1、杭 州 电 子 科 技 大 学毕 业 设 计 （ 论 文 ） 文 献 综 述毕 业 设 计 （ 论 文 ） 题 目 假手控制用肌电信号采集处理及识别方法研究文献 综述 题目 表面肌电信号的识别与应用 学 院专 业 姓 名 班 级 学 号 指导教师表面 肌电 信号 在状 态识 别中 的应 用前言1 表 面 肌 电 信 号 研 究 的 价 值表面肌电信号是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 , 在临床医学的神经肌肉疾病诊断、 人机工效学 领域肌肉工作的工效学分
2、析、 康复医学领域的肌肉功能评价以及体育科学中的疲劳判 定、 运动技术合理性分析 、 肌纤维类型和无氧阈值的无损伤性预测等方面均有重要的 实用价值 1 。 通常 , 从相应屈伸动作的肌肉表面皮肤处所测取的多通道 EMG信号 , 既可 为控制假肢运动提供一个安全、非侵入的控制方式 , 也可用于人类运动和生物机械的 研究。2.表 面 肌 电 信 号 研 究 对 假 肢 的 影 响假肢是康复工程最早发展的一个领域，在过去的 100 年中，经历了由初级阶段到高级阶段的过程。 其发展方向主要是以提高假肢稳定性、 改善步态和减少体力消耗为 目标。 随着科学技术的发展， 外部动力假肢正在逐渐取代传统的装饰性
3、假肢和绳索牵引成为假肢发展的主流趋势。 对外部动力假肢的控制方式研究也在不断发展， 以表面 肌电信号(surface electromyography,， SEMG)作为控制信号源控制外部动力假肢是康复工程领域另一个重要的发展方向。主题1. 肌电信号产生的机理 肌电信号 (EMG)是从人体骨骼肌表面通过表面电极记录下来的神经肌肉的电生理活动信息，它反映了神经、肌肉的功能状态采集 EMG所用的电极有针形电极和表面 电极， 现在在假肢上应用的理想采集方式是表面电极， 因为表面肌电信号具有提取方 便、 快捷、 无创伤测量等优点， 肌电信号产生机制， 有各种假设 。 目前证据比较充分 ， 并且为大多数
4、学者所接受的是霍奇 金学派的观点。 该学派认为： 生物电现象的产生主要依赖于细胞膜在不同条件和刺激 下对不同离子的选择性造成的。 细胞膜的两侧分别是细胞内液和细胞外液，主要含有的带电离子为 Na、 Ka+、 cl- ，从宏观上看溶液中的上 I 三负离子所带电荷是相等的，溶液不带电。但由丁细胞膜对Na+、 Ka+、 cl- 的通透性不同，细胞内液中的钾离子浓度远高丁细胞外液，而钠离 子和氯离子的浓度则远低于细胞外液。 式 (1 1)是日前较为流行的计算膜内外电势差 的戈德曼方程（ Goldman equation， Goldman-Hodgkin-Katz equation）（ 1.1） 式中：
5、 F 是法拉第常数 (约为96485 34S A m01)， R是气体常数（ 约为 8 3l J (mol K)） ， T 是绝对温度， P是通透常数， 脚标 0 是细胞外的离子浓度 ， 脚标 1 是细胞内的离 子浓度。此式是在下列三种假定的条件下推导出来的：（1 ）如在溶液中一样，膜内 离子也是在电场和浓度梯度的影响下移动的；（2）紧贴膜的细胞内离子浓度和与其 邻接的溶液中的离子浓度相等；（3）膜内的电场梯度是均一的。因此上述方程式亦 称定电场方程（ D E Goldman 1943， A L Hodgkin和 B Kotz1949） 。 式中的通透 常数 P的定义为 RT/ F，单位是厘米
