兩種TMR手術系統性比較：哪種更適合肌電假肢控制？
兩種TMR手術大PK 哪種更適合肌電假肢控制？
背景介紹
全球有數百萬人因事故、疾病或工業(yè)傷害而失去肢體，肌電假肢成為他們恢復部分功能的重要選擇。然而，對于高位截肢者（如肘上或膝上截肢），殘肢缺乏足夠的肌電信號（EMG），導致假肢控制困難，甚至被棄用。靶向肌肉神經移植術（Targeted Muscle Reinnervation, TMR）通過將殘存神經移植到目標肌肉，重建神經-機器接口，為高位截肢者提供更多肌電信號源，提高解碼準確性，從而改善假肢的直觀控制能力和多功能性，降低了假肢棄用率。目前TMR手術有兩種主要方式，神經-肌肉縫合（Nerve-to-Muscle）：將殘存神經直接植入目標肌肉；神經-神經縫合（Nerve-to-Nerve）：將殘存神經與目標肌肉的原有神經吻合。盡管兩種方法在臨床中均有應用，但其效果差異尚不明確。
文章概要
近期，中國科學院深圳先進技術研究院的李光林和牛傳欣研究團隊通過動物實驗，對這兩種TMR手術的效果進行了系統性比較，研究成果發(fā)表在《IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering》上。
研究方法
研究團隊選取14只成年雄性SD大鼠，隨機分為兩組，分別接受神經-肌肉縫合和神經-神經縫合手術。對于神經-肌肉縫合組，研究人員將尺神經（UN）近端植入去神經支配的肱二頭肌（BBM）。而神經-神經縫合組，則將UN近端與支配BBM的肌皮神經（MCN）遠端吻合。
術后，兩組動物模型按計劃在跑步機上以 5 米 / 分鐘的速度行走，同時記錄肌電信號。肌電信號在術后每 7 天記錄一次，直至術后 28 天，共進行四次記錄。研究人員用EMG信號分析比較了兩組大鼠的EMG信號振幅、信噪比（SNR）和中心頻率（CF）。
術后3個月，所有大鼠均接受強直收縮力（TCF）和最大單次收縮力（MSCF）測試。這兩種測試都反映了肌肉收縮特性，該特性是能有效反映神經在靶肌肉上再生程度的功能指標。神經再生效果越好，支配能力越強，表現為靶肌肉在神經沖動下產生更大力量的能力，反之亦然。對于TCF測試，刺激頻率從 11 Hz 以 10 Hz 的步長增加至 51 Hz。
測試完成后，研究人員完全分離雙側肱二頭肌（包含經TMR處理的和對照的肱二頭肌）并去除其表面覆蓋的組織（以確保肌腱和肌肉保持完整），對每塊肱二頭肌進行稱重，并設計保存率（即經TMR處理的肱二頭肌質量/對照的肱二頭肌質量）來評估神經-神經和神經-肌肉模型的肌肉萎縮情況，進一步評估肌肉萎縮狀況。
完成以上記錄和稱重后，采集TMR靶肌肉用于組織學染色。采用Sihler神經染色技術來反映肌肉組織的整體神經分布模式映射。
研究結果以及解釋
研究人員對運動期間記錄的肌電信號做了多種分析。圖3E顯示了兩組TMR肌電信號的信噪比（SNR），結果表明術后14天起，神經-肌肉模型的SNR顯著低于神經-神經模型。比較兩組間TMR肱二頭肌的歸一化肌電信號（見圖3F）時發(fā)現，神經-神經模型的值顯著高于神經-肌肉模型。兩組TMR肌電信號的質心頻率（CF）也存在顯著差異。以對照的肌電信號的CF進行歸一化后的值如圖3G所示，兩組在術后第7、14、21和28天均存在顯著差異。
對靶向肌肉（此處為肱二頭肌）做收縮特性分析，結果如圖4，隨著刺激頻率的持續(xù)增加，兩組模型中靶向肌肉的強直收縮力均持續(xù)上升，并在 41 Hz刺激頻率時達到最大值（見圖4 A）。圖 4B 顯示了強直收縮力（TCF）的反應持續(xù)時間（RD），其定義為從刺激快速初始上升到完全 TCF 曲線平坦部分的時間。神經-肌肉肱二頭肌的 RD 顯著高于神經-神經肱二頭肌，表明神經-神經模型中靶向肌肉的神經激活一致性更好。此外，關于肱二頭肌的最大單次收縮力（MSCF），神經-神經縫合術也優(yōu)于神經-肌肉縫合術（圖 4C）。
