Tín hiệu emg là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu về tín hiệu EMG

Electromyography (EMG) là kỹ thuật ghi lại tín hiệu điện sinh ra từ hoạt động co cơ vân, phản ánh biến thiên điện thế dọc màng tế bào cơ (sarcolemma). Tín hiệu EMG hình thành khi đơn vị vận động (motor unit) – bao gồm một tế bào thần kinh vận động và tất cả sợi cơ mà nó chi phối – phát ra chuỗi điện thế hoạt động (action potentials) phân tán qua cơ.

EMG có thể thu được thông qua điện cực bề mặt hoặc điện cực kim/dây xuyên vào cơ, sau đó được khuếch đại với tỷ số CMRR cao và lấy mẫu ở tần số ≥1 kHz. Dữ liệu thu thập cho phép phân tích cả miền thời gian và miền tần số để đánh giá cường độ, tần số xung lực, cũng như mô hình tuyển chọn đơn vị vận động.

Ứng dụng của EMG rộng khắp trong y sinh và kỹ thuật:

• Chẩn đoán rối loạn thần kinh–cơ (như nhược cơ, loạn vận cơ)
• Nghiên cứu sinh cơ học và sinh cơ vận động
• Điều khiển thiết bị hỗ trợ: tay giả, robot phục hồi chức năng
• Theo dõi tiến triển điều trị trong phục hồi chức năng

Sinh lý học cơ bản

Cơ vân được tạo thành từ hàng nghìn sợi cơ xếp song song, mỗi sợi chứa nhiều sarcomere – đơn vị co cơ cơ bản. Đơn vị vận động (motor unit) bao gồm một sợi trục thần kinh vận động phân nhánh tới nhiều sợi cơ, đảm bảo sự phối hợp co bóp đồng bộ.

Action potential khởi phát tại điểm kết motor endplate, lan truyền dọc theo sarcolemma và xuống các ống T (T-tubules), kích hoạt hệ lưới nội bào cơ (sarcoplasmic reticulum) giải phóng Ca²⁺ vào tế bào chất. Sự xuất hiện Ca²⁺ khởi động quá trình trượt sợi actin–myosin, dẫn đến co cơ và phát sinh lực.

Các ion đóng vai trò chủ đạo trong quá trình truyền dẫn điện:

• Khử cực (Na⁺ vào tế bào)
• Tái cực (K⁺ ra ngoài tế bào)
• Điều hòa co cơ (Ca²⁺ gắn troponin)

Ion	Nội bào	Ngoại bào
Na⁺	≈12 mM	≈140 mM
K⁺	≈150 mM	≈4 mM
Ca²⁺	≈0.0001 mM	≈1.2 mM

Cơ chế tạo tín hiệu EMG

Mỗi action potential của đơn vị vận động (MUAP) có dạng sóng điển hình gồm giai đoạn khởi phát, đỉnh âm – dương xen kẽ và pha tắt. Biên độ MUAP thay đổi tùy vào kích thước đơn vị vận động và khoảng cách tới điện cực ghi.

Tín hiệu EMG quan sát được là tổng hợp MUAP từ nhiều đơn vị vận động hoạt động đồng thời, tạo ra mô hình nhiễu giao thoa (interference pattern). Khi lực co cơ tăng, số đơn vị vận động tuyển chọn (recruitment) và tần số xung kích thích (rate coding) đều gia tăng, dẫn đến tăng biên độ và mật độ tín hiệu.

Hai cơ chế chính điều chỉnh biên độ EMG theo lực cơ:

• Recruitment: Tuyển chọn thêm đơn vị vận động gia tăng dòng điện tổng
• Rate coding: Tăng tần số xung thần kinh tạo MUAP nối tiếp nhanh hơn

Phân loại EMG

Surface EMG (sEMG) sử dụng điện cực gel dán trên da, thu tín hiệu không xâm lấn và phù hợp quan sát chung hoạt động nhóm cơ nông. sEMG dễ triển khai, ít gây khó chịu nhưng chịu ảnh hưởng nhiễu cơ bản và tín hiệu suy giảm sâu với cơ dày.

Intramuscular EMG gồm kỹ thuật kim hoặc điện cực dây (fine-wire), ghi nhận trực tiếp bên trong sợi cơ, cho độ phân giải cao ở đơn vị vận động riêng lẻ. Phương pháp này xâm lấn, thường gây đau nhẹ nhưng thích hợp nghiên cứu chi tiết MUAP và chẩn đoán rối loạn cơ sâu.

