連續(xù)物流信號(hào)采集方法研究畢業(yè)論文.doc

杭 州 電 子 科 技 大 學(xué)畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （ 論 文 ） 文 獻(xiàn) 綜 述畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目 假手控制用肌電信號(hào)采集處理及識(shí)別方法研究文獻(xiàn)綜述題目表面肌電信號(hào)的識(shí)別與應(yīng)用 學(xué)院專 業(yè) 姓 名 班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)教師表面肌電信號(hào)在狀態(tài)識(shí)別中的應(yīng)用前言1表面肌電信號(hào)研究的價(jià)值表面肌電信號(hào)是從皮膚表面通過(guò)電極引導(dǎo)、記錄下來(lái)的神經(jīng)肌肉系統(tǒng)活動(dòng)時(shí)的生 物電信號(hào), 它與肌肉的活動(dòng)狀態(tài)和功能狀態(tài)之間存在著不同程度的關(guān)聯(lián)性, 因而能 在一定的程度上反映神經(jīng)肌肉的活動(dòng), 在臨床醫(yī)學(xué)的神經(jīng)肌肉疾病診斷、人機(jī)工效學(xué) 領(lǐng)域肌肉工作的工效學(xué)分析、康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的肌肉功能評(píng)價(jià)以及體育科學(xué)中的疲勞判 定、運(yùn)動(dòng)技術(shù)合理性分析、肌纖維類型和無(wú)氧閾值的無(wú)損傷性預(yù)測(cè)等方面均有重要的 實(shí)用價(jià)值1。通常,從相應(yīng)屈伸動(dòng)作的肌肉表面皮膚處所測(cè)取的多通道EMG信號(hào),既可 為控制假肢運(yùn)動(dòng)提供一個(gè)安全、非侵入的控制方式,也可用于人類運(yùn)動(dòng)和生物機(jī)械的 研究。2.表面肌電信號(hào)研究對(duì)假肢的影響假肢是康復(fù)工程最早發(fā)展的一個(gè)領(lǐng)域，在過(guò)去的100年中，經(jīng)歷了由初級(jí)階段到高級(jí)階段的過(guò)程。其發(fā)展方向主要是以提高假肢穩(wěn)定性、改善步態(tài)和減少體力消耗為 目標(biāo)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，外部動(dòng)力假肢正在逐漸取代傳統(tǒng)的裝飾性假肢和繩索牽引成為假肢發(fā)展的主流趨勢(shì)。對(duì)外部動(dòng)力假肢的控制方式研究也在不斷發(fā)展，以表面 肌電信號(hào)(surface electromyography,，SEMG)作為控制信號(hào)源控制外部動(dòng)力假肢是康復(fù)工程領(lǐng)域另一個(gè)重要的發(fā)展方向。主題1.肌電信號(hào)產(chǎn)生的機(jī)理 肌電信號(hào)(EMG)是從人體骨骼肌表面通過(guò)表面電極記錄下來(lái)的神經(jīng)肌肉的電生理活動(dòng)信息，它反映了神經(jīng)、肌肉的功能狀態(tài)采集EMG所用的電極有針形電極和表面 電極，現(xiàn)在在假肢上應(yīng)用的理想采集方式是表面電極，因?yàn)楸砻婕‰娦盘?hào)具有提取方 便、快捷、無(wú)創(chuàng)傷測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，肌電信號(hào)產(chǎn)生機(jī)制，有各種假設(shè)。目前證據(jù)比較充分， 并且為大多數(shù)學(xué)者所接受的是霍奇 金學(xué)派的觀點(diǎn)。該學(xué)派認(rèn)為：生物電現(xiàn)象的產(chǎn)生主要依賴于細(xì)胞膜在不同條件和刺激 下對(duì)不同離子的選擇性造成的。 