无线表面肌电图记录面部表情期间的面部肌肉活动

摘要

来源：
Hila Man¹, Paul F. Funk², Ieva Vebraite-Adereth³, Christoph Anders⁴, Orlando Guntinas-Lichius², Yael Hanein<sup>1,3,5

1</sup>特拉维夫大学萨戈尔神经科学学院，²耶拿大学医院耳鼻喉科，耶拿弗里德里希·席勒大学，³特拉维夫大学电气工程学院，⁴耶拿大学医院创伤、手外科与重建外科部，运动研究、病理生理学与生物力学科，耶拿弗里德里希·席勒大学，⁵X-trodes有限公司

本视频演示了在受试者根据视频引导完成面部表情时，使用无线表面肌电图（sEMG）无创记录面部肌肉活动的操作流程。

方案

所有涉及人类参与者的操作均按照机构、国家和国际关于人类福祉的指南进行，并已通过当地机构审查委员会的审核。

1. 仪器设备与软件的准备

1. 为数据采集单元（DAU）充电：实验前请将无线 DAU 完全充满电。
2. 准备安全数字（SD）卡：将一张已格式化的 v30 型 SD 卡插入 DAU 内，并打开电源。
3. 尽量减少干扰：将所有手机设为静音模式，并关闭蓝牙，以避免信号干扰。
4. 平板设备设置
   1. 在安卓平板电脑上安装并打开电极应用程序（参见材料表）。
   2. 应用程序将扫描可用设备。通过设备编号选择 DAU，然后点击“确认”以配对平板与 DAU。
   3. 选择电极蒙太奇布局，然后点击“确认”。
   4. 选择要在屏幕上显示的通道（1–16），然后点击“确认”。屏幕上将显示所选通道的信号，表明实验已准备就绪。
      注意：默认情况下，所有 16 个通道均被选中。
5. 使用数据线将平板连接至计算机。将安卓平板的通用串行总线（USB）设置从“传输文件”更改为“USB 网络共享”。
6. 安装 PsychoPy：在计算机上下载并安装 PsychoPy 程序（版本 v2023.1.3）。
7. 下载实验协议文件：访问 GitHub 代码库 https://github.com/NeuroEngLabTAU/facial_expressions_experiment，点击 <> code 按钮，然后点击“Download ZIP”下载全部文件。该文件夹包含实验文件 facial_expressions.psyexp；一个名为 schaede-cut-tlv 的子文件夹，内含运行实验所需视频；以及其他由 PsychoPy 自动调用的文件。将文件夹解压至计算机上的指定位置。

2. 受试者准备

1. 电极面罩应用
   1. 面部准备：指导受试者在使用面霜或化妆品后清洁面部。可使用预处理凝胶、无纤维酒精布或肥皂水进行清洁。皮肤清洁后至少静置干燥1分钟。
      注意：此步骤为可选。
   2. 电极放置：
      1. 按照贴纸上的顺序（1-6），小心地从电极阵列面罩的皮肤接触面剥离保护膜。
      2. 将标有眼睛符号的11号电极置于受试者右眼附近，将标有鼻子符号的8号电极置于鼻部。
      3. 将1至15号电极贴于面部右侧，16号电极贴于左侧前额。参考电极置于右侧乳突。电极相对于肌肉的位置请参见图1A。
   3. 固定：轻压面罩使其贴合皮肤，然后逐一小心地剥离外层透明支撑膜，以完全固定面罩。操作过程中注意避免面罩脱落。
   4. 连接数据采集单元（DAU）：将电极阵列连接卡插入DAU的连接插座，然后将DAU固定在胶带上。
2. 摄影记录：
   1. 从多个角度（90°、45°、0°）拍摄至少3张受试者照片，以记录电极放置位置。
3. 安排受试者就座（见图1B）
   1. 座椅与距离：让受试者坐在直立座椅上，与显示面部训练指令的计算机屏幕保持固定距离（例如70 cm）。
   2. 舒适性检查：确保受试者坐姿舒适，并能清晰看到屏幕内容。

3. 信号验证

1. 检查肌电（EMG）信号质量：确认平板电脑应用程序能够检测到全部16个肌电电极信号。
2. 必要时进行故障排查：
   1. 轻轻按压每个电极，使其紧贴受试者皮肤，并确保无气泡残留。
   2. 给予足够时间使信号稳定。
   3. 远离可能造成干扰的电子设备。
   4. 若问题持续存在，可考虑重新安装数据采集单元（DAU）或更换测试房间。
   5. 作为最后手段，更换电极贴片。

