尤 波,周麗娜,黃 玲

(哈爾濱理工大學(xué) 自動化學(xué)院,哈爾濱 150080)

0 引 言

早在1791年,Galvani[1]通過一系列蛙類的肌肉收縮研究,證明了肌肉的收縮與電信號有關(guān)。隨著電子技術(shù)的發(fā)展、電子計算機的出現(xiàn)和迅猛發(fā)展以及神經(jīng)肌肉生理學(xué)研究的進展,新的檢測和記錄技術(shù)已經(jīng)使人們可以對肌電信號和神經(jīng)肌肉功能的關(guān)系進行極為細致的研究。由于表面肌電信號檢測具有無創(chuàng)性,并且作為控制信息源,是利用人體本身的生理方式去控制,直觀自然,已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在假肢、康復(fù)醫(yī)學(xué)工程及體育運動等方面的研究中[2]。

傳統(tǒng)的肌電信號識別方法都是利用動作信號的穩(wěn)態(tài)值進行處理[3],然而,每一個實際的任務(wù)都需要多個連續(xù)動作的配合才能完成。這就要求肌電信號采集系統(tǒng)能夠?qū)⒉杉降亩鄠€動作的數(shù)據(jù)進行實時的處理、分割、提取特征并進行區(qū)分[4]。肌電信號是一種幅值為100～5 000 μ V的微弱電信號,常常被噪聲淹沒,為了提取該信號必須設(shè)計抗干擾電路[5]。本文首先設(shè)計一個肌電信號采集系統(tǒng),并利用該系統(tǒng)采集到人體手部連續(xù)動作的數(shù)據(jù)信息,對肌電信號的分析處理部分則重點對動作的轉(zhuǎn)換進行了分析研究。

1 肌電信號采集系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

肌電信號采集及處理系統(tǒng)完成了從數(shù)據(jù)采集到動作分類的整個過程。包括對肌肉運動信號的采集、信號數(shù)據(jù)的處理、特征提取及對動作分類識別4個主要部分,各個部分之間相輔相成,其整體規(guī)劃流程見圖1。

圖1 系統(tǒng)整體規(guī)劃Fig.1 Whole plan of the system

肌電信號從人體上臂肌肉表面提取到以后,要經(jīng)過放大、濾波以及模數(shù)轉(zhuǎn)換處理,鑒于肌電信號的復(fù)雜性,不能直接從肌電信號分析出手臂的動作,還需要進一步的處理。因此,在進行分類之前,要對信號的特征進行提取,將所提取到的特征向量輸入到分類器中進行分類識別,完成整個過程。

由于肌電信號非常微弱,極易受到噪聲的影響。因此受測試者的身體狀態(tài),硬件設(shè)備的選擇、系統(tǒng)的抗干擾性能等都是影響數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。

1.1 受測試者身體狀態(tài)對肌電信號的影響

不同的受測試者由于肌肉的發(fā)達程度,皮膚表面的電阻值以及體內(nèi)液體的導(dǎo)電能力等因素的不同,一般情況下其電位幅值是不同的,并且,同一個人在1 d中的不同時刻的電位幅值也有明顯的不同,因此,所設(shè)計的采集分類系統(tǒng)的具體參數(shù)要因人而異。在采集數(shù)據(jù)過程中還要注意:①在測試時,人體手部不斷的進行握拳伸展動作,時間過長時,肌電信號就會隨著體能的減弱而逐漸變微弱,因此測試時間一般要限定在一定時間內(nèi);②測試時樣本的生理狀態(tài)對肌電信號的影響較大,由于人體電信號是通過血液傳輸?shù)?因此,血液濃度的大小會影響傳導(dǎo)速度,而血液濃度的大小與人體攝入水的多少有關(guān),攝入體內(nèi)的鹽分多,血液濃度就大,電信號的傳導(dǎo)速度也就大,所以,在采集數(shù)據(jù)時對受測試者的飲食要適當(dāng)控制;③電極的位置也會對數(shù)據(jù)采集造成影響,重復(fù)實驗時,要注意不同次粘貼電極的位置要盡量保持一致;④為了盡最大幅度采集到人體表面的電位同時降低共模抑制比,肌電的電極一般都是順著肌纖維的方向成對使用。

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

有實驗表明[6],表面肌電信號是一種非常微弱的電信號,其信號幅值為100～5 000 μ V,均方根為0～1.5 mV,表面肌電信號的頻率主要集中在1 000 Hz以下,一般有用的信號頻率為0～500 Hz,其中大部分能量集中在50～150 Hz,利用雙極型模型得到的肌電頻譜分布在 20～500 Hz,針電極肌電放大器的頻帶一般設(shè)置為10～1 000 Hz。

