（运动人体科学专业论文）基于站姿和坐姿腰部表面肌电的分类器设计研究.pdf

摘要 目的：随着科学技术在工作运动环境中应用的增多，对于长期伏案工作的人群和运 动员来说，腰背肌长期处于疲劳状态时易发生慢性损伤，利用站姿和坐姿的肌电信息分 析来设计分类器，对预防相关腰背疾病具有很高的理论和实用价值。 方法：通过对腰背部肌群的电生理功能监测，并利用表面肌电( s e m g ) 信号分析技术 对人们日常不同坐姿中相关肌肉负荷和其工作情况进行研究，最终把人体表面肌电信 息以及动作图像解析的有关参数借助多种数学工具，进行动作肌电信息的特征提取与分 类的深度挖掘，在肌电信号的特征基础上进行分类器函数设计。 结果：建立完善腰部肌肉功能评价方法，从而能够实时地、准确地在非损伤状态下 反映肌肉活动状态和功能状态，为运动训练指导和康复预防系统的构建打下基础。对肌 电数据分析得到站姿和坐姿的功效结果包括： ( 1 ) 不同坐姿腰部负荷均大于站立位； ( 2 ) 不同坐姿下，身体姿势的改变对腰部负荷影响较大； ( 3 ) 挺直位坐姿比放松位坐姿腰背部竖脊肌更易疲劳： ( 4 ) 肌电结果显示，腰部和腿部姿势变化对腰部肌肉的影响较小，而脊柱前倾角 度的影响较大； 结论：肌电模块信息的动态变化使能够进一步分析得到不同坐姿的功效比较。各传 感器的输入信息综合处理为一总体输入函数，对传感器输出信息进行学习、理解，确定 权值的分配，完成知识获取信息匹配，进而对输入模式做出解释，将输入数据向量转换 成高层逻辑概念，得到分类器的分类输出函数，赋予分类器肌电识别的效果最优化。最 终将分类器设计成为软件程序，运行并能够对可用于分析研究的肌电特征向量信号进行 有效检测，为运动训练指导和构建肌肉疲劳损伤的康复系统服务。 关键词：表面肌电；站姿；坐姿；腰背肌；分类器；评价 a b s t r a c t p u r p o s e ：w i t ht h ei n c r e a s i n ga p p l i c a t i o n o fs c i e n t i f i c t e c h n o l o g y t o w o r k i n g e n v i r o n m e n t ，c h r o n i ci n j u r yo fp s o a sm u s c l ei sl i k e l yt ot h o s ew h ob u r yt h e m s e l v e si n w o r k i n ga l lt h et i m ed u et oe x h a u s t i o n t h e r e f o r e ，b yu s i n gt h es e m ga n a l y s i so fo n e s s t a n d i n ga n ds i t t i n gp o s t u r et od e s i g nc l a s s i f i e ri so fh i g ht h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lv a l u et ot h e p r e v e n t i o no fw a i s ta n db a c kr e l a t e dd i s e a s e s m e t h o d ：b ym o n i t o r i n gt h ee l e c t r o p h y s i o l o g i c a lf u n c t i o no fp s o a sa n dd o r s a lm u s c l e g r o u p sa n da d o p t i n gt h es u r f a c es e m gs i g n a la n a l y z i n gt e c h n o l o g y , t h i st h e s i sa i m st o r e s e a r c ho nt h er e l e v a n tm u s c l el o a da n di t sw o r k i n gc o n d i t i o no fd i f f e r e n ts i t t i n gp o s t u r e si n p e o p l e sd a i l yl i f e w i t ht h eh e l po fv a r i o u sm a t h e m a t i ct o o l s ，i tm a k e saf e a t u r ee x t r a c t i o n a n dad e e pd i g g i n gi n t oc l a s s i f i c a t i o no ft h ei n f o r m a t i o no fh u m a n b o d y ss u r f a c es e m ga n d t h er e l e v a n tp a r a m e t e r so fm o t i o np i c t u r ea n a l y s i s t h ed e s i g no fc l a s s