圖5A展示了神經-肌肉模型和神經-神經模型中肱二頭肌（BBM）橫截面的染色結果。神經-神經縫合組的肌纖維橫截面積（見圖5B），和肱二頭肌的濕重（見圖5C）顯著多于神經-肌肉模型組。圖5D和F展示了對照組肱二頭肌中肌內神經分布的形態(tài)。在神經干進入肌肉之前，會發(fā)出多個小分支，進入肌肉后這些小分支會繼續(xù)發(fā)出逐漸變細的分支。圖5E和G分別展示了神經-肌肉組和神經-神經組的肱二頭肌的肌內神經分布，只有神經-神經組表現出與對照肱二頭肌中觀察到的多級分支相似的分布模式。
總結，不足和展望
本研究對比了神經-肌肉縫合與神經-神經縫合兩種靶向肌肉再神經支配（TMR）方法對肌電信號和肌肉功能的影響。結果表明，神經-神經縫合在肌電信號信噪比、質心頻率、肌肉收縮力及肌內神經分布等方面均優(yōu)于神經-肌肉縫合，且神經-神經組的肌肉濕重和肌纖維橫截面積更大，肌內神經分支模式更接近正常。然而，研究存在電極植入壽命短、僅收集1個月肌電信號、未涉及感覺神經再生研究等局限。未來需改進長期植入技術以延長信號采集時間，結合行為訓練探索運動意圖識別，并深入研究感覺神經再生機制，為優(yōu)化TMR臨床應用提供更全面的理論依據。
原文鏈接
J. Huang, X. Li, J. Wei, C. M. Niu and G. Li, "Performance of Two Different Targeted Muscle Reinnervation Approaches for Improving Myoelectric Prosthetic Control," in IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, vol. 33, pp. 1392-1399, 2025.
doi: 10.1109/TNSRE.2025.3558292
研究團隊介紹
Jianping Huang、Xiangxin Li、Jingjing Wei：均隸屬于中國科學院深圳先進技術研究院，同時任職于中國科學院大學。
Chuanxin M. Niu（牛傳欣）：上海交通大學醫(yī)學院附屬瑞金醫(yī)院康復醫(yī)學科。
Guanglin Li（李光林）：中國科學院深圳先進技術研究院研究員，同時任職于中國科學院大學、深圳人工智能與機器人研究院 SIAT 分院，以及山東中科先進技術有限公司。
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維拓啟創(chuàng)（北京）信息技術有限公司成立于2006年，是一家專注于腦科學、康復工程、人因工程、心理學、體育科學等領域的科研解決方案供應商。公司與國內外多所大學、研究機構、企業(yè)長期保持合作關系，致力于將優(yōu)質的產品、先進的技術和服務帶給各個領域的科研工作者，為用戶提供有競爭力的方案和服務，協助用戶的科研工作，持續(xù)提升使用體驗。
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背景介紹
全球有數百萬人因事故、疾病或工業(yè)傷害而失去肢體，肌電假肢成為他們恢復部分功能的重要選擇。然而，對于高位截肢者（如肘上或膝上截肢），殘肢缺乏足夠的肌電信號（EMG），導致假肢控制困難，甚至被棄用。靶向肌肉神經移植術（Targeted Muscle Reinnervation, TMR）通過將殘存神經移植到目標肌肉，重建神經-機器接口，為高位截肢者提供更多肌電信號源，提高解碼準確性，從而改善假肢的直觀控制能力和多功能性，降低了假肢棄用率。目前TMR手術有兩種主要方式，神經-肌肉縫合（Nerve-to-Muscle）：將殘存神經直接植入目標肌肉；神經-神經縫合（Nerve-to-Nerve）：將殘存神經與目標肌肉的原有神經吻合。盡管兩種方法在臨床中均有應用，但其效果差異尚不明確。