Loại EMG	Đặc điểm	Ưu điểm	Nhược điểm
sEMG	Điện cực bề mặt	Không xâm lấn; dễ lắp đặt	Nhiễu cao; tín hiệu giảm với cơ sâu
iEMG	Điện cực kim/dây	Độ phân giải cao; MUAP rõ ràng	Xâm lấn; nguy cơ đau, chảy máu

Kỹ thuật ghi nhận tín hiệu

Phép ghi EMG yêu cầu hệ thống điện cực và bộ khuếch đại chuyên dụng để thu tín hiệu từ mô cơ. Điện cực có thể là điện cực gel dán bề mặt (surface electrodes) hoặc kim/điện cực dây (needle/fine-wire electrodes) với đặc tính tiếp xúc và độ nhạy khác nhau. Điện cực bề mặt thuận tiện cho giám sát nhóm cơ lớn, trong khi điện cực xâm lấn cung cấp dữ liệu chi tiết về đơn vị vận động cá thể.

Bộ khuếch đại (amplifier) cần có tỷ số loại bỏ chung (CMRR) cao (>120 dB) để giảm thiểu nhiễu từ nguồn điện sinh hoạt và các nguồn tạp âm môi trường. Trở kháng đầu vào của bộ khuếch đại thường >1 MΩ, đồng thời trang bị mạch lọc sơ bộ (pre-filter) để giới hạn dải tần từ 10–500 Hz. Bộ chuyển đổi ADC 24-bit với tần số lấy mẫu ≥1 kHz đảm bảo ghi nhận đủ động và phổ tần của tín hiệu.

Thông số	Giá trị tiêu biểu
CMRR	>120 dB
Trở kháng đầu vào	>10⁶ Ω
Dải tần khuếch đại	10–500 Hz
Độ phân giải ADC	24 bit
Tần số lấy mẫu	≥1 kHz

Dữ liệu sau khi khuếch đại được số hóa và ghi vào bộ nhớ. Việc đồng bộ hóa EMG với các cảm biến khác (ví dụ gia tốc kế, khung lắp chuyển động) thường được thực hiện trong nghiên cứu sinh cơ học để phân tích tương quan giữa tín hiệu điện cơ và chuyển động cơ thể.

Xử lý tín hiệu và phân tích

Xử lý EMG trước khi phân tích bao gồm lọc băng tần (band-pass) thường từ 20–450 Hz để loại bỏ nhiễu thấp tần như baseline wander và nhiễu cao tần. Lọc notch (50/60 Hz) triệt tiêu nhiễu điện lưới. Các bộ lọc số (FIR, IIR) được lựa chọn dựa trên yêu cầu pha và độ dốc để duy trì tính toàn vẹn của tín hiệu.

Chỉnh lưu toàn phần (full-wave rectification) biến đổi dao động âm dương thành sóng dương, tạo điều kiện cho việc tính toán chỉ số biên độ. Envelope signal được xây dựng bằng cách tích phân qua cửa sổ (windowed integral) hoặc trung bình động (moving average), cho phép trích xuất đặc trưng cường độ co cơ theo thời gian.

Phân tích miền tần số dùng biến đổi Fourier nhanh (FFT) để xác định các thành phần tần số chính. Phân tích thời–tần (time–frequency) như wavelet transform hoặc short-time Fourier transform (STFT) giúp quan sát sự thay đổi phổ khi cơ co và mỏi. Các thông số như peak frequency, bandwidth và spectral entropy thường được tính để đánh giá đặc tính mỏi cơ và sức bền.

• Lọc băng tần: 20–450 Hz
• Lọc notch: 50/60 Hz
• Chỉnh lưu toàn phần (full-wave)
• Envelope: windowed integral hoặc moving average
• FFT, STFT, wavelet transform

Các chỉ số đặc trưng

Chỉ số RMS (Root Mean Square) và MAV (Mean Absolute Value) thường được dùng để đánh giá biên độ trung bình của tín hiệu EMG:

• $\mathrm{RMS} = \sqrt{\frac{1}{N}\sum_{i=1}^{N}x_i^2}$
• $\mathrm{MAV} = \frac{1}{N}\sum_{i=1}^{N}|x_i|$

Median Frequency (MF) phân chia phổ năng lượng thành hai phần bằng nhau, phản ánh mức độ mỏi cơ và thay đổi thành phần tần số. Các chỉ số thời gian khác như Zero Crossing (số lần tín hiệu đổi dấu), Slope Sign Changes (thay đổi độ dốc) và Waveform Length (độ dài sóng) cung cấp thông tin về cấu trúc tín hiệu và độ phân giải động lực học của co cơ.

