（机械电子工程专业论文）人体表面肌电信号处理及其在人机智能系统中的应用研究.pdf

、 h j 浙江大学硕士学位论文 摘要 表面肌电信号( s e m g ) 是由多个运动单位兴奋而发放出来的运动单位动作电 位序列沿肌纤维传播并经由皮肤、脂肪构成的容积导体滤波后在皮肤表面检测电 极处的时间和空间上综合叠加的结果。 本文先分析了典型人机智能系统( 假肢手) 的常用控制信息源，发现表面肌 电信号是目前人机智能系统控制中比较理想的控制信息源。而后从肌电信号的产 生机理出发，研究了肌电信号的分析方法和常用的建模方法。 在此基础上，本文设计了肌电信号处理电路，包括采用仪用放大器i n a l 2 8 的前置放大电路、带通滤波电路和陷波电路。然后用表面肌电电极、p c i 9 1 1 1 数 据采集卡和用图形化编程语言l a b v i e w 设计的采集软件，建立了表面肌电信号 采集系统，并用自行开发的这套肌电信号处理系统对上肢肌电信号进行了分析研 究。通过实验表明，表面肌电信号可以作为零均值的、具有可控方差o2 的高斯 过程来建立数学模型。 最后本文将表面肌电信号采集处理系统应用于典型的人机智能系统一假 肢手系统中。本文根据人手的生理结构，设计了假肢手的机械结构，选用步迸电 机作为其驱动方式，并且开发了一套适用于假肢手的光电式触滑觉传感器，然后 设计了基于a t m e g a 8 单片机的假肢手控制器。 实验中，本文采用了阈值控制方法，利用表面肌电信号的方差特征值作为控 制信号来实现假肢手的控制。本文设计实验完成了假肢手的一些基本功能，基本 实现了根据人的意识来控制假肢手，为以后我们将表面肌电信号应用于更多的人 机智能系统打下基础。 、肢手 、 关键词表面肌电信号( s e m g ) 控制信息源触滑觉传感器阈值控制假 、 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t n u m e r o u sa c t i v eu n i t sd i s s e m i n a t et h es e r i e so f e l e c t r i c a lp o t e n t i a l so f a c t i v eu n i t m o t i o nw h e n t h e yr l ee x c i t e d t h e s es e r i e so fe l e c t r i c a lp o t e n t i a l ss p r e a da l o n gf i b r e a n da r ef i l t e r e db yt h ev o l u m ec o n d u c t o rw h i c hi sm a d eo fs k i na n df a t t i n e s s a n dt h e e l e c t r o d ed e t e c t o rs e to nt h es u r f a c eo fs k i nf i n a l l yp i c k su pt h e s es e r i e so fe l e c t r i c a l p o t e n t i a l s t h es i g n a l sw h i c ha r eg o tb yt h ee l e c t r o d ed e t e c t o rb o mi nt i m ea n ds p a c e c o m p o s et h es e m g a tf i r s t ，w eh a v ec o m p a r e dt h ei n f o r m a t i o ns o u r c e so f h u m a n - m a c h i n ei n t e l l i g e n t s y s t e m a r t i f i c i a lh a n dc o n t r o la n dh a v ef o u n dt h a tt h es e m gi sb e t t e rt h a no t h e r i n f o r m a t i o ns o u r e c so fh u m a n - m a c h i n ei n t e l l i g e n ts y s t e mc o n t r 0 1 w eh a v ea n a l y z e d t h ec r e a t i o nm e c h a n i s mo fs e m g , a n dh a v es t u d i e dt h ea n a l ) 7 s i sm e t h o d sa n d c o m m o nm o d e l i n gm e t h o d so fs e m q b a s e do nt h i s ，w eh a v ed e v e l o p e dt h ep r o c e s s i n ge l e c t r i c a lc i r c u i to fs e m g i i n c l u d i n go fp r e a m p l i f i e rm o d u l ew