i f i e ri sb a s e do nt h e f e a t u r e so fs e m g s i g n a l r e s u l t s ：b ye s t a b l i s h i n ga n di m p r o v i n gt h ee v a l u a t i o nm e t h o d o l o g yo fp s o a sf u n c t i o n w h i c hc a nr e f l e c tt h em o v i n ga n df u n c t i o n a lc o n d i t i o no fm u s c l e sc o r r e c t l yi nr e a l - t i m e ，a f o u n d a t i o nh a sb e e nl a i df o r t h ei n s t r u c t i o no fm o t i o nt r a i n i n ga n dc o n s t r u c t i o no fp r e v e n t i o n s y s t e mf o rc l i n i c a lr e h a b i l i t a t i o n t h er e s u l t so fe m gd a t aa n a l y s i sf o rt h ed i f f e r e n ts i t t i n g p o s t u r eo ft h ee f f e c t i v e n e s si n c l u d e ： ( 1 ) t h ed i f f e r e n ts i t t i n gp o s t u r ew a i s tl o a di sb i g g e rt h a ns t a n d i n gp o s i t i o n ； ( 2 ) u n d e rd i f f e r e n tp o s t u r e ，b o d yp o s i t i o nm o r ec h a n g e si nt h el o a di n f l u e n c eo nt h e w a i s t ； ( 3 ) s t r a i g h t - b i tr e l a x e dp o s t u r et h a ns i t t i n gb a c km o r et h ed e p a r t m e n to fv e r t i c a ls p i n a l m u s c u l a rf a t i g u e ； ( 4 ) e l e c t r o m y o g r a p h i cr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ew a i s ta n dl e g sp o s t u r ec h a n g eo nt h e i m p a c to fas m a l l e rw a i s tm u s c l e s ，a n ds p i n ef o r w a r di m p a c ta n g l e ； c o n c l u s i o n ：t h ed y n a m i cv a r i a t i o no fs e m gb l o c ki n f o r m a t i o ne n a b l e su st om a k ea f u r t h e ra n a l y s i so ft h ec o n t r a s t i n ge f f i c a c yc a u s i n gb ys i t t i n gp o s t u r ed i f f e r e n c e s t h ei n p u t i n f o r m a t i o no f e a c hs e n s o ri sc o m p r e h e n s i v e l yt r e a t e da so v e r a l li n p u tf u n c t i o n t h es t u d y i n g ， u n d e r s t a n d i n ga n dd e t e r m i n i n g o fw e i g h ta s s i g n m e n th a v e b e e nm a d et o t h e o u t p u t i i i n f o r m a t i o no ft h es e n s o r si no r d e rt o c o m p l e t ei n f o r m a t i o nm a t c h i n go fk n o w l e d g e a c q u i s i t i o nw h i c ha c c o u n tf o rt h ei n p u tm o d e la n d c o n v e r tt h ei n p u td a t at ol o g i c a lc o n c e