软硬不同材料下咀嚼肌的肌电信号特征研究

沈 慧，尉振刚，郭佳莹，张腾宇,，赵文汝

1 北京航空航天大学生物与医学工程学院，北京市，100191

2 国家康复辅具研究中心生物力学与康复技术研究所，北京市，100176

3 国家康复辅具研究中心附属医院，北京市，100176

软硬不同材料下咀嚼肌的肌电信号特征研究

【作者】沈 慧1，尉振刚1，郭佳莹1，张腾宇1,2，赵文汝3

1 北京航空航天大学生物与医学工程学院，北京市，100191

2 国家康复辅具研究中心生物力学与康复技术研究所，北京市，100176

3 国家康复辅具研究中心附属医院，北京市，100176

目的 探讨右侧咀嚼软硬不同材料时咀嚼肌的活动情况，描述咀嚼肌肌电时域和频域特征。方法 选取11名符合实验标准的受试者，分别在正常咀嚼条件下右侧咀嚼软硬不同质地的2种材料，记录每组双侧颞肌前束、咬肌、二腹肌前腹的表面肌电，研究其5种特征。结果 在咀嚼软硬不同材料时，双侧颞肌前束和咬肌的全部肌电特征值均具有显著性差异(P＜0.05)，双侧二腹肌前腹除过零点率外均有显著差异；右侧咀嚼肌中位频率有下降趋势。结论 咀嚼硬物比咀嚼软物时颞肌前束、咬肌肌电活动更剧烈，参与咀嚼的肌肉更多；咀嚼硬物30次后右侧咀嚼肌有明显疲劳趋势。

咀嚼肌；表面肌电；特征提取

0 引言

咀嚼是咀嚼肌群依次收缩所产生的复杂的反射性活动。咀嚼运动不仅受口腔颌面结构、肌肉功能的影响，同时食物软硬的不同也会直接影响咀嚼肌功能的发挥[1]。咀嚼肌在咀嚼运动中会产生较为强烈的肌电信号。咀嚼肌肌电特征的研究对于临床口腔疾病诊断和颌面肌功能评价具有重要意义[2-3]。

国内在三十多年前就开始利用肌电信号特征对咀嚼时咀嚼肌功能进行研究[4]。吴梦虹等[5]着重研究了不同咬合材料对咀嚼肌表面肌电幅值的影响；Cakir等[6]记录咀嚼过程中咀嚼肌肌电幅值，发现硬度与咬肌活动量高度相关；Mioche 等[7]研究发现咀嚼不同食品时平均肌肉活动量与咬合最大应力的指数关系。王建超等[8]在研究咀嚼肌功能时分析了咬肌、颞肌、二腹肌等多块肌肉的肌电幅值的差异。

实际上参与咀嚼动作的肌肉较多[9-10]，表面肌电信号也比较复杂，软硬不同材料下咀嚼肌的活动情况不同，肌电信号所包含的信息特征也存在差异。已有的研究工作所涉及的肌肉种类较少，并且局限于少量时域特征的分析。为弥补上述研究的不足，本实验通过采集咀嚼软硬不同材料时，与咀嚼动作密切相关的双侧颞肌前束、咬肌与二腹肌前腹[11]的表面肌电信号，提取了肌电信号的积分肌电值、均方根、威尔逊幅值、过零点率和中位频率等时域与频域特征[12]，并对所提取的特征进行了分析，试图更全面地阐明咀嚼软硬不同材料过程中肌电信号的特点。

1 特征选取

本研究主要从肌力、能量、疲劳等角度进行特征值的选取。积分肌电值(Integral electromyography, iEMG)和均方根(Root Mean Square, RMS)能够直观地反应肌肉活动量的大小，反映肌肉在持续动作时间内的收缩特性[13]；威尔逊幅值(WAMP)是一种计算肌电幅值变化的参数，能反应肌电信号幅值变化的情况；过零点率(ZCR)主要反映肌电信号源于中枢神经发送的电脉冲的频率信息；中位频率(CF)是反映肌电信号的频率特征，由频率的变化反映随着收缩时间的延长肌肉疲劳的程度。