h i c hi sm a d eb yi n s t r u m e n t a la m p l i f i e ri n a l 2 8 ， b a n d p a s sf i l t e rm o d u l ea n d5 0 h z s h i e l d e dm o d u l e a n dw eh a v eb u i l tas i g n a l a c q u i s i t i o ns y s t e mw i t ht h ed a t aa c q u i s i t i o nc a r dp c i 9 1 1 la n dt h ev i r t u a li n s t r u m e n t s o f t w a r el a b v i e w w i t ht h i ss y s t e mw eh a v ea n a l y z e dt h es e m go fu p p e rl i m b s 1 1 埒r e s e a r c hr e s u l t si n d i c a t et h a ts e m oc a l lb eb u i l tt oam a t hm o d e la sag a u s s c o u f s ew i t hz e r om e a nv a l u ea n dc o n t r o l l a b l ev a r i a n c e02 f i n a l l yw em a d et h es e m ga st h ei n f o r m a t i o ns o b r c eo fh u m a n - m a c h i n e i n t e l l i g e n ts y s t e m - a r t i f i c i a lh a n dc o n t r o l ，a n dh a v ed e v e l o p e dt h ep r o t o t y p ea r t i f i c i a l h a n dw h i c hi sd r i v e nb ys t e pm o t o r 硼1 ea r t i f i c i a lh a n di n t e g r a t e das e to ft a c t i l e 鲫i $ o i si sc o n t r o l l e db ym p u a t m e g a 8 i nt h ee x p e r i m e n t ，w ea d o p tt h et h r e s h o l dc o n t r o lm e t h o d ，u s i n gt h ev a r i a n c eo f s e m oa st h ec o n t r o li n f o r m a t i o nt oc o n t r o lt h ea r t i f i c i a lh a n d w ed e s i g n e ds o m e e x p e r i m e n tt oc o m p l e t et h ee a s yf u n c t i o no f t h ea r t i f i c i a lh a n d , w eh a v ea c t u a l i z e dt h e c o n t r o lo ft h ea r t i f i c i a lh a n db a s e do nh u m a n sc o n s c i o u s n e s s w eh a v em a d et h e f o u n d a t i o nf o rs e m g su s i n go nm o r eh u m a n - m a c h i n ei n t e l l i g e n ts y s t e m k e yw o r d s ：s e m c h u m a n - m a c h i n ei n t e l l i g e n ts y s t e m , i n f o r m a t i o ns o b r c , e so fc o n t r o l ， t a c t i l es e n s o r , t h r e s h o l dc o n t r o la r t i f i c i a lm m - 錾兰奎耋矍：兰篓丝三 学号2 鲤! 塑z 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝鎏盘生或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：察击风签字日期：“年彳月加日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘姿盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。本人授权逝望盘壁可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：蒸去j 足 签字日期：加f 年月。