p ta t l l i g hl e v e l st oe n d o wt h ec l a s s i f i e rw i t ht h eo p t i m i z i n ge f f e c to fs e m gd i s c e m m e n t f i n a l l y , t h ef i n a ld e s i g nw i l lb ec l a s s i f i e da sas o f t w a r ep r o g r a mr u n n i n ga n db ea b l et os t u d yc a nb e u s e dt oa n a l y z et h ee m gs i g n a le i g e n v e c t o re f f e c t i v ed e t e c t i o n ，s e r v i c ef o rt h em o v e m e n t t r a i n i n ga n dc o n s t r u c t st h em u s c u l a rf a t i g u ed a m a g et h ec l i n i c a lr e c o v e r ys y s t e m k e yw o r d s ：s e m g ( s u r f a c ee l e c t r o m y o g r a p h y ) ；s t a n d i n gp o s t u r e ；s i t t i n gp o s t u r e ；p s o a s ； c l a s s i f i e r ；e v a l u a t i o n i l i 缩略词 缩略英文全称中文 i v 湖北大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 论文作者签名：套坞 日期：叩钳肿阳 学位论文使用授权说明 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本：学校有权保存并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和电子版，并提供目录检索与阅览服务：学校可以 允许采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存学位论文；在不以赢利为目的的 前提下，学校可以公开学位论文的部分或全部内容。( 保密论文在解密后遵守此规 定) 作者签名：癃拓 指导教师签名： 幻谁 1 日期： 日期： 硝、s 、， 加垆， 第一部分绪论 1 1 课题目的和意义 第一部分绪论 在日常生活和工作中，随年龄的增长，对于长期伏案工作的人群和运动员来说，背 肌长期处于疲劳状态时易发生慢性损伤，这是引起慢性腰背痛的高危因素，而慢性腰背 痛患者腰背肌的退行性改变使腰背肌抗疲劳能力下降，又可能导致腰背肌的进一步损 伤，腰部疾病己成为现代生活中的一种常见又难以彻底治愈的疾病，给患者的日常生活、 工作、学习带来很多不便，并产生巨大痛苦【2 】 3 1 。临床上常用表面肌电图对腰背肌疲劳 进行检测，该方法能够实时地、准确地和在非损伤状态下反映肌肉活动状态和功能状态， 在评价肌肉功能状态方面具有良好的特异性、灵敏性、局部性的特点。表面肌电信号直 接提供腰肌的电学信息，它能够反映有关腰部肌肉的收缩协调性、肌肉的疲劳程度、以 及肌肉的收缩力量，因此能够评价肌肉的功能水平和功能状态，其核心是建立客观、准 确、可靠的检测和评价方法，从而为腰痛者寻找客观的临床诊断指标，并为临床的康复 治疗提供评定指标【1 】【4 】。同时为了更有效的识别坐姿和站姿下，腰背肌肉群疲劳性指标， 实验建立迅速便捷的小样本情况下的肌肉工作状态识别分类器，取得了满意的分类效 果。 本文实验部分是基于武汉体育学院运动人体科学实验室的b i o v i s i o n1 6 通道表面肌 电传导采集分析系统展开的，通过人体表面肌电( s e m g ) 信息以及动作图像解析的有关参 数借助多种数学工具，进行了运动信息的特征提取与分类的深入研究。以站姿和不同坐 姿位动作为研究对象，采用信息融合的方法，建立了保持动作状态阶段的机体模型，通 过模型研究了不同坐姿阶段肌力随时间变化的规律，实现了坐站位过程不同时段的肌肉 工作状态的自动分解与识别。本文研究内容除了在预防诊断方面，也为运动损伤的预防 和改进技术动作提供参考。 1 2 本文的主要工作和创新点 将实验方法和生物电学原理结合，通过分析受试者不同坐姿对比站姿的力学行为， 使用表面肌电传导采集分析系统建立受试者局部受力动作模型，对采集数据进行分类研 究并最终构建服务于专项康复机构的训练指导系统，其中涉及的理论问题和实际问题很 多，本文主要在以下几个方面进行了研究。 湖北人学硕十学位论文 ( 1 ) 在武汉体育学院运动人体科学实验室原有实验平台的基础上，构建了人体动 作姿态过程中多目标多参数信息获取的硬件平台。 肌电信号参数的获取和动作评价指导系统的建立需要大量的支持构件，包括硬件和 软件。这些构件用于检测一个动作过程中表现出来的动力学、运动学、生理学等信息。 