細(xì)胞膜的兩側(cè)分別是細(xì)胞內(nèi)液和細(xì)胞外液，主要含有的帶電離子為Na、Ka+、cl-，從宏觀上看溶液中的上I三負(fù)離子所帶電荷是相等的，溶液不帶電。但由丁細(xì)胞膜對(duì)Na+、Ka+、cl-的通透性不同，細(xì)胞內(nèi)液中的鉀離子濃度遠(yuǎn)高丁細(xì)胞外液，而鈉離 子和氯離子的濃度則遠(yuǎn)低于細(xì)胞外液。式(11)是日前較為流行的計(jì)算膜內(nèi)外電勢(shì)差 的戈德曼方程（Goldman equation，Goldman-Hodgkin-Katz equation）（1.1） 式中：F是法拉第常數(shù)(約為9648534SAm01)，R是氣體常數(shù)（約為83l J(mol K)），T是絕對(duì)溫度，P是通透常數(shù)，腳標(biāo)0是細(xì)胞外的離子濃度，腳標(biāo)1是細(xì)胞內(nèi)的離 子濃度。此式是在下列三種假定的條件下推導(dǎo)出來(lái)的：（1）如在溶液中一樣，膜內(nèi) 離子也是在電場(chǎng)和濃度梯度的影響下移動(dòng)的；（2）緊貼膜的細(xì)胞內(nèi)離子濃度和與其 鄰接的溶液中的離子濃度相等；（3）膜內(nèi)的電場(chǎng)梯度是均一的。因此上述方程式亦 稱定電場(chǎng)方程（DEGoldman 1943，ALHodgkin和BKotz1949）。式中的通透 常數(shù)P的定義為RT/F，單位是厘米秒（是離子在膜內(nèi)的移動(dòng)度，是膜和 液相之間的分配率，是膜的厚度）。2.表面肌電信號(hào)采集的干擾在表面肌電信號(hào)采集過(guò)程中出現(xiàn)的干擾信號(hào)會(huì)影響得到電信號(hào)的形狀和聲音，從 而影響判斷。肌電信號(hào)檢測(cè)過(guò)程中可能存在的干擾信號(hào)如下7； l、電極動(dòng)作干擾信號(hào) 肌肉受劍刺激以后發(fā)生收縮時(shí)，皮膚電極的位置相對(duì)移動(dòng)，皮膚出汗、呼吸等，都會(huì) 使皮膚與 電極之間的電阻發(fā)生變化而產(chǎn)生干擾信號(hào)。電極線的移動(dòng)可引起與肌電動(dòng)作類似的干 擾信號(hào)，測(cè)量時(shí)不易鑒 別。因此我們可以在實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，用酒精棉擦凈皮膚，并且將電極貼片牢固的粘貼在 待測(cè)皮膚上，防止電極移位，盡量的減少此類噪聲。2、放大器引入的干擾信號(hào) 放大器中的部件如電阻器、晶體管和集成電路都會(huì)由于通電工作而產(chǎn)生干擾信號(hào)。電 阻元件中電子熱振蕩所產(chǎn)生的干擾信號(hào)，隨電流輸入過(guò)程中阻抗的增加而增加。3、靜電和電磁場(chǎng)干擾信號(hào) 很多電器都會(huì)引起干擾，如空調(diào)、陰極射線的屏蔽、電源以及專用的墻內(nèi)電源輸出口。 被試者坐在沒有接地的椅子上進(jìn)行測(cè)量，也會(huì)加大這種干擾。其他與肌電測(cè)試裝置使 用同一電源的電器也會(huì)引入干擾。解決此類干擾的簡(jiǎn)便易行的方法是改變導(dǎo)線、實(shí)驗(yàn) 者和測(cè)量裝置的方向，尋找最佳位置，使被試者遠(yuǎn)離電源。屏蔽實(shí)驗(yàn)室是解決這類干 擾的最佳方法。4、無(wú)線電干擾 廣播電視和收音機(jī)等裝置都可以引起干擾，解決的辦法是硬件電路的設(shè)計(jì)中使用低通濾波器，在實(shí)驗(yàn)操作中調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)裝置的方位，盡量減少這類干擾。 現(xiàn)狀比較前沿的消除干擾的方法有基于小波域隱馬爾科夫模型的肌電信號(hào)消噪方法11.