6、秒（ 是离子在膜内的移动度， 是膜和 液相之间的分配率， 是膜的厚度）。2. 表 面 肌 电 信 号 采 集 的 干 扰在表面肌电信号采集过程中出现的干扰信号会影响得到电信号的形状和声音， 从 而影响判断。肌电信号检测过程中可能存在的干扰信号如下 7 ； l 、电极动作干扰信号 肌肉受剑刺激以后发生收缩时， 皮肤电极的位置相对移动 ， 皮肤出汗、 呼吸等 ，都会 使皮肤与 电极之间的电阻发生变化而产生干扰信号。 电极线的移动可引起与肌电动作类似的干 扰信号，测量时不易鉴 别。 因此我们可以在实验操作时， 用酒精棉擦净皮肤， 并且将电极贴片牢固的粘贴在 待测皮肤上，防止电极移位，尽量的减少此类噪
7、声。2、放大器引入的干扰信号 放大器中的部件如电阻器、晶体管和集成电路都会由于通电工作而产生干扰信号。 电 阻元件中电子热振荡所产生的干扰信号，随电流输入过程中阻抗的增加而增加。3、静电和电磁场干扰信号 很多电器都会引起干扰 ， 如空调、 阴极射线的屏蔽、 电源以及专用的墙内电源输出口 。 被试者坐在没有接地的椅子上进行测量， 也会加大这种干扰。 其他与肌电测试装置使 用同一电源的电器也会引入干扰。 解决此类干扰的简便易行的方法是改变导线 、 实验 者和测量装置的方向， 寻找最佳位置， 使被试者远离电源。屏蔽实验室是解决这类干 扰的最佳方法。4、无线电干扰 广播电视和收音机等装置都可以引起干扰
8、 ， 解决的办法是硬件电路的设计中使用低通滤波器，在实验操作中调节实验装置的方位，尽量减少这类干扰。 现状比较前沿的消除干扰的方法有 基于小波域隐马尔科夫模型的肌电信号消噪方法 11. 该方法利用隐马尔科夫模型对表面肌电信号小波分解后的小波系数之间的相 关 性 进 行 建 模 , 运 用 训 练 模 型 算 法 (Expectation-Maximization algorithm,EM 算 法 ) 估 计 出 该 模 型 的 参 数 , 以 贝 叶 斯 估 计 得 到 真 实 信 号 的 小 波 系 数 , 通 过 重 构 实 现 肌 电 信 号 的 滤 波 . 实 验 结 果 表 明 该
9、方 法 能 有 效 地 去 除 肌 电 信 号 中 的 噪 声 , 对 进 一 步 的 特 征 提 取和模式识别创造了良好的条件 .3. 表 面 肌 电 信 号 的 分 析 方 法特征提取是目标识别中一个非常重要的环节。 一个识别系统的识别能力与特征矢量的选取有着直接的关系。为了有效的提取相应特征 , 应首先对 EMG 信号进行深入地分析。 近年来 , 针对假肢控制 、 康复研究 , 国内外对表面肌电信号的研究已引起了越来越多的人的兴趣 , 如研究表面 EMG 与 EMG 声音的关系 、 EMG 信号与肌肉力的关系、 EMG信号与关节转矩间关系、 肌肉疲劳时的 EMG 信号特征及补偿方法等等。
10、 但就其所利用的理论方法而言 , 可分为五个方面 : 时域法、 频域法 、 时域 - 频域法、 高阶谱及混沌与分形等 5 。（1）时域法：传统的肌电信号处理方法是把肌电信号近似看成服从零均值高斯分布、 方差 2 与其强弱有关的随机信号。 针对肌电假肢控制 , 目前最常用的 EMG 特征有以下几种 : 绝对值积 分 （ iav） ， 过零点 数 （ zc） ， 方 差 （ var） ， Willison 幅值 (WAMP)， v 一阶和 log 检测器 (detector) ， EMG 信号的时序模型， EMG 直方图。（2）频域分析EMG 信 号 的 频 率 分 析 也 能 提 供 关 于 肌
11、 肉 某 种 特 征 的 有 价 值 信 息 。 如 EMG 功 率 谱 的 平均 功 率 (MPF) 和 中 值 频 率 (MF) 。 实 验 表 明 肌 电 信 号 的 频 谱 通 常 在 0 1000Hz 之 间 ,功率谱最大频率随肌肉而定 , 通常在 30 300Hz 之间 。（3）时频分析传统的傅里叶变换只能较好地刻划信号的全局频率特征 , 而几乎不提供信号在任何时域中的频率信息。因而近年来时频分析方法倍受人们关注 , 这种方法很适合于对非平稳信号的分析研究。 目前用于表面 EMG 信号分析的时频分析方法主要有短时 FFT 变换等。（4） 高阶谱分析传统的随机信号处理技术是建立在二阶