在反复查阅资料论证的基础上，本实验提出了使用多达1 1 8 个功能模块的专业图形化高 速数据采集、显示、控制、分析软件包d a s y l a b9 和c a n 总线的分布式综合信息获取 平台，提供一种测试与观测受试者动作综合信息的手段和方法，可以针对与特定肌群发 力密切相关的动作，如实验进行坐位腰背肌肉发力的实时检测和跟踪，为构建基于受试 者生物电信号信息的人体模型分类器及康复指导系统提供前端支持。已纳入平台检测的 信息有受试者人体运动学信息、动力学信息、肌电信号以及人体模块参数测量等，软件 部分包括根据受试者综合信息需求而建立的数据采集模块与分析部分。 创新点：由于系统是可以根据实验设计者要求构建相关模块和c a n 总线构建的， 因此系统具有良好的开放性和可操作性，可以根据需要逐步加入其它检测模块，以使多 目标多参数信息获取平台不断发展和完善。 ( 2 ) 人体运动肌电信息的获取与分析 人体的运动是在中枢神经控制信号的激励下驱动骨骼肌肉系统完成的，是一个非常 复杂的前馈和反馈调节过程。然而，由于人体结构和神经系统的复杂性，直接获取神经 控制信号是非常困难的，只有外部检测手段来检测生理学信息，来推断运动人体内部某 个部分的神经控制的活动情况。人们在认识人体运动的内部机理的长期过程中，发现人 体在运动过程中所表现出来的肌电信息是认识和分析内部运动机制的一个重要手段。对 此进行了长期不懈的研究，其应用领域随着科学技术的进步也逐步扩展开来，表面肌电 由于其无创测量和使用方便的特点，被广泛应用于基础医学研究、临床诊断、康复工程、 运动医学、功效学、人机交互和运动生物力学测量领域中【5 1 。在本实验过程中，对受试 者动作肌电信号的检测和分析始终是一个重要的研究内容，利用表面肌电( s e m g ) 分析判 断肌肉疲劳程度，肌肉的应时研究、肌肉活动的功能分析、肌肉间为完成某个动作相互 之间的协调性、肌纤维成分分析、肌肉收缩速度研究、肌肉稳定性、协调性研究，通过 肌电信号进行技术动作的分析诊断等都是要涉及考虑到的问题，然而由于肌电信号是一 个非平稳随机信号，所以肌电的获取和特征的有效提取对于本实验来说是一个极富挑战 性的工作。 创新点：不同于以往用于评价疲劳的肌电研究主要针对表面肌电信号线性分 2 第一部分绪论 析，从而只得到一些反映肌肉功能状态的参数变化特征，做出评价。本文在获取大量的 肌电数据的基础上，进一步引入多种现代信号分析和处理的方法，对人体姿态肌肉发力 过程中所表现出的肌电信号进行了特征提取和发力模式分类的详细研究，对于传统的 f u z z y a r t 实现的肌电分类器，通过引入新的算法分析，提高了系统的学习效率，并在 肌电一肌力状态的对应关系上进行了探索，取得了初步研究成果。 ( 3 ) 基于肌电信息转换的动作模式分解与识别 由于本项研究的目的是解决构建站姿和不同坐姿对腰背肌肉功能评价指导系统所 涉及到的关键问题，即肌电信息的获取、分析与评价，因此，需要对坐位过程中的座椅 反力、肌电以及图像等信息深入分析并提取有效特征，并能自动对时间阶段做出区分， 以便康复技师和测试者能运用此分类器得出的结果对受试者肌肉工作状况进行深层次 的分析或是调整坐姿找出改进最佳功效的措施【6 】。因此，我们基于多目标多参数运动信 息获取平台，设计了多种实验，获得了大量肌电数据和地面反力信息，在用a r 模型提 取肌电特征后，对肌电信号进行分类研究，通过d a s y l a b9 建立新的模块算法，提高 了传统f u z z ya r t 网络肌电分类器的学习效率。 创新点：引入肌电信息融合的理论【7 】，使用了许劲松毕业论文研究的( m i m o ) 支持向 量机和神经网络集成方法，进行了肌电信号线性时段信息融合和肌肉状态分解的研究， 提高了不同时间阶段分类器的鲁棒性，降低了分类的错误率，得到分类器的分类输出函 数。最终将分类器设计成为软件程序，运行并能够对可用于分析研究的肌电特征向量信 号进行有效检测，为运动训练指导和构建肌肉疲劳损伤的康复系统服务。 1 3 论文各部分的主要内容 本文共分五部分，第一部分是绪论，主要论述研究的背景、目的与意义。第二部分 描述人体肌肉活动的生理学机制与评估方法，腰背肌肉相关信息及其肌电获取方法，重 点介绍了搭建的多目标多参数运动信息获取平台。第三部分在介绍肌电在分析受试者人 体动作行为中的作用和意义的基础上，进行了肌电信息获取的实验设计，对实验数据进 行了分析，并对多种分类效果进行了对比研究。第四部分主要是对站姿和不同坐姿过程 中的腰背肌肉发力特征进行分析与研究，建立肌电a r 模型并选择最优算法，进行动作 模式的分类识别，最终利用信息融合得到分类器的分类输出函数，完成分类器设计。最 后部分是论文的结论与展望。 湖北人学硕十学位论文 第- - i i 分文献综述 人体是一个非常复杂的生物体，人体所完成的各种动作的复杂性是任何机械都无法 比拟的。人体运动信息的检测与分析涉及到生理学、生物力学、解剖学、运动科学、先 进传感器技术( 设计原理、数据处理、软件开发) 和计算机技术。检测技术、信号处理方 法和计算机技术的发展，使如何从表面肌电中识别出人体的多种运动模式成为康复医学 界研究的热点问题之一。因此人体肌肉活动信息的获取与处理也是本实验研究中的关键 性工作【4 】【8 1 。 