日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：中z 遗钾b 通讯地址： 一名：扔曼啤 签字日期；加6 年月fv 日 电话：i 了7 1 7 r o 邮编： 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景与意义 人们在1 8 世纪就发现了肌电信号，而后一直对其进行研究应用。肌电信号 可以用于i 临床诊断，帮助诊断中枢神经、外围神经及肌肉病变，侦测病变的性质 ( 区分神经病变或肌肉病变) 、位置( 神经根、丛、或外围神经病变) 及严重度， 以协助正确临床诊断、选择治疗方式，及评估效果与预后。可以应用于体育科研 领域，通过检测运动员运动时的表面肌电信号，及时反映出肌肉的疲劳和兴奋状 态，有助于建立科学的训练方法，当然也能为大众提供健康的锻炼身体的方法。 对于我们机械来说，肌电信号可以作为控制信息源应用于人机智能系统，比 如外骨骼，假肢等系统，使系统能够根据人的意识动作。 我们人机智能实验室已经成功开发了上肢和下肢的外骨骼系统，但其控制尚 不能真正的根据人自身的意识去实现。而表面肌电信号是大脑发给神经系统的运 动信号在皮肤表面的一个体现，如果我们能够成功提取肌电信号，靠人的意识去 控制将会成为现实。 另外，在中国，有7 5 5 万肢残残疾人，需要安装假肢的约4 5 万，而其中上 肢肢残者约占了1 3 之多，而在全世界有数百万上肢肢残人员需要安装假肢。 失去上肢的主要原因来自战争、疾病和意外事故。目前市场上的假肢很多是为了 美容，而实用的假肢手中又很少能按照人的意识去控制，这给假肢手的智能化带 来了很大的不便。如果我们能将反映人的意识的表面肌电信号应用于假肢手当 中，将能很好的解决这个问题。 使用表面肌电信号的前提是对表面肌电信号进行采集处理。而目前，人们对 表面肌电信号的研究大都借助于价格昂贵的肌电图仪，这使得肌电信号不能够普 及应用于人机智能系统当中。因此，本文着手开发廉价实用的肌电信号处理系统 是很有意义的。 本文旨在开发一套肌电信号采集处理系统，并将其运用于典型的人机智能系 统假肢手系统中。目前，国内虽然开发出了肌电假肢手，但是准确度不高， 由于上面没有触滑觉传感器，因此没有感觉功能，只能靠截肢者的视觉来判断， 这大大阻碍了假肢手的智能程度。本文为假肢手开发了一套简单有效而且价格低 廉的触滑觉传感器，提高了假肢手的感觉功能和智能化，使假肢手运动更加自主。 浙江大学硕+ 学位论文 1 2 肌电信号研究的发展过程 表面肌电信号( s e m g ) 是由多个运动单位兴奋而发放出来的运动单位动作电 位序列沿肌纤维传播并经由皮肤、脂肪构成的容积导体滤波后在皮肤表面检测电 极处的时间和空间上综合叠加的结果。 肌肉收缩时能产生电，这是早就为人所知的事情。 早在1 7 9 1 年加伐尼( g a l v a n i ) 就通过一系列蛙类的肌肉收缩研究，证明肌肉 的收缩与电有密切关系，他的研究可以认为是人类对肌电的最早认识。 至u 1 8 5 1 年法国的杜波依斯一雷蒙德( d u b o i s r e y m o n d ) 最先检测到人体肌肉自 愿收缩时能产生电信号。 1 9 0 7 年派帕( p i p e r ) 利用弦线检流计记录到人臂肌肉的电势差。至u1 9 2 2 年加 塞( g a s s e r ) 和厄兰格( e r l a n g r e ) 才用阴极射线示波器观察到了肌电图( 图1 1 ) e l e c t r o m y o g r a p h ，并由此获得1 9 4 4 年的诺贝尔奖。 2 j 、 ( 羔 o - 2 , 6 、 o = 【工】 吣蝴奸蝴冲蚋l 扣黼瞄9 卿蝉槲蜊 6 0 01 9 0 01 6 0 0 2 0 0 0 时间，m s 收缩程度较弱 收缩程度较强 图1 1 人体表面肌电图 2 0 世纪中叶以来，随着电子技术的发展、电子计算机的出现和迅猛发展以及 神经肌肉生理学研究的进展，新的检测和记录技术已经使人们可以对肌电信号和 神经肌肉功能进行极为细致的研究。复杂的信号处理与分析技术的出现和微处理 器的引入使得肌电信号的定量分析成为可能。这些都使肌电检测更加敏锐、可靠， 浙江大学硕士学位论文 并且可以实现某种程度的可复现性。这为肌电信号检测处理的广泛应用开拓了良 好的前景m 。 1 9 7 5 年格劳普( g r a u p e ) 提出采用a r 参数模型法进行肌电信号功能分离，另 外有代表性的方法还有s a r i d i s 的肌电模式分析与分类法，h o g a n 的最优估计方 法，p a r k e r 的模式分类方法等。 8 0 年代末至9 0 年代初，人工神经网络( n e u r a ln e t w o r k ，n n ) 被引入用于e m g 识别。n n 能在输入输出缺少清晰数学解析分析的情况下，实现输入输出的非线性 映射，这正是e m g 运动识别所需要的分类器性能。 9 0 年代末，模糊逻辑被应用于识别上。它或者独立组成，称为模糊分类器， 或者与神经网络相结合，构成模糊神经网络分类器，其分类效果较n n 有稍微的提 高。 目前，一些研究将分形理论、模糊逻辑、基因算法、盲信号处理等理论用于 肌电信号的处理，也取得了一定的成果。 