圖1. 文章信息
文章概要
近期，中國科學院深圳先進技術研究院的李光林和牛傳欣研究團隊通過動物實驗，對這兩種TMR手術的效果進行了系統性比較，研究成果發(fā)表在《IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering》上。
研究方法
研究團隊選取14只成年雄性SD大鼠，隨機分為兩組，分別接受神經-肌肉縫合和神經-神經縫合手術。對于神經-肌肉縫合組，研究人員將尺神經（UN）近端植入去神經支配的肱二頭肌（BBM）。而神經-神經縫合組，則將UN近端與支配BBM的肌皮神經（MCN）遠端吻合。
術后，兩組動物模型按計劃在跑步機上以 5 米 / 分鐘的速度行走，同時記錄肌電信號。肌電信號在術后每 7 天記錄一次，直至術后 28 天，共進行四次記錄。研究人員用EMG信號分析比較了兩組大鼠的EMG信號振幅、信噪比（SNR）和中心頻率（CF）。
圖2. 手術范式示意圖。神經-肌肉縫合（C）和神經-神經縫合（D）
術后3個月，所有大鼠均接受強直收縮力（TCF）和最大單次收縮力（MSCF）測試。這兩種測試都反映了肌肉收縮特性，該特性是能有效反映神經在靶肌肉上再生程度的功能指標。神經再生效果越好，支配能力越強，表現為靶肌肉在神經沖動下產生更大力量的能力，反之亦然。對于TCF測試，刺激頻率從 11 Hz 以 10 Hz 的步長增加至 51 Hz。
測試完成后，研究人員完全分離雙側肱二頭肌（包含經TMR處理的和對照的肱二頭肌）并去除其表面覆蓋的組織（以確保肌腱和肌肉保持完整），對每塊肱二頭肌進行稱重，并設計保存率（即經TMR處理的肱二頭肌質量/對照的肱二頭肌質量）來評估神經-神經和神經-肌肉模型的肌肉萎縮情況，進一步評估肌肉萎縮狀況。
完成以上記錄和稱重后，采集TMR靶肌肉用于組織學染色。采用Sihler神經染色技術來反映肌肉組織的整體神經分布模式映射。
研究結果以及解釋
研究人員對運動期間記錄的肌電信號做了多種分析。圖3E顯示了兩組TMR肌電信號的信噪比（SNR），結果表明術后14天起，神經-肌肉模型的SNR顯著低于神經-神經模型。比較兩組間TMR肱二頭肌的歸一化肌電信號（見圖3F）時發(fā)現，神經-神經模型的值顯著高于神經-肌肉模型。兩組TMR肌電信號的質心頻率（CF）也存在顯著差異。以對照的肌電信號的CF進行歸一化后的值如圖3G所示，兩組在術后第7、14、21和28天均存在顯著差異。
圖3. 跑步機運動期間從模型中記錄的肌電信號。（A-B）分別為神經-肌肉模型中靶向肌肉再神經支配（TMR）的肱二頭肌（BBMs）和對照組肱二頭肌的肌電信號。（C-D）分別為神經-神經模型中 TMR 的肱二頭肌和對照肱二頭肌的肌電信號。（E）神經-肌肉模型和神經-神經模型中 TMR 的肱二頭肌肌電信號的信噪比（SNR）。（F）神經-肌肉模型和神經-神經模型中 TMR 的肱二頭肌的歸一化肌電信號。（G）神經-肌肉模型和神經-神經模型中 TMR 的肱二頭肌肌電信號的歸一化質心頻率
對靶向肌肉（此處為肱二頭肌）做收縮特性分析，結果如圖4，隨著刺激頻率的持續(xù)增加，兩組模型中靶向肌肉的強直收縮力均持續(xù)上升，并在 41 Hz刺激頻率時達到最大值（見圖4 A）。圖 4B 顯示了強直收縮力（TCF）的反應持續(xù)時間（RD），其定義為從刺激快速初始上升到完全 TCF 曲線平坦部分的時間。神經-肌肉肱二頭肌的 RD 顯著高于神經-神經肱二頭肌，表明神經-神經模型中靶向肌肉的神經激活一致性更好。此外，關于肱二頭肌的最大單次收縮力（MSCF），神經-神經縫合術也優(yōu)于神經-肌肉縫合術（圖 4C）。
圖4. 肱二頭肌（BBMs）的收縮特性。（A）隨著電刺激頻率增加，神經-肌肉和神經-神經模型中靶向肌肉再神經支配（TMR）的肱二頭肌的強直收縮力（TCF），實心和虛線箭頭表示。（B）強直收縮力的反應持續(xù)時間（RD）。（C）神經-肌肉和神經-神經模型之間，隨著電刺激電壓增加，TMR 肱二頭肌的最大單次收縮力（MSCF）的比較