2 1 人体运动机理及肌肉活动模式 2 1 1 人体运动机理 人体是一个2 0 6 块形状各异互相连接的骨骼而构成的复杂有机体。运动系统是由骨 骼和固着在骨上的肌肉组成的，在神经系统的支配下，肌肉发生收缩和舒张，牵动骨骼， 使人体能够进行各种运动。神经控制系统以神经电脉冲为信息裁体，沿神经纤维快速传 递。外界环境对人体的刺激使相应的感觉器官兴奋产生神经电脉冲，沿外周神经系统的 感觉神经传入中枢神经系统，经过快速的信息处理，产生控制运动的指令、再由运动神 经传出至肌肉效应器，形成运动行为反应。虽然感觉系统和运动系统利用同样的媒体一 神经信号在神经系统内进行相互联系，但感觉系统的作用是将物理的、化学的能量转变 成神经系统可以识别的神经信号，而运动系统则利用神经信号将大脑产生的抽象运动概 念变成具体的肌肉收缩以产生运动【1 0 1 。因此运动系统的活动与感觉系统的活动不同，它 开始于一个脑内的运动概念一期望通过运动产生预想的结果，这个概念称为“内部模 型 。我们称这个内部模型的结构化表示为运动程序，运动程序的产生过程如下：首先 按照需要实现的运动目标要求，依据获取的感觉信息和人体自身的状况，大脑联络皮层 产生粗略的运动计划，该运动计划经过大脑分析处理形成详细的运动系列，再通过大脑 联络皮层思维产生这一运动系列的时空图，我们将此思维过程称为内仿真。这个内部模 型包括有外部的“世界模型 和身体器官的“身体模型”。粗略计划和运动系列时空图 通过在辅助运动区内仿真修正，最终在运动前区形成运动程序，从而产生运动器官的运 动指令【l z 】。 图2 1 是脊髓控制中枢机理的框图。来自于高级中枢的激励信号n ( t ) 和平衡点控制 4 第二部分文献综述 信号丫( t ) 在脊神经回路被转变成肌肉控制信号，u f 和u 。，并分别作用于屈肌和伸肌，产 生运动。运动信息，包括肌肉长度、速度、力量等，由肌梭感受器( 及腿器官) 反馈回脊 神经回路，一方面通过自反射作用于肌肉自身，同时，也通过脊髓的中间神经元产生对 对抗肌互抑制。闰绍细胞是抑制性神经元，其活动经神经轴突回返作用于脊髓前角运动 神经元，抑制原先发动兴奋的神经元。在a 吖模型中，高级神经中枢下行的信号分别调 控关节的平衡位置和刚度。激励信号n ( t ) 通过激活0 【运动神经元使梭外肌纤维收缩，而 平衡点控制信号州通过激活丫运动神经元使梭内肌纤维收缩。当丫运动神经元兴奋时， 肌梭的中部被拉伸，使肌梭感受器的放电频率增加。当伐运动神经元兴奋时，梭内肌纤 维松弛，肌梭的放电频率随之下降。一对对抗肌在自反射( a u t o g e n i cr e f l e x ) 和互反射 ( r e c i p r o c a lr e f l e x ) 的作用下，可以保持关节的平衡点位置1 9 。 2 1 2 肌肉活动模式 r l ( 1 ) ) n i ) 图2 1 脊髓控制中枢机理框图文献10 ) 肌肉活动是一种复杂的运动，它是由多环节的肌肉运动系统在c n s 的控制下协调 活动实现的。表征肌肉活动特性的主要参数包括肌肉两端的张力、肌肉的长度变化( 收 缩) 的速度以及肌肉的最大张力。肌肉的功能和力学特性是进行人体运动生物电传导分 析的基础。自2 0 世纪3 0 年代诺贝尔奖获得者希尔等人对肌肉的力学特性进行实验研究 以来，人们对肌肉的力学特性研究进行了广泛而又深入的研究，提出了多种模型，这些 模型都是以h i l l 模型为基础的，因此，主要介绍h i l l 模型【1 4 】。 h i l l 用青蛙豹逢匠肌进行试验，得出了描述肌肉张力和肌肉收缩速度之间关系( 卜 湖北大学硕十学位论文 v 曲线) 的希尔方程，指出当肌肉以最快的速度收缩时，所产生的肌力最小，即肌肉克 服外部负荷的能力最小，随着肌肉收缩速度的减慢，肌力就逐渐增加，当肌肉收缩速度 进而减小以至到零时，肌力增大到最大值( 即肌肉用力达到静力性等长收缩最大值) 。肌 力随肌肉收缩速度的增加而下降的原因是由于收缩成分中的横桥在断开与联系时损失 了肌力，以及收缩成分和结缔组织中的流体粘滞性所致。因此随着收缩速度的增加需要 更大的内力克服这些粘滞阻力，并造成肌肉张力更明显的下降。肌肉中除收缩元主动张 力与肌肉长度有关外，被动力同样也与肌肉长度有关。肌肉张力中被动成分近似相当于 力学模型中的弹簧，其中并联弹性元显示出的弹性类似于弹性体，在肌节未达到平衡长 度前并联弹性元并不显张力，当长度超过平衡长度时，张力呈单调上升，而串联弹性元 在总体上对力和长度关系没有影响。肌肉的张力除了与肌肉的长度有关外，还与肌肉的 收缩速度有关。肌肉的这种长度、速度特性可以通过肌肉模型进行模拟【1 1 】。 此种肌肉活动模式在肌肉的动态特性包括激活动态特性( a c t i v a t i o nd y n a m i c s ) 和收缩 动态特性( c o n t r a c t i o nd y n a m i c s ) 。激活动态特性对应于神经兴奋到肌肉激活度之间的传输 过程；把神经元输入信号u ( t ) 转变为肌肉激活度a ( t ) 。收缩动态特性反映肌肉激活度与 肌肉力之间的传输过程，把肌肉激活度信号转变为肌肉力量f f 和f 。