1 3 人机智能系统控制信息源研究 在人机智能系统的开发过程中，人们一直在寻求不同的控制信息源来进行控 制。由于本文最后将把肌电信号应用于典型的人机智能系统假肢手系统，下 面我们从假肢手的控制信息源出发，分析一下目前人们研究的一些主要的控制信 息源，以选择最好的人机智能系统控制信息源： ( 1 ) 以身体的机械运动作为控制信息源 这种上肢假肢也称为机械牵引式假肢，它的控制思想主要是利用患者残存的 运动功能，通过传动装置触发相应的开关进行控制。截肢患者残端肌肉的收缩 舒张和膨起，健肢部位如胸部的扩张、肩膀的提升下垂及外展内收、腕的旋转、 肘的屈伸，甚至头部的运动、眼睑的眨动等都可以用做假肢驱动的信息源。 a g h i l i 等0 1 人通过测量病人的未受损肩关节的运动角度，建立关节运动角度 的闭环曲线与所进行动作的关系映射，再通过判别函数来确定肘关节和腕关节的 角度矢量，从而实现特定功能的运动控制。 这种类型的上肢假肢可靠性高，鲁棒性好，但它所能实现的控制任务非常简 单，加之残肢对人脑指令反应的迟钝，使得灵活性不高，不适合用作高正确度且 组合性强的信息源，不适合用于开发高效多自由度假肢。 ( 2 ) “再造手指”作为控制信息源 在残肢者的残臂端上再造一个“指”，用以作为能够准确传递人脑运动信息 的信息源m 。其方法是：患者经全身麻醉后，应用显微外科手术，将第二足趾带 血管地移植到右前臂的残端上。当“再造手指”成活后再进行康复功能训练，然 后用物理学方法( 如温度、压力、位移) 将控制信息转化为操作指令实现对假假 浙江大学硕士学位论文 手的准确控制。 然而患者安装这种假肢时不得不承受着手术痛苦的风险，所必须的显微外科 技术也限制了它的推广应用，术后所需的康复期较长。另外，单个再造指所能表 达的信息量非常有限，难以迅速及时地传递大脑复杂的指令。当自由度增多时， 编码的位数也随之增多，这不仅给息者的熟练掌握带来了困难，而且降低了系统 的稳定性及动作的准确度。 为了尽量减少患者的痛苦，尝试采用“局部带血管神经肌与或键移植构成 控制信号源”的研究正在进行中，以使之能够代替“再造手指”准确传递大脑指 令。 ( 3 ) 以声音作为信息源 声控型假肢在帮助截瘫病人恢复运动功能方面具有无可比拟的优越性。利用 患者的声音信息，通过数字处理技术( d s p ) ，将其转化为相应的控制指令。 声控技术在假肢上的应用也已迈出实验阶段，开始走向市场。如 u d a y a s h a n k a r a 等8 1 设计的简单语言指令假肢控制系统，当指令中词语的数量增 多时，还可以对系统进行编程以完成更多的功能。 它的不足之处在在于平时患者与他人的交流也可能导致假肢产生误动作。另 外，如何提高声控假肢的抗环境噪声能力，也是该类假肢的一个亟待解决的问题。 ( 4 ) 以肌腱作为控制信息源 在假手的控制中，通过与运动相关的肌腱作为控制信息可能是一种更为直接 的方法，因为手指的运动是由肌腱直接驱动的。残肢中的肌腱在自主运动时，会 使感受器中的压力产生变化，这样，压力差就可作为触发手指以及指掌关节运动 的控制信号。实验表明，这种驱动系统非常适合于手指的运动机制，而且可以产 生较大的握力。 与手指运动相对应的四个屈肌腱和与大拇指运动相对应的伸肌腱是最常采 用的控制源。r o c h e l 等”1 也对采用与此相对的四个伸肌腱和大拇指的屈肌进行运 动控制作了尝试。g o t t s a u n e r 等“1 则通过外科手术将肌腱与假肢驱动器连接在一 起通过感觉肌腱的运动来直接驱动假手动作。 对于那些愿意冒额外手术的风险、接受它作为永久性皮肤组织的患者而言， 这种方法为增加假肢控制的灵敏度提供了可能。但这种方法需要肌腱完整未受损 坏，否则对假肢的控制就有可能失效。另外，关节位置的改变( 如手腕旋转所引 起的角度变化) 很容易影响肌腱力的分布，从而产生误动作。最后，肌腱的这种 简单往复运动不足以满足多自由度假手的需求，不适合开发高效多自由度假肢的 信息源。 ( 5 ) 以脑皮电( e e g ) 作为控制信息源 e e g 本质上是中枢神经系统工作过程中神经和突触所产生的电噪声，是进行 4 浙江大学硕士学位论文 脑功能研究和医疗诊断的强有力工具。1 9 7 9 年，p f u r t s e h e l l e r 等“1 发现，运动 时脑皮层对应神经元的活动会产生各向异性( d e s y n c h r o n i s a t i o n ) ，从而导致e e g 信号发生细微的变化。进一步研究还发现，脑皮层的运动相关电位的频谱与自主 运动之间存在某种密切的相关性。如果能够建立e e g 活动和自主运动之间的对应 关系，那么脑皮层就可以与外界进行信息交换，基于e e g 控制的假肢就能够成为 广大截瘫患者的福音。 基于上述思想，m e d l 等0 1 利用h i l b e r t 变换对运动功能区的e e g 信号进行处 理，然后选择包络特征和频率特征，利用学习矢量量化技术成功的预测了上臂运 动。p f u r t s c h e l l e r 等“”设计了一种脑一计算机接口装置( b c l s ) ，能够根据使用 者想象的运动来分析识别手指运动，准确率约7 0 ，并且可以区分左手和右手的 想象运动。