各参数计算公式如下：

上面的计算公式中，xi(i=0, 1, 2,…, N-1)是表面肌电信号的时间序列，N表示采样点数，xi表示第i个采样点的表面肌电信号幅值，s(f)表示肌电信号的功率谱函数。

2 对象与方法

2.1 实验对象

本实验共选择11名受试者(男5例，女6例，年龄24.35±1.19)。所有受试者经牙医诊断均满足口腔健康测试要求。

选取受试者的双侧颞肌前束、咬肌、二腹肌前腹为测量部位，肌肉解剖结构如图1所示，实验中受试者表面电极贴放如图2所示。

图1 人体面部咀嚼肌群肌肉结构Fig.1 The structure of human facial muscles

图2 实验受试者实验时正视图Fig.2 The positive view of the subject

2.2 实验系统

实验系统结构如图3所示。其中表面肌电电极使用SX230-1000，信号放大与模数转换由英国Biometrics Ltd公司的DataLOG MWX8动态数据采集仪完成，放大倍数为500倍，采样频率为1 000 Hz，A/D转换为14 bit。本实验选用果冻作为软材料，豌豆作为硬材料。

图3 实验数据采集系统框图Fig.3 The block diagram of the experimental data acquisition system

2.3 实验过程

本实验在20oC安静的测试环境中进行，测试时受试者保持端坐姿态，通过触摸判断6块肌肉位置，使电极贴于肌腹，根据个体差异适当调整，接地电极放于手腕处。将测试样品分别放置于上、下磨牙之间，采用右单侧咀嚼方式进行正常咀嚼。所有受试者首先依次咀嚼软物样本，待11人均完成软物测量充分休息后，再开始依次咀嚼硬物样本。测试期间补充一到两次材料，每名受试者单次咀嚼达30次。

2.4 特征提取统计分析

肌电信号的预处理、动作分割、特征提取在Matlab中进行，计算每名受试者一个动作模式下30次咀嚼的特征值，用SPSS软件对受试者以上各参数进行组内差异性检验和组间多元方差分析（n=66），结果以 x±s 表示。

3 实验结果与分析

3.1 咀嚼软物下肌电特征分析

对右侧咀嚼软物测得的实验数据做上述处理，得到各特征值结果（x±s）如表1所示。

在咀嚼软物时，右侧咬肌的iEMG和RMS均为特征值中的最大值，右侧颞肌前束的数值次之。特征WAMP下，右侧咬肌与右侧颞肌均值较高，左侧颞肌前束、左侧咬肌、左侧二腹肌前腹和右侧二腹肌前腹依次递减。特征ZCR和CF下，数值较大的前三块肌肉分别为右侧颞肌前束、左侧咬肌和右侧咬肌。

3.2 咀嚼硬物下肌电特征分析

对右侧咀嚼硬物测得的实验数据做同样处理，得到咀嚼硬物下肌电特征值结果（x±s）如表2所示。

在咀嚼硬物时，右侧咬肌的iEMG是最小值右侧二腹肌前束的12倍。特征RMS下，右侧咬肌高达2.588±1.556 mV，其次是右侧颞肌前束。WAMP下双侧颞肌前束和咬肌数值均超过500。ZCR下，左侧咬肌高于右侧咬肌。CF下，右侧颞肌前束与右侧咬肌值数值接近。

3.3 软硬材料下特征值差异性分析

运用以上特征值结果做单因素方差分析，以测量位置为变量，进行多变量检验及主体效应间检验，表3描述了各特征值的差异显著性。除双侧二腹肌前腹的ZCR不具有显著性差异（P ＞0.05）外，其他特征值的比较均存在显著性差异，特别是iEMG、RMS反映肌力能量的特征值差异性显著（P ＜0.01）。

表1 咀嚼软物下各特征值结果（x±s）Tab.1 Results of the characteristic value of the chewing soft（x±s）