其中，收缩动态 特性是由肌肉的力量一长度因子、力量速度因子和肌肉激活度表示肌肉特性的【1 2 】【1 4 1 。 本文实验将利用肌肉活动此类模式规律对人们同常站姿和不同坐姿下腰部肌肉负 荷，以及长时间坐时各腰椎节段肌肉负荷和周围主要肌肉的工作情况进行研究。在规律 中可以发现不同姿势之间肌力矩差异较大，由于身体姿势的改变，使得腰部负荷发生改 变，同时肌肉调整工作分配改变肌力矩以维持身体姿势的平衡。不同的姿势，在身体姿 势有较大差异时，肌肉需要动用的肌纤维数量也不相同，可以预见腰部姿势不同，肌电 的变化也应该差异显著。 2 动作视频信息获取 人体的所有动作都是在一定的时间和空间里进行的。时间和距离是动作最原始的特 征，因此用拍摄运动图像的方法来记录动作最为方便和准确。对运动动作细节采集当前 主要借助三维录像、高速摄像和录像解析系统等获取运动技术的外部特征，获得运动过 程中人体姿态变化的运动学参数。由于本研究实验运用静态姿态变化的实验方法，身体的 位移变化较为微小，所以未采用动态影像拍摄采集系统分析，取而代之运用成本较为低 廉的不同坐位分时段定向图片解析结合力学原理及人体基本参数，对受试者腰部肌肉在 6 第二部分文献综述 站姿和坐姿下的肌肉活动情况进行分析，从而进一步分类器的研究。 2 3 生理学肌电信息获取 肌电的产生是神经、肌肉兴奋释放生物电的结果，反映了神经、肌肉的功能状态， 将这种微弱的电位变化进行引导、放大等一系列处理所得到的图形叫做肌电图。人体肌 电信息的研究在康复医学、运动医学、人机工效学领域中应用很广。肌电信号按照引导 电极的不同，可分为针电极肌电和表面肌电。表面肌电( s e m g ) 是从人体肌肤表面记录下 来的神经肌肉活动电信号。由于表面肌电检测对人体不产生损伤，因此在体育科学研究 中，多采用表面肌电有线检测技术，表面肌电信号从皮肤表面通过电极引导、记录下来 的神经肌肉系统活动时的生物电信号，它与肌肉的活动状态和功能状态之间存在着不同 程度的关联性，因而能在一定的程度上反映神经肌肉的活动。通过表面肌电可以判断受 试者在动作过程中哪些肌肉参与动作、肌肉活动的时序、各块肌肉收缩时间的长短和收 缩强度、肌肉之间的协调模式、收缩类型和强度、判断肌肉疲劳程度及损伤、肌肉功能 评价等，通过分析肌电图还纠正运动员的动作，提高训练效果【1 3 】【1 5 】【1 6 1 。 2 3 1 肌电信号产生的生理学机理 人体和各器官表现的电现象，是以细胞水平的生物电现象为基础的。脑电、心电、 肌电等都是人体中各器官生物电的表现，是可兴奋性细胞兴奋时动作电位变化和传导的 综合表现。 在人体内细胞和内环境之间保持着各种渗透平衡，由于人体细胞对体内的各种离子 的选择性吸收的能力不同，造成细胞内外的离子浓度的不平衡。生物电发生在细胞膜的 内外两边，即膜电位。这种电位值是由粒子的运动所决定的。由于在不同的生理状态下 通过表面膜的各种离子数量各不相同，因而呈现不同的膜电位。生物电的形成与细胞膜 两侧离子浓度的不同所引起的离子平衡电位，以及离子浓度不同使膜内外电荷量不同形 成的电位梯度有关。在安静的状态下，由于浓度梯度，电位梯度和细胞膜的选择通透性 的作用，k + 外流速度远大于n a + 的内流速度，造成细胞外的正离子浓度大于细胞内的正 离子浓度，从而引起静息时细胞的内负外正的跨膜电位，跨膜电位会阻止k + 的进一步 外流，形成一种k + 外流的动态平衡电位，称为静息电位。当肌细胞受到刺激或接受了 神经冲动的传导，会引起细胞膜对n a + 的通透性突然增大，n a + 的浓度梯度和电位梯度 的双重作用下急速内流，使静息电位发生去极化，肌细胞膜突变为内正外负，这一电位 7 湖北大学硕十学位论文 称之为动作电位。动作电位能够沿着肌纤维膜迅速传导，从而引起整个肌纤维的兴奋， 改变肌细胞膜对各种离子的选择透过性，从而引发肌肉收缩。整个人体就是个容积导体， 人体内充满大量的可以导电的组织液，血液和淋巴液以及各种电离子，肌细胞就生活在 这些可导电的肌浆组织液中，动作电位一经由细胞产生，就会引起整个肌肉细胞产生运 动电位，形成局部电流经过人体内环境导体向全身各处传导，由于人体内的电阻较大， 动作电位又比较微弱，肌电在容积导体内的传导会逐渐减弱，距离越远，肌电就越小【1 7 1 。 肌肉收缩是由神经冲动产生的电信号刺激肌纤维，使其组织内发生微观化学变化过 程而导致的结果，另一方面，肌肉中存在大量的感受器，它由多种传入神经纤维组成， 其中有些直接上行到大脑皮层，从而运动神经中枢可以直接控制肌肉的收缩，使运动达 到精细可控的程度，而肌肉的收缩则是神经对肌肉调节作用的结果。人体的各种运动都 是由肌细胞的收缩活动完成的，从分子的水平来看，各种肌肉的收缩活动都与肌肉细胞 内收缩蛋白的收缩能力有关，即和肌凝蛋白和肌纤蛋白的相互作用能力有关。肌小节是 肌肉收缩和舒张的功能单位。肌肉收缩时的特征是，收缩时肌细胞内并无肌丝或其它分 子结构缩短或卷曲，而只是发生了细肌丝向粗肌丝间的滑行，从而使肌小节的长度缩短， 此称为肌肉收缩的微丝滑行学说。肌肉收缩总是肌膜首先出现动作电位，然后再发生肌 微丝的相对滑行收缩，因此在以膜的电变化为特征的肌电活动过程和以肌丝滑行为之间 必然存在兴奋收缩藕联。