基于EMG_KJA神经肌骨动力学模型的下肢动作模式识别及运动轨迹预测

摘 要 近年来，截肢患者已成为亟需关注的特殊社会群体，如何帮助他们有效地 提升自理能力、改善生活质量不仅是康复医学领域的重要研究课题，更是各国政府和全社会面临的一个严峻挑战。肌电假肢可以利用患者残肢肌电信号自主地控制假肢人机系统实现相应动作 ， 被公认为是一种比较理想的缺损肢体功能代偿解决方案，其核心技术在于描述人体神经控制与肌骨运动之间关系的神经肌骨动力学模型。但截至目前，国内外神经肌骨动力学研究尚主要集中于手部和上肢，较少涉及到下肢，尤其是专门针对下肢神经肌骨动力学模型开展的动作模式识别及运动轨迹预测方面的研究还开展的十分有限。 本文利用 步采集 10名受试者在深蹲、站起、伸膝和行走四 种关键动作下的 下肢 肌电信号和三维运动学数据，经滤波、放大等预处理后，提取预动作期肌电的 4阶 谱系数、奇异值和功率谱熵作为关键动作模态分类的特征参数，采用支持向量机（ 隐马尔科夫模型（ 人工神经网络（ 种方法进行分类识别。结果显示： 为理想的分类器，其 奇异值的单特征输入模式平均分类正确率为 融合时频特性的多特征输入模式平均分类正确率为 在分类识别的基础上，研究中提取了不同动作下单侧腿肌电信号的 均方根（ 中值频率（ 结合对侧腿的反馈角度，分别采用 膝关节角度 (下肢神经肌骨动力学模型来预测对侧腿部膝关节运动轨迹。研究发现：两种信号特征中， 预测效果略优于 种建模方法中， 各模式的预测误差结果均低于 示出了更为准确的建模效果。此外，为提高预测方式的实时性和在线度，文中还 设计了针对各类动作模式的 最优肌源通道筛选 方案 ，根据肌电均方根值与关节角度的相关性，依次去除关联性较低的 肌源信号 ，检验预测结果，寻求最佳导联配置。 本文的 研究结果有望对下肢肌电假肢设计以及相关神经学、运动学机理的探究起到促进作用，同时也具备在运动感知、人机接口、虚拟现实、远程遥控等其它领域的应用潜力 。 关键词： 表面 肌电信号 膝关节角度 特征参数 分类识别 运动轨迹预测 肌源通道优化 4 n as a to of is an in of a of MG of to to is as an to of is up to at on at in on of In by a MG -D 0 to , VM is of of of L L of NN MS is F VM is In to of of a of by to MS of to in MG on be in 6 目 录 第一章 绪 论 . 1 究背景 . 1 肢与神经肌骨动力学简介 . 2 肢简介 . 2 经肌骨动力学模型 . 4 电假肢 . 6 究现状 . 8 课题研究内容、目的及意义 . 9 第二章 号采集平台与实验方案 . 12 肢关键动作模态介绍 . 12 面肌电检测的下肢肌群位置选择 . 13 . 15 面肌电采集系统 . 15 维运动捕捉系统 . 18 验准备 . 20 试者选取 . 20 . 20 . 22 . 22 第三章 号预处理及特征提取 . 24 . 24 . 25 域分析方法 . 26 域分析方法 . 26 频分析方法 . 26 线性动力学分析方法 . 27 式识别特征参数提取 . 28 . 28 谱 系数 . 30 异值 . 31 率谱熵 . 32 动轨迹预测特征参数提取 . 34 . 34 值频率 (. 34 第四章 下肢关键动作模式识别方法与结果 . 36 式识别基本概念 . 36 . 38 择理由 . 38 性支持向量机原理介绍 . 38 线性支持向量机 . 41 函数 . 43 于 . 44 尔科夫模型（ . 49 择理由 . 49 马尔科夫模型简介 . 49 于 . 55 . 56 择理由 . 56 生物神经网络基础 . 56 . 57 . 60 研究中 经网络设计 . 63 于 下肢肌电动作模式分类识别结果 . 64 果对比 . 