12、统计量基础上的 , 它只能完整反映服从高斯分布的随机信号的概率结构。 而当肌肉力变化时实际的肌电信号是非平稳的 , 不是高斯型信号 , 它的相位谱含有丰富的信息。 高阶谱分析能够克服传统处理方法的不足 , 给出信号本身更多的信息。（5）混沌与分行混沌与分形理论可用于 EMG 产生机理的研究。 国外一些学者已开始利用分形理论来研究 EMG 信 号 , 并有研究表明表面 EMG 的分形维数随肌肉收缩强度的增加表现为单调上升的趋势 , 表面 EMG 分形维数的这一特性可以用来研究比例控制的肌电假肢 。 也有人利用非线性滤波起来研究静态承受负载下的表面 EMG 信号 。国内也有人利用混沌理论 研 究
13、了 肌 肉 在 等 张 收 缩 情 况 下 所 测 取 得 肌 电 信 号 的 相 空 间 , 通 过 计 算 其 关 联 维数、 Lyapunov 指数 , 表明所测的 EMG 信号可能是一混沌信 号 , 并利用符号动力学研究了 EMG 信号的确定性 。王人成等人 1999 年对表面 EMG 信号的分形特征进行了详尽的分析 , 并发现单一利用表面 EMG 的分形值来区分人肢体的运动模式有一定困难。尽管 1991 年 就 有 人 开 始 利 用 混 沌 与 分 形 理 论 研 究 针 对 各 种 病 理 的 表 面 EMG 信 号 , 但 总 的 来 说 , 利 用 混 沌 与 分 形 理 论
14、 等 非 线 性 方 法 处 理 表 面 EMG 信 号 的 研 究 才 刚 刚 起 步 , 随 着研究的不断深入可能会得到一些其他方法得不到的新结论。4. 表 面 肌 电 信 号 研 究 现 状目前 , 有关 sEM G 信号分析的研究主要是围绕所谓的 生 - 电关系与力 - 电关系 2 个 方面展开的 2 。其中 , 前者主要涉及发生在肌肉内部的生理、生化过程与 sEM G 变 化间的关系 , 如运动单位的募集模式、 神经肌肉兴奋传导速度以及肌肉代谢产物等对 sEM G 信号的影响 , 属于 sEM G 基础研究范畴 ; 后者主要研究由肌表面记录到的 sEM G 信号与不同活动状态 、 活
15、动方式和功能状态下肌肉功能变化之间的关系 , 如不同形 式肌肉运动的力- 电关系、疲劳发生、发展过程中的 sEM G 变化、肌肉疲劳阈值等 , 属于 sEM G 的应用基础研究范畴。肌电图疲劳阈 (Elect romyograph ic fat igue th resho ld , EM GFT ) 是由 M atsumo to 等于 20 世纪 90 年代初期建立的一种旨在检测和判断肌肉负荷强度阈值 的实验方法。该方法是建立在不同负荷强度运动时 iEM G 与运动负荷持续时间 (通常 为 60 s) 呈直线性相关的实验事实基础上进行的 , 实验中通过检测不同强度、 维时 60 s 的 运 动
16、 中 主 要 运 动 肌 iEM G 与 持 续 时 间 关 联 直 线 的 斜 率 值 , 建 立 负 荷 强 度 - 斜 率 关系曲线来进行。 M atsumo to 等设想 , 如果以斜率增大作为肌肉开始出现疲劳的标 志 , 那么 , 在负荷强度- 斜率关系曲线上便可找到这一点 , 此点即为 EM GFT , 其实 质是负荷强度关系曲线在负荷强度维度上的截距。 M atsumo to 等通过对 21 名女大 学生受试者的研究发现 , 受试者在分别完成 150W、 200W、 250W 和 300W 强度维时 60 s 的踏 车 运 动 时 , 股 外 肌 的 积 分 肌 电 图 值 (6