r o b e r t s 等“”给出了一种基于一通道差分e e g 信号的更快速和更精确 的实时b c i s 接口系统，检测到的e e g 信号通过一个8 阶a r 模型和贝叶斯逻辑分 类器对所得到的数据进行分类，控制鼠标的上下运动，整体性能达8 2 。 利用从头皮记录的脑电( e e g ) 活动作为信息源，不需要神经肌肉控制，这样 即使最严重的残疾患者也能够使用，而且电刺激不会对脑电信号的记录产生影 响。然而脑电过程是非常复杂的，目前对它的研究还只限于开发简单的脑机接口 装置。在构造一个完全由脑电控制的假肢系统上还有赖于脑科学研究的巨大突 破，尚有很长的路要走。 ( 6 ) 以脑磁作为控制信息源 肌肉与神经体内的电流会产生外部磁场，如心磁、脑磁等。关于生物磁的第 一次可靠的实验测量是在1 9 6 3 年由b a u l e 和m c f e e 完成的，他们用两个并排的 线圈( 梯度计) 第一次记录了心磁。几年后，w i l l i a m s o n 等证实，使用二阶梯度 计可以在背景噪声较强的环境( 如市区) 且无磁屏蔽的条件下，测量出脑磁信号， 从而促进了生物磁学的发展。 可以确信，脑磁与人体运动之间一也必然存在某种相关性，原因在于：人体 的活动都是由神经系统发放的冲动实现的。不同的运动理应对应不同的神经冲动 模式，从而产生不同的电场和磁场。发展脑磁控制假肢的思路可以借鉴e e g 假肢， 即在脑磁信号和假肢控制指令之间建立起合理的映射关系。然而，由脑磁的复杂 性，人们对它的认识刚刚起步，对它的研究尚停留在脑外科手术内重要功能区域 的确定，脑功能性不足的病理评估等。将其应用于假肢控制也只能认为是一种可 行的控制信息源，目前国内外尚无此类应用实例。 ( 7 ) 以神经活动作为控制信息源 肌肉的运动是由神经控制的，因此神经信号也是一种可行的控制模式。现代 神经生理学的研究发现，神经系统具有可塑性，不仅表现为对外界各种刺激有强 烈的补偿与适应能力，更重要的是在结构与功能上具有损伤后修复或重建的能 力。另外，神经的电生理活动不仅不受人体疲劳程度的影响，重复再现性高，而 且神经信急传递时彼此之间互不干扰，具有极佳的清晰度。 w a n 等“2 1 提出了把人体上肢神经信号转化为控制指令来控制假肢的思想。目 前对神经的电生理活动研究己取得了一定的成果。 然而，神经假肢的开发不仅仅涉及到运动信息的解码问题，对神经活动的长 期稳定记录、理想的人机接口、合理的控制器设计都是必不可少的。神经活动作 为控制信息源也有很长的路要走。 ( 8 ) 以肌电( e m g ) 作为控制信息源 肌电假肢的信息源来自残肢肌肉发放的动作电位。肌电假肢主要通过对e m g 信号的分析，提取反映运动意愿的有效特征，从而建立特征矢量与运动空间的映 射关系来实现控制功能的。它能够更有效的反映肢体的运动信息，不仅受到患者 的青睐而且拥有广阔的市场，而且也成为上肢假肢研究中的一个热点。 肌电控制的最大特点之一是自主控制。只有当残肢者利用自己的肌肉的自主 收缩想让肌电控制系统工作时，它才能工作。这样假肢就会免于外界因素、假肢 位置或身体位置移动的影响，这就可能使残肢者学会以生理方式控制假肢。因 此，肌电假肢的最大优点是利用残存肌肉系统以生理方式控制假肢的运动功能 另外，安装假肢最多的是肘下截肢者，可以利用前臂的屈肌控制假手的闭台，通 过伸肌控制假手的开放。这与真手的控制相似，因此，这种控制方式具有直观、 自然、易学的特点。 当截肢患者的残肢太短，或者因瘫痪而导致肌肉姜缩时，就不能提供足够的 肌电假肢所需要的控制信息。同时，肌肉的疲劳、电极位置的改变、肌电信号的 训练、体重的波动都会使肌电信号的特征值发生变化，造成多自由度肌电假肢的 控制准确度难以提高。 综合比较上述控制信息源，以身体的机械运动作为控制信息源所能实现的控 制任务比较简单，不能满足现代假肢日益复杂的动作要求；以声音作为控制信息 源，难免会受到周围声音的干扰，而且词语增多时，准确率就大大下降；“再造 手指”和肌腱作为控制信息源，截肢者又要冒很大的手术风险；而脑电和脑磁目 前还都处于初步研究阶段，不适合用于实际人机智能系统的控制；而表面肌电信 号作为控制信息源，技术相对成熟，又利用人本身的生理方式去控制，直观自然 易学，而且能实现自主控制，目前是一个比较理想的控制信息源。 1 4 国内外相关研究进展 从发现肌电信号之后，人们就一直对其进行研究应用，目前肌电信号主要应 用于以下几个方面：临床诊断方面，体育科研方面，人机智能系统方面等。下面 6 浙江大学硕士学位论文 论述其研究的进展。 一、肌电信号应用于临床诊断m l 肌电诊断是利用神经及肌肉的电生理特性，以电流刺激神经记录其运动和感 觉的反应波；或用针极记录肌肉的电生理活动，来辅助诊断神经肌肉疾患的检查。 肌电诊断检查基本上包括三大部份：神经传导检查、针电极肌电图检查、诱发电 位检查。临床上借着上述检查可帮助诊断中枢神经，外围神经及肌肉病变，特别 是对于下运动神经元、神经根、神经丛、神经肌肉接点，乃至肌肉的各种异常。 神经传导检查及针极肌电图检查均可帮助侦测病变的性质( 区分神经病变或肌 肉病变) 、位置( 神经根、丛、或外围神经病变) 及严重度，以协助正确临床诊 断、选择治疗方式，及评估效果与预后。 