該方法利用隱馬爾科夫模型對(duì)表面肌電信號(hào)小波分解后的小波系數(shù)之間的相 關(guān)性進(jìn)行建模,運(yùn)用訓(xùn)練模型算法(Expectation-Maximization algorithm,EM 算法) 估計(jì)出該模型的參數(shù),以貝葉斯估計(jì)得到真實(shí)信號(hào)的小波系數(shù),通過(guò)重構(gòu)實(shí)現(xiàn)肌電信 號(hào)的濾波.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法能有效地去除肌電信號(hào)中的噪聲,對(duì)進(jìn)一步的特征提 取和模式識(shí)別創(chuàng)造了良好的條件.3.表面肌電信號(hào)的分析方法特征提取是目標(biāo)識(shí)別中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。一個(gè)識(shí)別系統(tǒng)的識(shí)別能力與特征矢量的選取有著直接的關(guān)系。為了有效的提取相應(yīng)特征 ,應(yīng)首先對(duì) EMG 信號(hào)進(jìn)行深入地分析。近年來(lái),針對(duì)假肢控制、康復(fù)研究,國(guó)內(nèi)外對(duì)表面肌電信號(hào)的研究已引起了越來(lái)越多的人的興趣,如研究表面 EMG 與 EMG 聲音的關(guān)系、EMG 信號(hào)與肌肉力的關(guān)系、EMG信號(hào)與關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩間關(guān)系、肌肉疲勞時(shí)的 EMG 信號(hào)特征及補(bǔ)償方法等等。但就其所利用的理論方法而言,可分為五個(gè)方面:時(shí)域法、頻域法、時(shí)域- 頻域法、高階譜及混沌與分形等5。（1）時(shí)域法：傳統(tǒng)的肌電信號(hào)處理方法是把肌電信號(hào)近似看成服從零均值高斯分布、方差2 與其強(qiáng)弱有關(guān)的隨機(jī)信號(hào)。針對(duì)肌電假肢控制,目前最常用的 EMG 特征有以下幾種:絕對(duì)值積分（iav），過(guò)零點(diǎn)數(shù)（zc），方差（var），Willison 幅值(WAMP)，v 一階和 log 檢測(cè)器(detector)，EMG 信號(hào)的時(shí)序模型，EMG 直方圖。（2）頻域分析EMG 信號(hào)的頻率分析也能提供關(guān)于肌肉某種特征的有價(jià)值信息。如 EMG 功率譜的平均功率(MPF) 和中值頻率(MF) 。實(shí)驗(yàn)表明肌電信號(hào)的頻譜通常在 01000Hz 之間,功率譜最大頻率隨肌肉而定,通常在 30300Hz 之間 。（3）時(shí)頻分析傳統(tǒng)的傅里葉變換只能較好地刻劃信號(hào)的全局頻率特征 ,而幾乎不提供信號(hào)在任何時(shí)域中的頻率信息。因而近年來(lái)時(shí)頻分析方法倍受人們關(guān)注 ,這種方法很適合于對(duì)非平穩(wěn)信號(hào)的分析研究。目前用于表面 EMG 信號(hào)分析的時(shí)頻分析方法主要有短時(shí) FFT 變換等。（4） 高階譜分析傳統(tǒng)的隨機(jī)信號(hào)處理技術(shù)是建立在二階統(tǒng)計(jì)量基礎(chǔ)上的 ,它只能完整反映服從高斯分布的隨機(jī)信號(hào)的概率結(jié)構(gòu)。而當(dāng)肌肉力變化時(shí)實(shí)際的肌電信號(hào)是非平穩(wěn)的,不是高斯型信號(hào),它的相位譜含有豐富的信息。高階譜分析能夠克服傳統(tǒng)處理方法的不足,給出信號(hào)本身更多的信息。（5）混沌與分行混沌與分形理論可用于 EMG 產(chǎn)生機(jī)理的研究。國(guó)外一些學(xué)者已開始利用分形理論來(lái)研究 EMG 信號(hào),并有研究表明表面 EMG 的分形維數(shù)隨肌肉收縮強(qiáng)度的增加表現(xiàn)為單調(diào)上升的趨勢(shì),表面 EMG 分形維數(shù)的這一特性可以用來(lái)研究比例控制的肌電假肢 。