17、 s 积 分 周 期 ) 与 运 动 时 间 呈 直 线 相 关 , 各级运动时 iEM G 曲线的斜率与负荷强度间呈直线相 关 , 由此可确定 EM GFT 的负荷 功率数为 164 47W , 氧当量为 1. 33 0. 57 L m in, 该结果与受试者的通气无氧 阈值 (1. 39 0. 44 L m in) 无明显统计差异 , 且存在明显统计相关 ( r = 0. 823) 。 因此 , 应用 sEM G 可以对肌体运动的疲劳阈值做出准确的检测。 10小波变换是傅里叶变换的新发展， 它在高频时使用短窗口 ， 而在低频时使用宽窗 口， 将信号分解成低频的粗略部分和高频的细节部分 ，
18、然后只对低频的细节做 2 次分 解， 分解成低频部分和高频部分， 小波包分析 12 是一种对信号进行更加细致的分析 与重构的方法。 它是将小波变换没有细分的高频部分进一步分解 ， 并能根据被分析的 特征，自适应的选择频带，使之与信号频带相匹配，从而提高分析信号的能力总结本研究通过采集人体手部运动过程中上肢相关肌群的表面肌电信号， 经消噪预处 理、 特征参数提取、 运动关键模态的分类识别等技术环节， 建立了可有效区分手部运动状态的识别方法， 达到了本研究的研究目标。 通过检测肌群选择方案的优化、 特征参数提取方法的优化、 多特征信息融合技术可将识别效果进一步提高， 这是本课题继 续发展的一个思路
19、。基于表面肌电解码技术的上肢智能假肢是当前世界研究的一个热点， 肌电假肢的发展取得了瞩目的成就，当前世界上最先进的肌电假肢可以实现 20 个以上动作的控 制。 然而， 与人体动作的复杂程度和自然程度相比， 智能假肢的发展在控制信息源的获取、 信息解码技术以及控制技术等领域仍有很大的发展空间。 可以预见， 随着神经-机器接口技术的发展和仿生控制技术的发展，实现多自由度动作自然切换的直觉控制的智能假肢将距离我们不再遥远。 我认为现在研究的是表面肌电信号的的如何更好的提取特征值包括如何更好的解除干扰和分析信号的方法， 这是重点， 还有就是需要一个可靠的设备， 假肢的安全性也是非常重要的，这些都需要我
20、们更深入的分析与处理。 我相信相信随着表面肌电信号处理分析技术的不断发展， 在这个领域中肯定会有至关重要的地步。为全世界的残疾患者提供福音。参考文献1 胡天培 . 肌电特征发现与肌电康复研究 J. 上海交通大学学报.1994 282 雷敏，王志中 肌电假肢控制中的表面肌电信号的研究进展与展望 J/OL 。中国 医疗器械杂志.20013 梁政， 杨基海， 钱晓进等， 基于时频分布的表面肌电信号瞬时中值频率的研究 J ， 航天医学与医学工程，20044 高光天主编仪表放大技术及其应用 M，北京：科学出版社 1995，5 姚良标，楼蔚松，罗志增，肌电信号处理和肌电控制的研究 J 杭州电子工业 学院学
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22、atigue th resho ld in co llegewomenJ . Eur. J. App l.Physio l. , 1991,11. 罗志增 王占玉 基于小波域隐马尔科夫模型的肌电信号滤波 仪器仪表学 报 CHINESE JOURNAL OF SCIENTIFIC INSTRUMENT2010 Vol.31 No.11 P.2447-245212. 梅品高 罗志增 基于小波包分析和 Elman网络的肌电信号处理 机电工程2008-02-25文 献综 述考 核表指 导教 师对 文献 综述 的评 语：指 导教 师 （ 签名 ） 年 月 日建 议成 绩评 阅小 组或 评阅 人对 文献 综述 的评 语：评 阅小 组负 责人 或评 阅人 （ 签名 ） 年 月 日建 议成 绩