神经传导检查是以电极刺激受测神经，而在其支配的感觉神经或肌肉上记录 电位，以得到感觉神经电位波、复合肌肉动作电位波、及特殊反射的电位波。检 查方法是以超大电量刺激来刺激受测神经( h 反射例外) ，以使该神经所有轴突均 同时兴奋，而得到一最大反应波，根据此最大反应波之传导潜期，振幅，表面积， 及传导速度，再与正常值作比较，可以帮助区别神经的轴突病变或髓鞘病变。针 极肌电图检查是利用针极刺入肌肉，记录其各种状态下的电位活动，再经由多条 肌肉的检查来判定神经、肌肉病变的特性，部位及范围和严重度。 二、肌电信号应用于体育科研方面： 肌电信号在体育科学研究上主要集中在对肌肉力量和肌肉疲劳的研究上。现 在，表面肌电信号已经广泛应用于有关肌肉反应时研究、肌肉活动的功能分析、 肌肉闯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、协调性研究等等。通过检测运动员运动时的表面肌电信号，及时反 映出肌肉的疲劳和兴奋状态，有助于建立科学的训练方法。具体体现在如下几个 方面： 1 关于肌力与肌电关系的研究 用e m g 研究肌肉张力与肌电振幅之间的关系很早就已开始，肌肉收缩强度加 大，肌电图的幅度增加，这个现象早已被人们认识到。但对肌电的定量测量和分 析存在较大误差，肌电图分析技术仍无法满意地用于定量分析。 2 关于肌肉疲劳时振幅和频率变化的研究 在完成相同负荷的工作状态下，肌肉疲劳时肌电的振幅增值增加。 3 肌纤维类型的研究 快肌纤维成分高者，平均功率频率( m p f ) 较高，疲劳时，下降明显：而慢 肌纤维成分多者下降不明显。 4 肌肉活动类型的研究 7 浙江大学硕士学位论文 通过肌电图的幅值和频谱特征，可以判定肌肉处于什么样的工作状态中。 5 测定人体活动的反应时、运动时和电机械延迟 一般来说快肌纤维的电机械延迟比慢肌纤维的要小，疲劳前要比疲劳后小。 6 研究肌肉活动的协调程度 训练程度较高的运动员在完成相同动作时，肌肉放电整齐，并且有一定的 规律性，而不会出现多余的肌肉放电现象。 7 进行生物回援和心理状态调整训练 当人体情绪的紧张或者焦虑时，必然会伴随着人体肌肉活动异常现象，我 们可以正常以人的肌电活动状态为依据，或利用肌电图来控制对紧张或者焦虑 运动员进行生物回援和心理状态调整训练。 三、肌电信号应用于人机智能系统： 在人机智能系统中，目前肌电信号主要应用于外骨骼和假肢等系统当中“”。 肌电信号能够反映人的意识，用于人机智能系统中能大大提高系统的自主程度， 并且能够使该人机智能系统真正按照人的意识去动作。 在外骨骼系统中，日本筑波大学的山海嘉之( y o s h i y u k is a n k a i ) 教授所领 导的c y b e r n i c sl a b 开发的 l a l 一3 ( h y b r i da s s i s t i v el i m b ) 及后来的产品“”， 成功应用表面肌电信号作为反馈控制信号，调整外骨骼的力矩，完成助力的目的。 该研究提出了运用相序控制的辅助运动方法以及运用肌电信号控制的辅助 力矩控制方法，靠使用类人机器人装置眦l 一3 分别提供辅助动力在辅助力矩控制 中，使用反馈控制器来调节辅助力矩。动力辅助效果通过辅助率来估测，它是基 于辅助行走过程中的产生的肌电信号的一个量，通过设计反馈控制器以保持辅助 率。这个控制方法的实质是根据操作者的意图来实现合适的辅助动力。 图1 2 h a l 3 和h a l - $ 8 浙江大学硕七学位论文 图1 2 左图所示为卧l 一3 是套下肢装，专门设计来帮助下肢残障者或是老人 们，能更方便地进行日常生活中的许多动作，像是走路、上下楼梯等等。在2 0 0 5 年日本爱知世博会上展出了h a l 一4 和h a 卜5 的原型，这些机型不但能帮助使用者 走路，使用者穿戴上这种装置，就能提起比原本所能负荷还要更重4 0 公斤的东 西。目前，山海教授成立的公司已经实现了i a l 的商业化，售价约为1 4 0 0 0 美元 到1 9 0 0 0 美元。 在假肢系统中，目前肌电信号主要应用于假肢手，作为控制信息源，实现假 肢手根据入的意识实现相应的动作。 1 9 4 5 年德国的r e i h o l dr e i t e r 对肌电控制理论进行了基础研究，并发表了肌 电控制假肢的实验研究结果。1 9 4 8 年r e i h o l dr e i t e r 研制成功世界上第一只肌电 控制假手，用一块肌肉控制它的张开和闭合，是第一个单点控制( s i n g l e s i t e c o n t r 0 1 ) 的范例。r e i t e r 的假手在1 9 5 9 年的布鲁塞尔世界博览会上引起轰 动。1 9 6 0 年，k o b r i n s k 等“”人设计的肌电假手在苏联第一次应用于临床，1 9 6 5 年h s e h m i d l 在法兰克福的联邦骨科技术职业学校研制出第一只真正实用的肌电 控制假手。二十世纪六十年代，德国o t t o b o o k 公司致力于开发一种符合机械和美 容要求的电子假手，该公司于1 9 6 5 年生产出了第一个商品化的假肢手。 现在，德国o t t o b o c k 公司研制的自动s u v a 感应手( 图1 3 ) 1 6 jp 通过肌电信 号的强弱来控制手的张、合速度，使抓取动作简单、自然，智能型肌电假手通过 肌电信号的大小控制假手的握力和运动速度。 