65 第五章 下肢运动轨迹预测及肌源 通道优化 . 69 用人工神经网络（ 测运动轨迹 . 69 用肌电均方根值（ 行建模和预测 . 69 用中值频率（ 行建模和预测 . 76 用支持向量机（ 测运动轨迹 . 78 用肌电均方根值（ 行建模和预测 . 78 用中值频率（ 行建模和预测 . 81 . 82 道 优化 . 83 第六章 总结与展望 . 91 项研究工作总结 . 91 8 望 . 92 参考文献 . 94 发表论文和科研情况说明 . 102 致 谢 . 105 第一章 绪论 1 第一章 绪 论 2006 年 ， 美国生产的数字 化假肢 使无数残疾 人摆脱轮椅，实现了站立行走的功能； 2007 年 ， 苏格兰一 家假肢制造公司推出一种每根手指都装有电动机的肌电感应人造手，可实现 多 种抓取功能； 2008 年 ， 美国匹兹堡大学科研人员 通过在两只恒河猴脑部植入电极探针，控制安装在肩部的机器臂，实现 对食物的抓取和递送； 2008 年 ， 右臂被截肢的“可乐男孩”薛枭，在川大华西医院假肢矫形中心，“长”出了新的“右手”； 2010 年 ， 在阿富汗战争中 失去手臂的阿克拉姆带着假肢开始正常的生活； 2008 年， 重庆市国税局大力落实优惠政策促进残疾人专用品生产，对假肢助行器具行业免收增值税 ， 2010 年北京市残疾人购轮椅假肢可获 30%补贴， 2012 年黑龙江省大庆市为 122 位贫困残疾人免费安装假肢 残疾人 ， 已经成为了一个社会关注的热点话题，而智能假肢， 也 成为 了 一个并不遥远的未来。 究背景 肢体残疾包括上下肢因伤、病或发育异常所致的缺失，畸形或功能障碍， 以及 脊柱中枢或周围神经因伤、病或发育异常造成躯干或四肢的功能障碍 1, 2。 其中偏瘫、截瘫、残 /缺肢、关节疾病患者是主要的肢体残疾人 3。 近年来，随着车祸、地震、战争、意外伤害的频繁发生以及骨肿瘤、糖尿病足和神经系统等疾病的不断蔓延，世界肢体残疾患者数目正以成倍的速度增长。 根据我国第二次残疾人抽样调查的统计结果，截至 2006年，我国各类残疾人口总数为 8296万，其中肢体残疾有 2412万人 ，占残疾人总数的 比 1987年统计的 755万增长了 4。 另据统计， 目前 糖尿病足已经成为非外伤性截肢的首要原因，在我国 4000万糖尿病足患者中，截肢率高达 全球每 30秒钟就有一条腿因为糖尿病而被截肢，并且一半以上的患者五年之内需要进行第二次截肢手术 5。 此外，战争和 自然灾害也是导致残疾人数增加的原因之一， 2008年 5月汶川大地震中，有 2万多人失去了肢体 6， 我国由于先天缺陷，意外事故和战争等因素引起的截肢患者数超过 200万人。肢体残疾已经成为我国人口中的最重大残障疾病，给家庭以及 社会带来 了 沉重的负担。 如何帮助残疾患者有效地提高自理能力，天津大学硕士学位论文 2 改善肢体残疾者生活质量是政府和社会面临的一个严峻挑战，也成为了医疗康复领域的重要研究课题。 在其他国家，残疾人也占有相当的比例。第一次世界大战之后，德国战伤者中约有 截肢者，这些人的社会康复问题刺激了的国家假肢行业的发展； 截至 2006年，仅美国应用矫形器和假肢的总 人数就达到 460万，7。 躯体生理功能障碍、肢体残缺以及生活能力的下降 给 截肢者的 家庭带来了沉重的负担，同时也导致患者出现严重的心理反应 8。发展康复辅具技术和产品，进行下肢功能障碍的康复医学研究和技术推广，不仅可以利用科技的力量来减轻家庭护理的负担、提高残疾者和伤病员生活质量，更能减轻国家、社会和家庭的医疗费用开支，有助于保护国家和社会的劳动力资源，意义十分重大 9。 近年来，党和国家对残障人士康复事业给予了极大的关注和支持， 2007年 3月30日，驻联合国代表王光亚代表我国政府签署 了残疾人权利公约，向全世界表明了我国到 2015年实现残疾人 “人人享有康复服务 ”目标的决心。