也有人利用非線性濾波起來(lái)研究靜態(tài)承受負(fù)載下的表面 EMG 信號(hào) 。國(guó)內(nèi)也有人利用混沌理論研究了肌肉在等張收縮情況下所測(cè)取得肌電信號(hào)的相空間 , 通過(guò)計(jì)算其關(guān)聯(lián)維數(shù)、Lyapunov 指數(shù),表明所測(cè)的 EMG 信號(hào)可能是一混沌信號(hào),并利用符號(hào)動(dòng)力學(xué)研究了 EMG 信號(hào)的確定性 。王人成等人 1999 年對(duì)表面 EMG 信號(hào)的分形特征進(jìn)行了詳盡的分析,并發(fā)現(xiàn)單一利用表面 EMG 的分形值來(lái)區(qū)分人肢體的運(yùn)動(dòng)模式有一定困難。盡管 1991 年就有人開始利用混沌與分形理論研究針對(duì)各種病理的表面 EMG 信號(hào),但總 的來(lái)說(shuō),利用混沌與分形理論等非線性方法處理表面 EMG 信號(hào)的研究才剛剛起步,隨 著研究的不斷深入可能會(huì)得到一些其他方法得不到的新結(jié)論。4.表面肌電信號(hào)研究現(xiàn)狀目前, 有關(guān) sEM G 信號(hào)分析的研究主要是圍繞所謂的生- 電關(guān)系與力- 電關(guān)系 2 個(gè) 方面展開的2。其中, 前者主要涉及發(fā)生在肌肉內(nèi)部的生理、生化過(guò)程與 sEM G 變 化間的關(guān)系, 如運(yùn)動(dòng)單位的募集模式、神經(jīng)肌肉興奮傳導(dǎo)速度以及肌肉代謝產(chǎn)物等對(duì) sEM G 信號(hào)的影響, 屬于 sEM G 基礎(chǔ)研究范疇; 后者主要研究由肌表面記錄到的 sEM G 信號(hào)與不同活動(dòng)狀態(tài)、活動(dòng)方式和功能狀態(tài)下肌肉功能變化之間的關(guān)系, 如不同形 式肌肉運(yùn)動(dòng)的力- 電關(guān)系、疲勞發(fā)生、發(fā)展過(guò)程中的 sEM G 變化、肌肉疲勞閾值等, 屬于 sEM G 的應(yīng)用基礎(chǔ)研究范疇。肌電圖疲勞閾(Elect romyograph ic fat igue th resho ld ,EM GFT ) 是由 M atsumo to 等于 20 世紀(jì) 90 年代初期建立的一種旨在檢測(cè)和判斷肌肉負(fù)荷強(qiáng)度閾值 的實(shí)驗(yàn)方法。該方法是建立在不同負(fù)荷強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)時(shí) iEM G 與運(yùn)動(dòng)負(fù)荷持續(xù)時(shí)間(通常 為 60 s) 呈直線性相關(guān)的實(shí)驗(yàn)事實(shí)基礎(chǔ)上進(jìn)行的,實(shí)驗(yàn)中通過(guò)檢測(cè)不同強(qiáng)度、維時(shí) 60 s 的運(yùn)動(dòng)中主要運(yùn)動(dòng)肌 iEM G 與持續(xù)時(shí)間關(guān)聯(lián)直線的斜率值, 建立負(fù)荷強(qiáng)度- 斜率 關(guān)系曲線來(lái)進(jìn)行。M atsumo to 等設(shè)想, 如果以斜率增大作為肌肉開始出現(xiàn)疲勞的標(biāo) 志, 那么, 在負(fù)荷強(qiáng)度- 斜率關(guān)系曲線上便可找到這一點(diǎn), 此點(diǎn)即為 EM GFT , 其實(shí) 質(zhì)是負(fù)荷強(qiáng)度關(guān)系曲線在負(fù)荷強(qiáng)度維度上的截距。M atsumo to 等通過(guò)對(duì) 21 名女大 學(xué)生受試者的研究發(fā)現(xiàn), 受試者在分別完成 150W、200W、250W 和 300W 強(qiáng)度維時(shí) 60 s 的踏車運(yùn)動(dòng)時(shí), 股外肌的積分肌電圖值(6 s 積分周期) 與運(yùn)動(dòng)時(shí)間呈直線相關(guān), 各級(jí)運(yùn)動(dòng)時(shí) iEM G 曲線的斜率與負(fù)荷強(qiáng)度間呈直線相關(guān), 由此可確定 EM GFT 的負(fù)荷 功率數(shù)為 16447W , 氧當(dāng)量為 1. 