Kết hợp nhiều chỉ số giúp đánh giá toàn diện tình trạng hoạt động và mỏi cơ, hỗ trợ nghiên cứu sinh lý lâm sàng và tối ưu hóa chương trình tập luyện thể thao.

Ứng dụng của tín hiệu EMG

Trong lâm sàng, EMG hỗ trợ phát hiện và phân loại rối loạn thần kinh–cơ như nhược cơ, viêm đa rễ thần kinh, hội chứng ống cổ tay và các bệnh thần kinh ngoại biên. Thông qua phân tích MUAP, bác sĩ có thể xác định mức độ tổn thương, phân biệt suy dây thần kinh từ cơ và định hướng điều trị.

Trong kỹ thuật phục hồi chức năng và robot, tín hiệu EMG dùng để điều khiển tay giả, chân giả và thiết bị trợ giúp vận động. Hệ thống nhận dạng mẫu (pattern recognition) trên dữ liệu EMG cho phép nhận biết ý định vận động, cải thiện tương tác giữa người dùng và thiết bị hỗ trợ.

• Chẩn đoán rối loạn thần kinh–cơ
• Điều khiển thiết bị giả và robot phục hồi
• Biofeedback trong phục hồi chức năng và thể thao
• Nghiên cứu sinh cơ học và tối ưu hóa vận động

Nhiễu và xử lý nhiễu

Nhiễu chính trong EMG bao gồm nhiễu điện lưới (50/60 Hz), nhiễu do chuyển động điện cực (motion artefact), nhiễu cơ bản (baseline noise) và cross-talk giữa cơ kế cận. Nhiễu do mồ hôi và biến động tiếp xúc điện cực cũng làm tín hiệu méo.

Lọc notch 50/60 Hz loại bỏ nhiễu lưới, trong khi lọc adaptive thích ứng giảm artefact chuyển động. Phân tích độc lập thành phần (ICA) và thuật toán tách nguồn (source separation) giúp tách tín hiệu EMG gốc khỏi những nguồn nhiễu đồng thời.

• Lọc notch 50/60 Hz
• Lọc adaptive cho artefact
• Phân tích độc lập thành phần (ICA)
• Quản lý cross-talk qua thiết kế điện cực

Chuẩn và vị trí đặt điện cực

Tiêu chuẩn SENIAM (Surface EMG for Non-invasive Assessment of Muscles) cung cấp hướng dẫn đặt điện cực cho 13 nhóm cơ chính, quy định vị trí, hướng song song sợi cơ và khoảng cách giữa hai điện cực hoạt động. Thiết lập điện cực đúng giúp tăng độ tin cậy và khả năng lặp lại kết quả.

Chuẩn bị da trước khi đặt điện cực bao gồm cạo lông, làm sạch bằng cồn isopropyl và làm khô. Khoảng cách tối ưu giữa hai điện cực hoạt động thường khoảng 20 mm, điện cực tham chiếu đặt cách vị trí ghi 2–3 cm, tránh đặt trên gân hay mạch máu.

• Khoảng cách điện cực hoạt động: ~20 mm
• Điện cực tham chiếu: 2–3 cm
• Hướng đặt song song với sợi cơ
• Chuẩn bị da: cạo lông, lau cồn

Tài liệu tham khảo

• Clarke JA, et al. Electromyography. In: NCBI Bookshelf. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK27940/
• De Luca CJ. EMG sensors and systems. IEEE Eng Med Biol Mag. 2003;22(5):42–58. https://ieeexplore.ieee.org/document/618151
• Hermens HJ, et al. Development of recommendations for SEMG sensors and sensor placement procedures. J Electromyogr Kinesiol. 2000;10(5):361–374. doi.org/10.1016/S1050-6411(00)00027-4
• PhysioNet. EMG Database. https://physionet.org/content/emgdb/1.0.0/
• SENIAM. Surface EMG for Non-invasive Assessment of Muscles. https://www.seniam.org/
• ScienceDirect. Electromyography Topics. https://www.sciencedirect.com/topics/neuroscience/electromyography