然而，目前 我国的康复辅具产业仍存在很大的空白， 行业发展还处于初级阶段，缺少高端产品以及普惠型产品 市场上中高档的人体假肢基本依赖进口且价格昂贵，严重制约了我国残疾人生活质量的提高。 利用人工神经假体和假肢能够帮助 患者 重建 损伤下肢的 运动功能， 使 他们恢复自理生活能力并 参加力所能及的活动，因此人工神经假体功能重建和假肢的研制成为了康复工程领域两个重要的发展方向 10。 中华人民共和国民政部、中国残疾人联合会共同 制定的康复辅具领域 “十二五 ”科技战略研究报告中指出，多功能仿生假肢技术已被纳入我国未来优先发展的康复辅具关键技术研究领域。 综上所述，利用生物力学理论和运动仿生原理，设计出符合人体动力学原则的高柔性、高可靠性、高灵巧性以及节能型的多功能仿生假肢，并研究基于生物电模式识别的多功能假肢仿生控制技术将是我国康复领域发展的重要方向，是社会进步以及落实以人为本的科学发展观的直接体现，同时也是我国建设和谐社会的一个重要组成部分。对于促进我国助残和康复医学工程技术的发展，缩短我国假肢生产企业与国外先进水平的巨大差距 ， 提高残疾人的生活质量，无疑具有重要的社会价值。 肢与神经肌骨动力学 简介 肢简介 假肢，也称 “义肢 ”， 可用于代偿截肢者缺损的肢体完成基本的运动功能， 是第一章 绪论 3 康复工程最早发展的一个领域，有上肢假肢和下肢假肢 11。 按照截肢平面 ， 假肢可分为： 小腿假肢、大腿假肢、前臂假肢、上臂假肢等； 按截肢后的康复时间阶段分为：临时假肢， 术后即装假肢，永久性假肢； 按驱动假肢的动力来 源分为：自身动力源假肢和外部动力源假肢（如电动、气动假肢）； 按假肢的主要用途分为 ：装饰性假肢、功能性假肢、作业性假肢及 运动假肢；按使用能源分为 ：肌电假肢、电动假肢等 12 图 1种常见的假肢 其实，利用机械装置恢复行走或者手臂部分功能在很早之前就已经被开始使用，最有代表性的便是公元前 848年，比利时军人 听到宣判死刑时，他截断了自己的下肢，装上 木质假肢，作为一个寓言家又再次活跃起来 16。15世纪的假肢一般由制造铠甲的武器生产 者 制造，因此十分笨重； 16世纪的人造手臂外观非常漂亮，但仅具有装饰性作用，不能执行任何运动功能 ； 1500年，明了 首个 人造关节， 却 依旧 不能根据 人的意愿灵活运动； 1812年，柏林的 臂 假肢， 1844年 ，由 上臂假肢诞生，尽管此时的假肢可以替代肢体 部分运动功能，但离理想状态相距 甚远。 1909年，一位右臂 截肢患者 ， D. W. 发明了一套能够 灵活运动的假手装置。 20世纪，是假肢产业迅猛发展的一百年 ，经历了由初级 到高级的 发展 过程 ： 轻便 的 塑胶材料取代了笨重 的 钢铁或木质结构，接近肤色的染料 ，以及更加精细的加工过程也使得假肢越来越接近人体真实的肢体 。 然而， 传统的假肢有 灵活度低、控制不精准、自由度差等诸多缺点， 假肢的发展方向正在以稳定精确，轻便节能，改善步态为主要目标。 随着科学技术的发展，外部动力假肢已成为发展的主流趋势，正在逐渐取代传统的装饰性假肢和绳索牵引的假肢 17。对外部动力假肢 控制方式 的 研究也 悄然兴起，取得了显著的进步 。其中，最振奋人心的发明要属肌电假肢的诞生了，它旨在通过患者四肢肌肉的表面肌电信号 (控制外部动力假肢 的移动。 1948年 ， R 世界上第一例肌电假肢 ，给数以万计的残疾者带来了自主生活的希 望 18。 从 1960年开始，肌电假肢被越来越多的截肢天津大学硕士学位论文 4 患者所接受，又因为其具有结构简单、安装方便，无创性、实时性、多靶点测量等优点，已成为康复工程领域另一个重要的发展方向。奥托博克假肢矫形器生产公司发明了可以控制多手指的肌电假肢， 20世纪80年代至 90年代期间，一种 可以持续工作 8小时的轻松便携肌电假手受到了截肢患者的欢迎。 随着现代计算机系统的大力发展，未来的假肢将 直 接接受神经中枢的命令并执行不同的任务， 这一技术也可以被用于机器人 远程操控 等 领域 。 