330. 57 L m in, 該結(jié)果與受試者的通氣無(wú)氧 閾值(1. 390. 44 L m in) 無(wú)明顯統(tǒng)計(jì)差異, 且存在明顯統(tǒng)計(jì)相關(guān)( r = 0. 823) 。 因此, 應(yīng)用 sEM G 可以對(duì)肌體運(yùn)動(dòng)的疲勞閾值做出準(zhǔn)確的檢測(cè)。10小波變換是傅里葉變換的新發(fā)展，它在高頻時(shí)使用短窗口，而在低頻時(shí)使用寬窗 口，將信號(hào)分解成低頻的粗略部分和高頻的細(xì)節(jié)部分，然后只對(duì)低頻的細(xì)節(jié)做 2 次分 解，分解成低頻部分和高頻部分，小波包分析12是一種對(duì)信號(hào)進(jìn)行更加細(xì)致的分析 與重構(gòu)的方法。它是將小波變換沒有細(xì)分的高頻部分進(jìn)一步分解，并能根據(jù)被分析的 特征，自適應(yīng)的選擇頻帶，使之與信號(hào)頻帶相匹配，從而提高分析信號(hào)的能力總結(jié)本研究通過(guò)采集人體手部運(yùn)動(dòng)過(guò)程中上肢相關(guān)肌群的表面肌電信號(hào)，經(jīng)消噪預(yù)處 理、特征參數(shù)提取、運(yùn)動(dòng)關(guān)鍵模態(tài)的分類識(shí)別等技術(shù)環(huán)節(jié)，建立了可有效區(qū)分手部運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的識(shí)別方法，達(dá)到了本研究的研究目標(biāo)。通過(guò)檢測(cè)肌群選擇方案的優(yōu)化、特征參數(shù)提取方法的優(yōu)化、多特征信息融合技術(shù)可將識(shí)別效果進(jìn)一步提高，這是本課題繼 續(xù)發(fā)展的一個(gè)思路?；诒砻婕‰娊獯a技術(shù)的上肢智能假肢是當(dāng)前世界研究的一個(gè)熱點(diǎn)，肌電假肢的發(fā)展取得了矚目的成就，當(dāng)前世界上最先進(jìn)的肌電假肢可以實(shí)現(xiàn)20個(gè)以上動(dòng)作的控 制。然而，與人體動(dòng)作的復(fù)雜程度和自然程度相比，智能假肢的發(fā)展在控制信息源的獲取、信息解碼技術(shù)以及控制技術(shù)等領(lǐng)域仍有很大的發(fā)展空間?？梢灶A(yù)見，隨著神經(jīng)-機(jī)器接口技術(shù)的發(fā)展和仿生控制技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)多自由度動(dòng)作自然切換的直覺控制的智能假肢將距離我們不再遙遠(yuǎn)。 我認(rèn)為現(xiàn)在研究的是表面肌電信號(hào)的的如何更好的提取特征值包括如何更好的解除干擾和分析信號(hào)的方法，這是重點(diǎn)，還有就是需要一個(gè)可靠的設(shè)備，假肢的安全性也是非常重要的，這些都需要我們更深入的分析與處理。 我相信相信隨著表面肌電信號(hào)處理分析技術(shù)的不斷發(fā)展，在這個(gè)領(lǐng)域中肯定會(huì)有至關(guān)重要的地步。為全世界的殘疾患者提供福音。參考文獻(xiàn)1 胡天培. 肌電特征發(fā)現(xiàn)與肌電康復(fù)研究J. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào).1994 282 雷敏，王志中 肌電假肢控制中的表面肌電信號(hào)的研究進(jìn)展與展望 J/OL。中國(guó) 醫(yī)療器械雜志.20013 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