图i 3 自动s u v a 感应手 近年来，国内也对基于肌电信号控制的假肢手系统进行了研究，但距离商品 化还有一段距离。目前存在功能比较简单，感觉功能缺乏，可靠性不高等问题。 本文在对肌电信号进行应用研究时开发一套假肢手试验平台，增加了感觉系统， 并完成了相应的实验。 9 浙江大学硕士学位论文 1 5 本文研究内容 本文首先分析了肌电信号研究的背景和意义，论述了肌电信号研究的过程， 通过分析典型人机智能系绕假肢手系统的控制信息源，发现目前人机智能系 统应用中，表面肌电信号是比较理想的控制信息源。我们学习了肌电信号的产生 机理，研究了肌电信号的分析方法和数学模型建立方法，而后开发了一套肌电信 号处理系统，并用其对上肢肌电信号进行了分析研究，证明了所开发肌电信号处 理系统的正确性。最后我们将表面肌电信号处理系统应用于典型人机智能系统一 假肢手系统。本文设计出一个电机驱动的假肢手，并且为其开发了触滑觉传感 器，设计了基于单片机的驱动控制系统，设计实验，对系统进行调试。 本文的研究内容主要分四个部分： 一、肌电信号的分析研究。包括：肌电信号的机理研究，肌电信号的研究方 法，肌电信号的数学模型建立。 二、肌电信号处理系统开发。包括：肌电信号处理电路设计，肌电信号处理 电路测试，基于l a b v i w 的肌电信号采集系统设计，对上肢肌电信号的实验研究。 三、典型人机智能系统假肢手设计。包括：假肢手结构设计，触滑觉传 感器的设计研究。 四，基于肌电信号的假肢手控制实验。包括假肢手电机驱动方案设计，单片 机控制电路设计，控制算法研究，假肢手样机联调。 其中肌电信号处理电路要求很高的抗干扰能力，因为肌电信号为微伏级信 号，很容易淹没在噪声之中，这对肌电处理电路提出了较高的要求。所开发的光 电式触滑觉传感器系统更是第一次运用到假肢手这个领域当中。 1 6 本章小结 本章首先论述了肌电信号的研究背景和意义，然后阐述了人们对肌电信号的 认识过程，研究了目前典型人机智能系统假肢手的一些主要控制信息源，发 现表面肌电信号是一种比较理想的人机智能系统控制信息源，本文将对其进行研 究，并将其应用于我们开发的假肢手系统当中。最后对目前肌电信号的相关研究 进展进行了研究。 1 0 第二章肌电信号处理的理论分析研究 2 1 引言 在进行肌电信号处理之前，我们首先需要了解肌电信号是如何产生的，它到 底是一个怎样的信号，然后我们还需要掌握一些肌电信号分析处理方面的理论知 识。下面我们就对这些内容分别进行研究。 2 2 肌电信号的产生机理研究 骨骼肌是人体运动系统的主要组成部分，人在生活和劳动中所进行的各种形 式的躯体运动都是以骨骼肌的活动为基础的。肌体的运动需要完整的神经系统和 骨骼肌功能，骨骼肌纤维是运动单位的最终效应器，它具有兴奋性和收缩性，在 大脑中枢神经系统的调控下，骨骼肌的各块肌肉相互协作配合将兴奋( 收缩) 作用 于骨酪，产生了人体各部分的协调运动，同时肌肉细胞上会产生电位的变化，即 肌电信号嘲。具体过程如下： 图2 1 表面肌电信号的产生 肌电信号发源于作为中枢神经一部分的脊髓中的运动神经元。运动神经元的 细胞体处在其中，其轴突伸展到肌纤维处，经终板区与肌纤维耦合( 是生化过程 浙扛大学硕士学位论文 性质的耦合) 。与每个神经元联系着的肌纤维不只一条。这些部分合在一起。构 成所谓运动单元。肌肉的运动是受意识控制的，当大脑发出兴奋并向下传导后， 中枢神经系统的运动神经元的胞体和树突在来自突触的刺激下，产生电脉冲( 动 作电维) ，此电脉冲沿神经元的轴突传导到末梢的神经与肌肉的接点，当运动神 经接触到肌肉时，其轴突分枝到许多基纤维上，每一分支终止在肌纤维上形成突 触口q 做运动终板，如图2 1 。传导到轴突末梢的动作电位使神经与肌肉的接点释 放化学物质乙酞胆碱，乙酞胆碱使运动终板的离子通透性发生变化产生终板电 位，此终板电位又使肌细胞膜达到去极化阈值电位，产生肌纤维的动作电位，并 沿着肌纤维向两方传播，引起了肌纤维内的一系列变化，便产生了肌纤维的收缩， 大量肌纤维收缩产生肌肉力。由此可见电信号( 肌纤维的动作电位) 的传播导致了 肌肉收缩，同时传播中的电信号在人体软组织中引起电流场，并在检测电极间表 现出电位差，即肌电信号。 各肌纤维在检测点上表现出的电位波形，其极性与终扳和检测点的相对位置 有关，又和纤维与检测点问的距离有关，相距愈远，幅度愈小。各肌纤维在检测 点间引起电位的总和构成运动单元的动作电位( m u a p ) 。由于轴突上的电发放是 脉冲序列，因此检测点间引起的也是动作电位的序列( m u a p t ) 。最后，生理肌电 图则是许多运动单元产生的m u a p t 的总和。以上就是形成生理肌电信号的基本过 程。 图2 2 神经一肌肉系统组成框图 总而言之，肌肉的收缩运动涉及到的是以物质能量代谢为基础的、具有反馈 自动调节功能的、复杂的神经一肌肉系统，其组成框图见图2 2 。用表面电极收 集到的多个肌纤维的动作单位必定包含整个系统其他部分的信息，如当大脑意识 发出的命令改变时，肌纤维的收缩程度也将变化，在大脑兴奋引起肌肉收缩躯体 运动的过程中，由于兴奋的程度不同，导致神经纤维发放兴奋电脉冲的频率不同， 引起肌纤维收缩的数量也不同。