经肌骨动力学模型 肌肉收缩是由运动神经激励的，运动神经的兴奋表现为电脉冲的传导，并通过神经电位来激励肌肉的收缩。其基本生理机制是由于肌肉细胞（膜内）和细胞间液（膜外）的离子浓度有很大差别。在静息状态下，膜对钠离子的通透性很差，而钾离子则比较容易透过细胞膜 19。细胞内的钾离子由于其浓度梯度，自细胞内透过细胞膜渗透到细胞外，但是细胞内其他带负电的氨基酸和蛋白质却不能通过细胞膜，他们在膜内隔着细胞膜吸引膜外的钾离 子，因而在膜的附近就形成内负外正的极化状态，呈现出细胞的静息电位 20。当可兴奋细胞受到外界电刺激时，刺激电流从膜内流向膜外，因此膜的极化状态减弱，称为去极化。去极化达到一定的临界水平时便产生了兴奋的传递，这时细胞膜的极化状态消除，而且出现膜内正外负的反极化状态，其跨膜电位短时间内就可以从 到+20 +40 成了细胞动作电位的上升。在细胞兴奋之后，膜的极化状态逐渐恢复， 很快又回到静息状态，构成了细胞动作电位的下降。因此，肌肉电现象是 肌肉活动中伴随产生的电生理活动，也 是了解运动驱动的重要窗口 21。 人体运动的动力来自骨骼肌的协同收缩，肌群通过骨骼杠杆形成对关节的作用力矩，通过各个肌束的协同收缩和放松，精确控制关节的运动并完成日常的各种功能动作。在运动控制中，由神经系统传来的兴奋冲动在运动终板处造成乙酰胆碱的释放，从而在肌纤维上造成可传导的动作电位。由于肌纤维处于导电良好图 1 作电位的检测 第一章 绪论 5 的组织及体液中，动作电位在传导过程中出现容积导体导电现 象，从而在人体中形成随时间变化、具有一定空间分布的电场，通过在 体表一定位置安放电极即可检测到表面肌电信号（ 肌肉的功能状态和活动状态之间存在着不同程度的关联性，能够在一定程度上反映神经肌肉的活动。因其便携、无创、安全、多靶点测量的优点而被广泛应用于临床康复过程中，如临床医学的神经肌肉疾病诊断，康复医学领域的肌肉功能评价，以及体育科学中的疲劳评定，运动技术合理性分析等。 肌骨动力学模型是描述人体运动系统中肌肉与骨骼间相对位置关系的几何模型 22是研究人体生物力学特性的基础，主要用来分析人体系统的静力或者运动学之间的关系，利用 24。其中， 神经肌骨动力学模型 则 是描述人体神经控制与肌骨运动之间的关系，建立神经控制信号与肌肉活性之间的数学描述，形成方程形式，并构建含神经控制的理论模型 25，分为正向动力学研究和反向动力学研究。正向动力学研究的是人体的运动特征（如图 1其输入为神经控制信号（如肌电信号），输出则为运动模式。而反向动力学则是根据运动的形式来推断相应的神经信号和施加的力（如图 1神经肌骨动力学的研究对于肌电假肢的精确控制、瘫痪肌肉的有效功能性电刺激、以及探索患有中 风、小儿麻痹的偏瘫患者肢体运动的中枢神经控制机理有着非常重要的意义 26。 图 1肌电信号的检测 天津大学硕士学位论文 6 图 1向肌骨动力学模型模型 图 1反向神经肌骨动力学模型 电假肢 肌电假肢 即 肌电控制人造假肢 (是一种利用残肢 肌电信号来控制假肢的人机系统，控制原理的实质为人体与假肢间的信息交换 27。 研究表明，大脑通过神经中枢以生物电脉冲的形式向相关肌肉发出控制命令，刺激肌肉收缩，以产生某种动作，动作力度越 大，则电脉冲信号也越强烈。肌电假肢就是根据这一原理制成的， 一般 肌电假肢 由以下五 个部分组成： 1、肌电提取装置：表面电极； 2、肌电滤波放大装置：由于肌电信号十分微弱（ 肌肉松弛时， 030 V，肌肉收缩时，为 60300V）， 而且提取过程中不可避免的混有噪声信号，因此需要在分析之前进行放大滤波处理； 3、信号处理装置：包括特征提取、动作分类、动作预测等分析装置以及控制信号的输出装置； 第一章 绪论 7 4、动作执行装置：带动假肢运动的动力装置，如液动、气动或电动马达； 5、反馈装置：保证假肢安全可靠的反馈信号 检测装置，如测量位移、速度的设备。 图 1简单 动力肌电假肢 。