表3 咀嚼软硬材料下特征值的Sig.结果Tab.3 Sig. results of the characteristic value of the soft and hard material

3.4 软硬材料下肌肉疲劳程度分析

提取每名受试者咀嚼不同材料时30次动作的CF值，绘出6块肌肉对比散点图，研究分析其线性趋势。11人中除4人外，均呈现较一致的结果：左侧咀嚼肌咀嚼软、硬物时CF值没有明显变化趋势，右侧肌肉在咀嚼硬物时CF值有明显下降趋势。图4～图6是1位受试者右侧咀嚼肌的CF变化趋势结果。

图4 右侧颞肌前束咀嚼软硬材料时CF值及其变化趋势对比图Fig.4 CF value and the change tendency of the right bilateral temporalis anterior bundle muscle

4 讨论

实验测量了6块咀嚼肌在咀嚼软硬不同材料下的表面肌电，提取了时域和频域的5种特征参数并进行了统计分析。结果显示，在咀嚼软硬不同材料时，双侧颞肌前束和咬肌的全部肌电特征值均具有显著性差异，双侧二腹肌前腹除ZCR外，其余4种特征具有显著差异。

时域方面，咀嚼软物时，右侧咬肌和右侧颞肌前束在反映肌力、能量的特征值iEMG、RMS、WAMP中数值均最大，说明两块肌肉在右侧咀嚼软物时起主要作用；对比咀嚼硬物时，这两块肌肉的3项特征数值增大一倍以上，这说明在右侧咀嚼硬物时，右侧咀嚼肌消耗能量更大。这与周丽娟等人研究的肌电活动强度随咬合力增高而增强相一致[14]，且左侧咀嚼肌也发挥主要咀嚼作用。频域方面，尽管表面肌电特征提取的研究中认为肌电信号的频域信息相对稳定[15]，但观察CF的变化可以反映肌肉疲劳程度。本实验采用右单侧咀嚼，右侧参与咀嚼的三块肌肉在咀嚼硬物30次后均有疲劳趋势。二腹肌前腹各项特征值数据均偏小，咀嚼硬物时略高于软物水平，这说明二腹肌前腹在咀嚼中起一定辅助作用但非主导。

本实验分析了软硬不同材料下咀嚼肌肌电特征的特异性，认为特征值的差异性受到采集部位和咀嚼材料软硬质地的双重影响；咀嚼硬物产生的肌电活动更为剧烈，参与咀嚼运动的肌肉块数更多；咀嚼硬物时右侧咀嚼肌有疲劳趋势。但由于咀嚼材料硬度等级设定较少，样本容量较小，未考虑受试者偏侧咀嚼习惯等，实验仍存在不足。后续将完善材料软硬梯度的设计，规范受试者采集动作标准，扩大样本容量，增加表面肌电特征种类，尝试建立多参数多通道的咀嚼肌肌电特征评价体系，深入研究不同硬度材料对咀嚼肌肌电活动的影响。

图5 右侧咬肌咀嚼软硬材料时CF值及其变化趋势对比图Fig.5 CF value and the change tendency of the right masseter muscle

图6 右侧二腹肌前腹咀嚼软硬材料时CF值及其变化趋势对比图Fig.6 CF value and the change tendency of the right two bilateral anterior abdominal muscles

[1] 陈莉, 孙永海, 刘晶晶, 等. 基于肌电信号的仿齿压头对食品质地的影响[J]. 农业机械学报, 2014, 45(8): 248-253.

[2] 杨超, 王云, 王邦安, 等. 正常牙合成人咀嚼肌表面肌电图的参数分析[J]. 皖南医学院学报, 2011, 30(5):345-350.

[3] 余洪俊, 刘宏亮, 陈蕾. 表面肌电图的发展与应用[J]. 中国临床康复, 2002, 6(5): 720-721.

[4] 杨俊业, 杨世若. 正常牙合咀嚼时咀嚼肌的肌电活动[J]. 四川医学院学报, 1983, 14(4): 357-362.