肌肉收缩也必然伴随着肌电活动的变化，肌膜动作电位强度越 大，肌肉收缩能力越强，肌力也越大，肌肉放电能力也将增大。人类骨骼肌中的每块肌 肉均由多个运动单位构成，当肌肉收缩程度和肌肉的疲劳状态不同时，参加收缩的运动 单位的数量，每个运动单位放电的频率，动作电位的神经传导速率都会有不同，在肌肉 关节和脊髓细胞之间还存在本体感觉纤维，即存在反馈通道，这种反馈通道在维持肌肉 张力中起着很重要的作用，因此肌电信号中蕴涵着很多肢体运动的相关信息。由人体生 理学可知，运动神经系统是一高度复杂的非线性系统，反映这一系统运动信息的表面肌 电信号也一定具有非线性特征【1 8 】。 2 3 2 肌电信号检测的方法 肌电图是活动肌肉放电情况的记录，肌电活动和肌肉功能之间必然存在某种关系。 与传统的针式肌电图相比，表面肌电的空间分辨率相对较低，但是探测空间较大，重复 性也较好，对于体育科学研究、康复医学临床和基础研究等具有重要的学术价值和应用 意义。表面肌电信号是一种非常微弱的电信号，其振幅约为o - 5 0 0 0 r t v ，其峰值一般在 第二部分文献综述 0 - 6 m y ，均方根在o 1 5 m v ，一般有用的信号频率成分位于0 1 0 0 0 h z 范围内，其中主要 能量集中在5 0 1 5 0 h z 。信号形态具有较强的随机性和不稳定性，皮肤和组织对肌电均有 衰弱作用，也更易受干扰，因此检测和记录表面肌电信号需考虑的主要问题是尽量消除 噪声和干扰的影响，提高信号的保真度【1 6 】。 本文实验肌电信息的采集是由有线无线肌电仪完成，如前所述，在体育科研上一般 采用有线传导的方式实现，实验肌电仪的工作原理可由框图2 2 表示。采样频率一般为 1 0 0 0 h z 。放大后的信号经传导器发送给主计算机。 图2 2 实验肌电仪工作原理 2 4 表面肌电信号数字传感器原理设计重点 人体是一导电体，工频干扰及体外的电场、磁场感应都会在人体内形成测量噪声， 如人体本身感应的5 0 h z 工频、电极和皮肤表面间产生位移或因电极与放大器间的连接 线移动而导致的干扰，都干扰s e m g 的检测，所以信号的滤波和电路的屏蔽成为表面肌 电信号数字传感器设计的重点。我们在前期设计中可分类为四个部分：电极、放大电路、 滤波电路、a d 转换。 2 4 1 电极的设计 本文实验采用m s b 公司生产的u n i l e c t1 0 1 0 型传导电极，电极极片的极体用铜 制作，表面镀银，其形式采用常用的双极型，并在两个电极中间插入了一个参考电极， 也称作无关电极，以利于降低噪声，提高对共模信号的抑制能力。为了消除来自电源线 的噪声，采用差动放大的方法。 肌电信号由两个电极来检测，两个输入信号“相减 ，去掉相同的“共模 成份， 只放大不同的“差模 成份。任何噪声如果离检测点很远，在检测点上将表现为“共模 9 湖北人学硕十学位论文 信号；而检测表面附近的信号表现为不同，将被放大。因此，相对较远处的电力线噪声 将被消除，而相对比较近处的肌电信号将被放大。其准确性由共模抑制比( c m r r ) 来 衡量【1 9 1 。 肌电信息在人体组织( 容积导体) 内的传递，会随着距离的增加而很快衰减。因此 电极宜贴放在肌电发放最强的腰背肌部，以减少邻近肌肉的肌电干扰( 串音) 。采用较 小的电极可提高选择性，但会增加电极与皮肤问的接触阻抗。 2 4 2 放大电路的设计 人体肌肉组织是皮表肌电的信号源，它发放的肌电 。 乜经过皮下软组织的体电阻传输至皮肤表面，体电阻约数 百欧姆，但是，表面电极与皮肤之自j 的接触阻抗比较高， 约几千欧姆。接触电阻还受接触松紧程度、皮肤清洁程 度、湿度、四季时令变化等多种因素影响，变化很大。 由此可见对于放大器来说，肌电信号源是一个高内阻 的信号源。 在设计肌电信号放大电路时，着重考虑了以下问 图2 - 3 肌电传导电极 题： 1 高增益：表面肌电信号幅度约在分布uv m v 数量级之间，是一种极其微弱的信号，要将其放大到一伏左右才能方便使用，所以将放 大器的增益设置在8 0 d b 。 2 高共模抑制比：表面肌电信号的采集易受5 0 h z 工频电源及其它高频电噪声的干 扰。但这些干扰信号在放大器的输入端表现为同幅同相的信号共模信号，因此选用 高共漠抑制比的放大电路对干扰信号进行抑制。 3 高输入阻抗：肌诲组织与电极之间的接触阻抗可能在相当大的范围内变化，天 气干燥地区，接触电阻甚至高达几万欧姆，在这种条件下，即使放大器的共模比极优良， 如果输入阻抗不够高，共模干扰信号也会造成输出误差。因此必须提高放大器的输入阻 抗。 根据以上所述，设计的肌电信号采集电路要求具有高增益、高输入阻抗、高共摸抑 制比( c m r r ) 、低零漂、低失调、低功耗、尤其是低的l ，f 噪声电压。本文实验选用德 州仪器( t e x a si a s h u m e n t s ) 公司的b u r r - b r o w n 系列的同相并联差动三运放仪表放大器 i o j，l 第二部分文献综述 i n a l 2 8 p a 为核心器件搭建了前置放大电路，获得了良好的电路效果。该芯片内部原理 电路图如图2 4 所示。 图2 _ 4 放大器芯片内部原理电路图 表面肌电信号非常微弱，从电极引导出的信号夹杂着很强的干扰信号，为了避免在 干扰较强时信号进入非线性区引起严重失真，应该采用两级放大。