圖5A展示了神經-肌肉模型和神經-神經模型中肱二頭肌（BBM）橫截面的染色結果。神經-神經縫合組的肌纖維橫截面積（見圖5B），和肱二頭肌的濕重（見圖5C）顯著多于神經-肌肉模型組。圖5D和F展示了對照組肱二頭肌中肌內神經分布的形態(tài)。在神經干進入肌肉之前，會發(fā)出多個小分支，進入肌肉后這些小分支會繼續(xù)發(fā)出逐漸變細的分支。圖5E和G分別展示了神經-肌肉組和神經-神經組的肱二頭肌的肌內神經分布，只有神經-神經組表現出與對照肱二頭肌中觀察到的多級分支相似的分布模式。
圖5. 肌肉生理狀況及靶向肌肉再神經支配（TMR）的肌內神經分布（IND）。（A）神經-肌肉模型和神經-神經模型中 TMR 肱二頭肌（BBM）的橫截面染色。（B-C）神經-肌肉模型和神經-神經模型中 TMR 肱二頭肌的肌細胞大小及保存率差異。（D 和 F）染色顯示神經-肌肉模型和神經-神經模型中對照肱二頭肌的 IND，實心三角形和空心三角形分別代表原始神經及其分支。（E）神經-肌肉縫合術的 TMR 肱二頭肌 IND，實心正方形和虛線圓圈分別代表原始神經及其再生神經。（G）神經-神經縫合術的 TMR 肱二頭肌 IND，實心正方形、菱形、實心圓圈和空心正方形分別代表移植的尺神經（UN）、肌皮神經（MCN）、神經吻合位點和原始分支
總結，不足和展望
本研究對比了神經-肌肉縫合與神經-神經縫合兩種靶向肌肉再神經支配（TMR）方法對肌電信號和肌肉功能的影響。結果表明，神經-神經縫合在肌電信號信噪比、質心頻率、肌肉收縮力及肌內神經分布等方面均優(yōu)于神經-肌肉縫合，且神經-神經組的肌肉濕重和肌纖維橫截面積更大，肌內神經分支模式更接近正常。然而，研究存在電極植入壽命短、僅收集1個月肌電信號、未涉及感覺神經再生研究等局限。未來需改進長期植入技術以延長信號采集時間，結合行為訓練探索運動意圖識別，并深入研究感覺神經再生機制，為優(yōu)化TMR臨床應用提供更全面的理論依據。
原文鏈接
J. Huang, X. Li, J. Wei, C. M. Niu and G. Li, "Performance of Two Different Targeted Muscle Reinnervation Approaches for Improving Myoelectric Prosthetic Control," in IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, vol. 33, pp. 1392-1399, 2025.
doi: 10.1109/TNSRE.2025.3558292
研究團隊介紹
Jianping Huang、Xiangxin Li、Jingjing Wei：均隸屬于中國科學院深圳先進技術研究院，同時任職于中國科學院大學。
Chuanxin M. Niu（牛傳欣）：上海交通大學醫(yī)學院附屬瑞金醫(yī)院康復醫(yī)學科。
Guanglin Li（李光林）：中國科學院深圳先進技術研究院研究員，同時任職于中國科學院大學、深圳人工智能與機器人研究院 SIAT 分院，以及山東中科先進技術有限公司。
關于維拓啟創(chuàng)
維拓啟創(chuàng)（北京）信息技術有限公司成立于2006年，是一家專注于腦科學、康復工程、人因工程、心理學、體育科學等領域的科研解決方案供應商。公司與國內外多所大學、研究機構、企業(yè)長期保持合作關系，致力于將優(yōu)質的產品、先進的技術和服務帶給各個領域的科研工作者，為用戶提供有競爭力的方案和服務，協助用戶的科研工作，持續(xù)提升使用體驗。
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