而且在不同的肌肉运动模式中，所动用的肌群也 不同，而在检测电极间所募集到的肌电信号则是各个运动肌群中的各根肌纤维的 运动电位在检测点引起的电位总和。因此可知，不同的肌肉运动模式是由不同的 浙江大学硕士学位论文 肌群收缩产生的，其所伴随的表面肌电信号是不同的，完全有可能从不同的表面 肌电信号特征中找到对应的肌肉动作模式。 在肌电信号检测中，由于肌纤维被包围在容积导体中，因此可以从肌纤维外 引导出肌电电位。由于组成单一运动单位( s i n g l em o t o ru n i t ) 的各肌纤维都会 产生动作电位，并在其周围产生电场，因此通过容积导体记录到的肌电电位不是 单一肌纤维的电活动，而是具有一定分布的几十乃至几百条肌纤维的电活动。引 导出的肌电是这些肌纤维电场的综合电场，这个综合电场随着肌肉兴奋的传播过 程在每一瞬时均有一定的空间分布，电极记录到的肌电信号正是兴奋的各肌纤维 的电场的空间和时程分布的综合结果。这样引导出的肌电位的幅度、形状、宽度 等波形特征都会受到电极的形状和位置的直接影响。例如，电极离开肌纤维越远， 则波形的幅度越低，而宽度会加大，当采用双极导联时情况就更为复杂。 由于肌肉中动作电位的发放是以单一运动单位动作电位的发放为基础的，当 肌肉轻度用力时，可以只有一个或几个运动单位参与收缩，从而有可能检测到孤 立的单个运动单位动作电位，当肌肉收缩加强时，参与收缩的运动单位的数量增 加，这时检出的肌电信号在某些区域仍可见单个的运动单位动作电位，而有的区 域则电位的发放密集，不能分离出单个的运动单位动作电位，当肌肉强力收缩时， 会出现许多重叠的运动单位动作电位，造成所谓的干扰型波形。在临床上，单一 运动单位动作电位的波形对诊断具有实际意义，因此通过信号处理提取单一运动 单位动作电位波形，并分析波形的特征是一个重要问题，研究人员已提出了提取 波形和自动分析的多种方案。在肌电信号控制假肢和功能性电刺激等应用场合， 往往是从干扰型波形中提取肌电信号特征，由此发展了多种信号处理技术和方 法。 肌电信号是一种极微弱电信号，信号幅度在i 0 0 5 0 0 0 ，针电极记录的肌 电信号的频带为5 - 1 0 0 0 h z ，采用表面电极时肌电信号的能量主要集中在1 0 0 0 h z 以下，波士顿大学神经肌肉研究中心发现利用双极型模型得到的肌电频谱分布在 2 0 5 0 0 h z ，绝大部分谱集中在5 0 - 1 5 0 h z 之间。表面肌电放大器的频带一般设置 为l o - 5 0 0 h z ，针电极肌电放大器的频带一般设置为2 0 1 0 0 0 h z 1 。 2 3 肌电信号的分析方法研究 肌电信号是一种随机信号，不能拿来直接使用，这就要求我们先要对其进行 分析，而后再应用。从发现肌电信号开始，人们就不断地研究肌电信号，已经取 得了很多成果，下面我们研究一下肌电信号一些主要的分析方法： 一、平均值叠加法滔1 如果测试的动作能够重复完成时，经常采用多次重复测试来获取某一变量的 浙江大学硕十学位论文 平均变化，也即平均模式。平均模式能更好地反映运动时的各个变量的真实情况。 通过几次重复采集同一动作获得的肌电图，再进行肌电信号的平均叠加，将会得 到反映这种动作的平均变化的肌电信号，这样做的好处在于那些不能重复出现的 肌电信号，在叠加中削弱了影响，而那些出现频率比较高的肌电信号，却能得到 加强，这样使采集到的肌电信号能更加接近真实肌电活动情况，减小了干扰或噪 声的影响。 二、时域分析方法 时域分析是将肌电信号看作时间的函数，通过分析得到肌电信号的某些统计 特征，如对肌电信号进行整形、滤波，计算信号的积分肌电值( i n t e g r a t e de m g ， i e m g ) 、方差( r o o tm e a ns q u a r e ，r m s ) 、幅值的直方图、过零次数、均方值、三 阶原点矩或四阶原点矩，将其作为信号特征用于模式分类。除了方差能代信号的 能量，大多数没有明确的物理意义。由于表面肌电信号比较微弱，往往淹没于各 种频段的噪声之中，信号的时域特征难以提取。 h r i e m g = i f e m g ( t ) f 斫 ( 2 1 ) 嬲：b 弛：o h 1 2 伢z ) r m s 代表肌电信号能量的大小，常用于肌电假肢的阙值控制。 三、频域分析方法 传统的谱分析方法是通过傅立叶变换将时域信号转换为频域信号，对信号进 行频谱或功率谱分析，常用快速傅立叶变换( f r r ) 。表面肌电信号的功率谱分析 广泛应用于肌肉疾病诊断和肌肉疲劳的检测。如b a s a n o l 等啪1 用基于i n t e l 2 9 2 0 的微处理器系统实现在线表面肌电信号f f t 频率分析，用于监测肌肉疲劳。表 面肌电信号在频域常用的指标是平均功率频率( m e a mp o w e rf r e q u e n c y ，m p f ) 、 中位频率( m e d i a nf r e q u e n c y ，m f ) 、频率范围、最高波峰频率、最高波峰幅值。 频域分析方法在表面肌电信号的检测与分析中，具有重要的应用价值，但传统的 傅立叶变换法也存在一定弊病。使用傅立叶变换研究信号时，要求获得信号在时 域的全部信息，甚