零率，中值频率和平均频率三个特征在胫骨前肌中有显著差异，差异有统计学意义（P＜0.05），同时对于同一个特征下肢稳定组的对称指标要明显小于显著组，符合平稳步态的特点。因为不同特征计算方式的不同，所以特征之间具体的对称指标没有对比意义。均方值特征描述肌肉能量的大小，但是因为不同儿童体质的不同，使表面肌电信号幅度从在较大差异，在显著组和平稳组中不存在显著性差异，差异无统计学意义（P＞0.05）。

表1 不同特征在胫骨前肌中的对称指标（）

表1 不同特征在胫骨前肌中的对称指标（）

均方值 过零率 中值频率 平均频率 样本熵 分形维数显著组 0.61±0.39 0.30±0.21 0.65±0.35 0.38±0.25 0.36±0.14 0.067±0.049平稳组 0.54±0.30 0.11±0.06 0.35±0.36 0.16±0.17 0.43±0.33 0.058±0.057 P＞0.05 ＜0.01 ＜0.05 ＜0.05 ＞0.05 ＞0.05

两组样本的肌电特征在腓肠肌中的对称指标统计如表2所示，6个肌电特征中只有均方值在两组样本中不存在显著差异，其余特征均存在显著性差异，差异有统计学意义（P＜0.05），其中过零率，中值频率和平均频率特征在两组样本中的差异较为明显，差异有统计学意义（P＜0.05），同时平稳组因为左右下肢差异性较小，所以对应的对称指标小于显著组，符合实验的先验知识。

表2 不同特征在腓肠肌中的对称指标（）

表2 不同特征在腓肠肌中的对称指标（）

均方值 过零率 中值频率 平均频率 样本熵 分形维数显著组 0.40±0.47 0.52±0.21 0.74±0.40 0.61±0.28 0.46±0.20 0.054±0.037平稳组 0.65±0.25 0.26±0.22 0.26±0.36 0.25±0.28 0.20±0.19 0.034±0.028 P＞0.05 ＜0.01 ＜0.01 ＜0.01 ＜0.05 ＜0.05

综合分析胫骨前肌和腓肠肌的肌电特征，表明过零率，中值频率和平均频率能够很好的描述左右下肢的对称性，其中过零率在两块下肢中表现都较为明显，差异有统计学意义（P＜0.05），我们可以通过该指标来定量分析下肢的对称性。

3 讨 论

下肢稳定性分析是步态分析中常见的评价指标。下肢不稳定主要由神经系统异常，关节脱位，以及走路方式不同等因素引起，因此能够反映出身体的健康状态，同时可以帮助修改锻炼的方式[6]。目前，步态分析常用的方法为三维步态分析系统和压力测试系统，表面肌电信号在该领域有了明显的进步，但是还不能很好的定量分析步态特性，我们通过对儿童下肢的胫骨前肌和腓肠肌的表面肌电特征做对称分析，辅助其他方法对儿童的走路方式和身体健康得到定量的描述。实验结果表明，过零率，中值频率和平均频率特征能够很好的描述下肢间的对称性，差异有统计学意义（P＜0.05），腓肠肌中的大部分特征在两组样本中都存在较大差异，表明腓肠肌在步态稳定性中起到很重要作用。