[5] 吴梦虹, 王建华, 阎英, 等. 咬合检测材料对咀嚼肌表面肌电的影响[J]. 中华口腔医学研究杂志(电子版), 2013,7(5): 372-376.

[6] Cakir E,Vinyard CJ,Essick G,et al. Interrelations among physical characteristics, sensory perception and oral processing of proteinbased soft-solid structures[J]. Food Hydrocolloids, 2012, 29(1): 234-245.

[7] Foster KD, Woda A, Peyron MA. Effect of texture of plastic and elastic model foods on the parameters of mastication[J]. J Neurophy, 2006, 95(6): 3469-3479.

[8] 王建超, 梁锐英, 吴文慧. 咀嚼肌肌电图在口腔研究领域的应用[J]. 当代医学, 2010, 16(3): 21-22.

[9] Rues S, Schindler HJ, Türp JC, et al. Motor behavior of the jaw muscles during different clenching levels[J]. Eur J Oral Sci, 2008. 116(3): 223-228.

[10] Hattoriy, Shimizu Y, Satoh C. Masticatory motion is controlled in humans by a limited set of muscle synergies[J]. Tohoku J Exp Med, 2010, 220(3): 217-222.

[11] 朱大年, 郑黎明.人体解剖生理学[M].上海: 复旦大学出版社, 2007, 72-73.

[12] 杜洪亮, 李欣, 李珊, 等. 咀嚼肌多通道表面肌电信号数据采集和分析系统的研制与临床初步应用[J]. 生物医学工程学杂志, 2014, 31(1): 23-28.

[13] Onishi H,Yagi R,Akasaka K,et al. Relationship between EMG signals and force in human vastus lateralis muscle using multiple bipolar wire electrodes[J]. J Electromy Kinesiol, 2000, 10(1): 59-67.

[14] 周丽娟, 李宝勇, 王美青. 视觉反馈诱导下升颌肌不同水平主动收缩的表面肌电研究[J]. 口腔医学研究, 2015, (11): 1093-1099.

[15] 姚路. 肌电假肢的表面肌电信号特征提取与识别[D]. 沈阳: 沈阳大学, 2013.

Study on the Characteristics of EMG Signal of the Masticatory Muscles in Different Materials

【Writers】SHEN Hui1, YU Zhengang1, GUO Jiaying1, ZHANG Tengyu1,2, ZHAO Wenru3
1 School of Biological Science and Medical Engineering, Beihang University, Beijing, 100191
2 Study of Biomechanics and Rehabilitation Technology of National Rehabilitation Auxiliary Equipment Research Center, Beijing, 100176
3 Aff liated Hospital of National Rehabilitation Auxiliary Equipment Research Center, Beijing, 100176

Objective To investigate the activities of different soft and hard materials during right chewing masticatory muscles, describing the masticatory muscles of time domain and frequency domain features. Methods 11 experimental subjects who conform to the standards of measurement chew two materials of different soft and hard texture. Then record surface EMG of each bilateral temporalis anterior bundle, masseter, two bilateral anterior abdominal muscles, analysis to 5 kinds of characteristics of the study of EMG. Results When subjects chewing different soft and hard materials, all the EMG features in the bilateral anterior temporalis and masseter values had signif cant difference (P ＜ 0.05). The results in bilateral digastric anterior abdominal except zero crossing rate have signif cant difference; median frequency on the right side of the masticatory muscle has decreased trend. Conclusion The anterior temporalis and masseter EMG active more intense when chewing hard objects; the right side of the masticatory muscles have obvious fatigue trend after chewing hard masticatory 30 cycles.

masticatory muscle, surface electromyography, feature extraction

R318

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2016.05.001

1671-7104(2016)05-0314-04

2016-04-06

国家科技支撑计划课题（2013BAI10B06）

沈慧，E-mail: maggieshenhui@126.com

赵文汝，E-mail: zhaowenru@hotmail.com