4. 运行实验

1. 开始肌电图记录：在安卓平板电脑上打开电极应用程序，然后点击“开始会话”。
2. 填写会话信息。
   1. 将弹出一个填写会话信息的窗口。请输入研究名称、会话名称、地点、操作员、患者编号、年龄、性别和备注。
      1. 点击“开始记录”以启动肌电数据采集。从此时起，肌电数据将被记录。原始数据将以 4 kS/s 的采样率保存至 SD 卡。
3. 校准（可选）：应用程序将启动校准流程，参与者在点击“开始”后需执行指定的基本任务（例如闭眼、咀嚼）。如有需要，可重新校准。校准完成后，点击“确定”。如需跳过此步骤，请点击“下一步”。
4. 打开实验文件。
   1. 在计算机上，双击下载的实验文件 facial_expressions.psyexp，以在 PsychoPy 中打开。
   2. 点击“运行实验”以启动实验。
   3. 当系统提示时，输入会话信息（参与者编号、会话编号、平板电脑名称），然后点击“确定”。
      注意：平板电脑名称是可在安卓平板电脑的“设置”→“关于平板电脑”中找到的序列号。
5. 实验进行中
   1. 让参与者根据视频指导完成 11 种面部表情（图 2）。第一个表情（静息状态）之后，每个表情需连续重复三次。每次要求参与者保持表情 5 秒，随后休息 3 秒。
   2. 如有必要，观察并指导参与者，以确保其动作准确并与指令同步。
6. 结束实验。
   1. 完成后，PsychoPy 将自动停止实验。在平板电脑上点击“结束记录”以停止肌电数据采集，并点击“是，停止”进行确认。系统将弹出窗口提示会话已完成，点击“确定”即可。
   2. 点击“同步”按钮，将会话数据同步至系统的云端。同步完成后，退出应用程序。

5. 实验后数据处理与分析

1. 从 Psychopy 中收集数据。
   注意：会话完成后，Psychopy 会自动将一个 CSV 文件保存到数据子文件夹中。文件名包含会话的详细信息。CSV 文件包含视频名称、时间戳、受试者识别编号、会话编号以及安卓平板编号。
2. 转换肌电图（EMG）数据。
   1. 登录电极系统的云服务平台，并选择相应的会话信息。
   2. 从 SD 卡上传 EMG 数据。
   3. 通过点击“生成 EDF 文件”按钮，将包含 EMG 数据的上传 XF2 文件转换为 EDF（欧洲数据格式）文件格式。下载选定的文件以进行离线分析。
3. 进行基本的 EMG 数据分析。注意：EDF 文件包含来自 16 个通道的原始 EMG 数据（EMG CH-1 至 CH-16）、来自 3 个通道的陀螺仪数据（GYRO-X、Y、Z）以及来自 3 个通道的加速度计数据（ACC-X、Y、Z）。Psychopy 生成的、标注特定面部表情时间点的注释信息会自动保存在文件中。在进一步分析中，仅使用了来自 16 个通道的原始 EMG 数据和注释信息。
   1. 使用 10–500 Hz 带通滤波器对原始 EMG 数据进行滤波。
   2. 应用 50 Hz 陷波滤波器以减少噪声。
   3. 根据研究目的进行所需的分析。

结果

图1：实验装置示意图概述。 (A) 面部电极位置：面部共1-16通道，参考电极置于右侧乳突。 B) 受试者舒适地坐在计算机屏幕前。本图已获Funk等11许可转载。 C, D) 设置肌电图（EMG）记录程序，以验证肌电信号并进行校准。 E) 通过Psychopy软件执行实验。 F) 数据离线分析。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
酒精消毒片	MEDI PLUS	7290010993833	用于清洁面部电极放置区域。
安卓平板电脑	Samsung	Galaxy Tab S7	运行电极采集应用程序
DAU	X-trodes Ltd.	XTR-BT V1.3	无线数据采集单元
面部表情实验文件	无	无	https://github.com/NeuroEngLabTAU/facial_expressions_experiment
长款Type-C转Type-C数据线	无	无	连接平板电脑与个人计算机
Micro-SD卡	SanDisk	无	插入DAU以存储记录的数据
NuPrep皮肤准备凝胶	Weaver and companyhttps://www.weaverandcompany.com/products/nuprep/		用于清洁面部电极放置区域。可降低皮肤阻抗，同时最大程度减少皮肤刺激和受试者不适。
PC显示器	Phillips, Dell		用于查看实验说明
个人计算机（PC）	Antec	无	Windows 10及以上系统；处理器：Intel i7处理器；蓝牙接收器。
USB SD卡读卡器	SIYOTEAM	SY-368	将记录的肌电图数据从SD卡传输至个人计算机
XTR EXG16	X-trodes Ltd.	XTELC0004005RM	一次性16通道可穿戴式干电极阵列贴片，用于肌电图（EMG）和心电图（ECG）监测
X-trodes应用程序	X-trodes Ltd.	无	用于在安卓平板电脑上记录X-trodes电极数据的应用程序