仪用放大器i n a l 2 8 作为一级放大，设计比例运算放大器作为二级放大。 2 4 3 滤波器的设计 表面肌电信号一般只有毫伏级电压，信号中往往夹带着低频( 接近直流) 和高频的 干扰信号，真正有用的肌电信号大致在1 0 h z 5 0 0 h z 之间。除此之外，5 0 h z 的工频信号 也是一个重要的干扰源，如果不去除可能会掩盖表面肌电信号【i9 1 ，根据这些特殊要求， 专用滤波器必须具有隔直、滤波功能，并且要求具有高共模抑制比和好的抗干扰性。低 通滤波器采用压控电压源型二阶低通滤波器。 5 0 h z 工频信号对表面肌电信号的采集有很大的影响，它的频率恰好在表面肌电信 号能量集中的频段，且其幅度比表面肌电信号大1 3 个量级，因此必须除去。本论文中 采用双t 有源滤波器( 集成于b i o v i s i o n 公司的传导信号采集盒中) 来滤除5 0 h z 的工频 信号，如图2 5 所示。滤波器芯片原理电路如图2 - 6 所示。 湖北人学硕十学位论文 图2 - 5b i o v i s i o n 传导信号采集盒 田2 - 6 滤波器芯片原理电路图 可能引入工频干扰的途径有【2 3 ： 1 由空间辐射引入：空间的电磁场可以通过检测设各中的电极连线、印刷电路板 上的连线、器件引脚或器件本身感应为相应频率成分的电流，成为噪声混入肌电信号。 空闻的电磁场可能来自于多种源，最致命的是电网辐射造成的工频干扰。 2 由直流电源引入：检测设备中，为有源器件供电的直流电源通常都是由工频交 流电源变压、整流、稳压而得到的。直流稳压电源不可能达到理想的滤波效果。以纹波 形式存在的工频( 或其谐波) 电流会通过电源引入到放大电路中。 3 由受试者身体引入：暴露于空间电磁场中的受试者身体同样会感应电磁场而产 生感应电流，受试者身体所感应的工频电流通过检测电极，与生物电信号一起加到放大 器输入端，形成工频干扰。 针对直流电源引入的工频干扰，采用电池对有源器件进行供电。采用电池供电不仅 避免了整流稳压电源纹波所带来的工频干扰问题，而且进消除了因漏电而导致受试者被 电击伤的可能。由于电池的电压较低用多节电池叉会显得体积庞大，所以采用d c d c 第二部分文献综述 模块来升压解决芯片的供电问题 2 4 3 a d 转换 由于采样频率并不高，因此采用8 位串行a ，d 转换器a d c 0 8 3 2 即可。a d c 0 8 3 2 使用采样一数据一比较器的结构，采用逐欢逼近方式进行转换。根据多路器的软件配置， 单端输入方式下，要转换的输入电压连到一个输入端和地端：差分输入方式下，要转换 的输入电压连到一个输入端和另输入端。a d c 0 8 3 2 的两输入可以分配为正极或负极， 可以由多路器进行软件配置。但是要注意的是，当连到分配为端的输入电压低于分配为 负端的输入电压时，转换结果为全0 。通过和控制处理器相连的串行数据链路传送控制 命令，用软件对通道选择和输入端的配置。串行通信格式在不增加封装大小的情况下， 可以在转换器中包含更多的功能。另外，可把转换器和模拟传感器放在一起，和远端的 控制处理器串行通信，而不是进行低电平的模拟信号的远程传送。这样的处理使返回到 处理器的是无噪声的数字数据，避免了模拟信号远传的干扰。整个采集系统的硬件结构 设计完毕，具体电路图2 - 7 所示： 圄2 - 7 n d 转换器苗片原理电路图 2 5 实验受试者综合信息获取分析平台 运动信息的检测分析需要大量的支持构件模块，包括硬件和软件设备，是一项复杂 繁重的工作。在反复论证的基础上，本实验选择了武汉体育学院运动人体科学实验室由 湖北大学硕七学位论文 b i o v i s i o n 公司出品的1 6 通道表面肌电传导采集分析系统的设备器材，该系统搭建了由 c a n 总线的分布式综合信息获取平台，提供一种数据采集的同时自由设计搭建测试模 块与观测受试者运作综合信息的手段和方法，针对与肌肉发力密切相关的动作，明确每 一时刻与肌肉电信号的非线性关系，并把人体运动中的肌力变化与肌电信号传递关系自 动加以比对标注，其中动态变化分析系统的存储示波器存储深度可设置从1 0 到1 3 1 0 7 2 个采样点。在计算机屏幕上显示的3 2 k 6 4 k 1 2 8 k 采样点的数据不会丢失。预触发位置 可从0 到1 0 0 自由设定。用唯一可调整的滑块条，很容易在时间轴上缩放数据。采样 频率可自由调节，这样就能非常方便的对符合本研究需要的波形数据段进行截取分析， 用可移动的图形和刻度轴调节垂直偏移和增益。使用组合的触发控制功能，能够所见即 所得，触发电平，斜率，和调整延迟触发。对不知道的采集信号，能自动调定设置，触 发至最好形态显示。这些实用的功能都保证了为最终构建基于受试者姿态力学信息的人 体模型及学习分类器指导系统奠定硬件基础。己纳入平台检测分析的信息有受试者人体 运动学信息、静态动作图像信息、肌电信号以及人体标准参数测量等。 软件部分包括受试者综合信息获取与分析部分以及自动模块函数化系统，d a s y l a b 9 作为开放式组态软件，运算方法丰富，可以实现多种功能组合。强大的数学运算功能： 均方根r m s 、定标值、平均值、整流、积分、微分、