提取残端肌肉表面的肌电信号， 经放大滤波后控制直流电机 旋转 ， 并经减速齿轮变为假手的开合动作 ， 图中所示仅对应一个关节的动作， 若将多块肌肉协同起来，便可完成端、拿等简单动作 27。 图 1动力肌电假肢工作原理图 图 1示的，是由美国圣地亚哥州立大学的 实验中，截肢者想象断臂的动作， 同时 神经系统 发出 控制信号并将其传递至肌肉细胞。提取表面肌电信号并进行模式识别，然后输出控制假手的命令信号， 完成相应动作。 图 1 - 6 所示的是一种单自由度的肌电假手控制系统，当腕伸肌的信号小于腕屈肌信号时，会产生屈动作，而当伸肌的信号大于屈肌时，则产生伸动作； 腕屈肌 腕伸肌 放大 积分 比较放大 放大 积分 驱动电路 图 1自由度双电极控制系统 天津大学硕士学位论文 8 综上，利用截肢者本身 肌肉所产生的电信号，通过相应的信号处理可以控制假肢产生预期动作 ，同时， 装在假肢上的传感反馈装置又可及时调整假肢的动作 ，避免产生重大偏差 。这种受意志控制的肌肉所产生的电位，对于假肢的控制是最理 想的信号。 因此深入研究神经肌骨动力学，探索肌电信号与关节角度的关系对于进一步提高多自由度肌电假肢控制的准确性有非常重要的意义 28。 究现状 肌 电假肢的迅速发展，离不开千千万万学者们夜以继日的艰苦工作与努力付出，让我们回顾一下肌骨动力学研究以及肌电假肢过去的发展历程： 2002年 ， 澳大利亚西澳大学的 . 测上肢肌肉力量，并模拟人体肘部关节运动 29。 2006年 ， 日本同志社大学 的（ 村彻教授对人手在抓、握、松三个过程中的肌电信号首先进行了模式识别，之后用 节 角度进行预测，绝对误差为 5度 30。 2008年 ， 意大利圣安娜高等学校的 C. J. 肌电对人体上肢抓取物品过程中三个角度的动作进行分类，其识别率达到 80%31。 2009年美国阿克伦大学的学者 对误差为 2。 图 1作原理及实物 第一章 绪论 9 2006年至2009 年期间，香港理工大学的郑永平教授带领研究小组用超声 探头和肌电仪提取肌肉厚度 及 肌电的 计算预测结果与实际结果的 相关系数和相对均方根误差 进行评判。 结果显示 肌 电的均方根值和肌肉厚度可以作为准确预测肘关节角度的关键参量， 在预测过程中3。 2010年 , 授发表在 2区 )上的一篇文献用前臂和腕关节处四块肌肉的肌电信号进行分类， 提取 肌电信号 为特征值，用支持向量机的方法对两组数据进行分类。其中一组的平均分辨率为 88%，另一组分类（分为 13类）结果达到 96%34。 2010年，日本筑波大学的 2区 )上的一篇文章用神经网络的方法对手部 7种动作进行识别，识别率达到 95%35。 纵观过去的研究， 大多还是集中在上肢肌骨模型以及肌电信息的研究上，主要探索上肢动作识别以及关节角度的跟踪预测 ，直到现在，国际上对于下肢肌电假肢以及下肢肌电与关节角度相关性的研究尚十分罕见 。 20世纪 80年代末， 行实时参数识别， 病人经 训练后可控制刺激器刺激相关腿部运动肌肉，完成下肢行走、坐下等动作 36。 2010年，美国范德比尔特大学 如静坐时）用健侧腿两块肌肉的肌电控制患侧腿的关节角度，37。 中国医学科学院生物医学工程研究所的王磊、罗致诚等人设计了一套双路肌电闭环控制的功能电刺激系统，借助偏瘫患者的健侧肌电对患侧肢体运动进行控制 38。 课题研究内容 、目的 及意义 通过对肌电信号的研究，采用表面肌电信号控制假肢，实现对残疾者的残臂再造是当今生物工程领域研究的重点。随着科学技术的发展，肌电控制假肢的研究已有了长足的进步，但仍未得到广泛应用 ， 目前的肌电假肢仍以上肢假手为主，而且多是较简单的 2 市场上还未见到技术成熟、控制精准的肌天津大学硕士学位论文 10 电假腿的诞生，其主要原因是表面肌电信号的处理与动作模态的识别尚有许多问题 亟待解决。建立人体下肢神经肌骨模型，进行下肢肌电与运动学方面的研究有着极为重要的意义。 研究表明，多通道的肌电信号更能准确描述人体肌