肌電信號的特性決定了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求:①為了采集到有效的信號,采樣頻率應(yīng)該為1 000 Hz;②由于對肌電信號進行特征分類時,所需要的信息量特別大,所以要有足夠的存儲空間,也就是緩沖區(qū)也要盡量大;③為了保證數(shù)據(jù)的傳輸速度,AD轉(zhuǎn)換器與主機之間的數(shù)據(jù)傳輸速度要快,普通的串口很難保證速度的要求;還要有足夠多的通道,以便同時對人體上臂不同的肌肉進行采集;④由于肌電信號非常微弱,所以采集卡的分辨率一定要足夠高。

為此設(shè)計了一款專用于肌電信號采集的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),該系統(tǒng)采用了北京阿爾泰科技發(fā)展有限公司的PCI8622數(shù)據(jù)采集卡,該采集卡的輸入量程為±5 V,采樣速度為1 Hz～250 kHz,采樣通道最大32路,放大倍數(shù)最大可達8倍,轉(zhuǎn)換精度是16 Bit,輸入阻抗10 M Ω,采用的是雙端輸入方式;電極采用的是江蘇省丹陽假肢廠提供的電極,該電極體積小,使用方便,對測試者無傷害。電極內(nèi)置放大濾波電路,其放大系數(shù)可調(diào)。通常情況下,設(shè)置電極放大倍數(shù)為1 000。

1.3 硬件抗干擾設(shè)計

在系統(tǒng)設(shè)計時,除考慮到系統(tǒng)的功能和實時性之外,可靠性也是要重點考慮的問題之一。特別是肌電信號本身微弱,更容易被噪聲淹沒。通常硬件抗干擾的措施有串模干擾的抑制、共模干擾的抑制、輸入輸出通道干擾的抑制、電源與電網(wǎng)干擾的抑制以及地線系統(tǒng)干擾的抑制5個方面[7]。在本試驗中,實驗室里50 Hz的工頻干擾非常大,考慮到系統(tǒng)的實際情況,本實驗采用了以幾個方面的硬件抗干擾措施:

1.3.1 采用性能良好的穩(wěn)壓電源

由于儀器供電可能會對電極產(chǎn)生干擾,故需要給電極提供穩(wěn)定的直流5～8 V電源,由于普通的開關(guān)電源干擾很大,而線性電源具有紋波噪聲小的特點,故本實驗中采用的是線性電源。

1.3.2 在表面電極與采集卡之間設(shè)計抗干擾電路

在信號傳輸過程中,從電極到采集卡之間的距離有2 m,由于肌電信號極為微弱,即便很小的干擾也會對信號的采集造成嚴重的影響,而信號在傳輸過程中通常存在3種串模干擾,即信號源(即電極)本身產(chǎn)生噪聲,傳輸線的接插頭產(chǎn)生的干擾和傳輸線附近的高頻電磁場在傳輸線上產(chǎn)生的串模干擾。針對實驗室的實際情況,所采取的抗傳輸線路上的串模干擾的措施是在接收端加上濾波器。由于肌電信號的頻率為10～500 Hz,而影響最大的工頻干擾是50 Hz,故在信號接收端 (也就是采集卡輸入信號端)加一個典型的雙 T式濾波器(BEF),同時也加上高通和低通濾波器以便同時濾掉＜1 Hz,＞500 Hz的噪聲信號。

1.3.3 采用屏蔽電纜切斷信號傳輸線上耦合產(chǎn)生的串模干擾

使用屏蔽電纜可以有效地屏蔽高頻輻射干擾的影響,將傳輸線外面的屏蔽層有效地接地,從而使其內(nèi)部的傳輸線不受輻射的干擾。

1.3.4 接 地

接地是提高系統(tǒng)可靠性所必須具備的技術(shù)之一,本實驗中要求受測試者與采集設(shè)備共地才能采集到準確的數(shù)據(jù)。

2 數(shù)據(jù)的采集及傳送設(shè)計

2.1 電極具體位置的選擇

通過查閱醫(yī)學(xué)方面的書籍[8]發(fā)現(xiàn),人體上臂的橈側(cè)腕屈肌和指深屈肌對人體手部動作起到非常重要的作用。因此,如果想要對手部動作進行識別,對這兩塊肌肉進行測量,將會得到較好的效果,具體位置見圖2。

圖2 電極具體位置Fig.2 Particular position of electrodes

2.2 對受測試者的要求

在知情并理解的情況下參與表面肌電信號的采集;測量前無劇烈運動,無酸痛現(xiàn)象;測量過程中,盡量保持舒服的姿勢;健康青年人,20～30歲。

2.3 實驗方法

1)選擇符合要求的受測試者15人。

2)對他們的右上臂進行消毒處理,用75%的酒精反復(fù)擦拭人體上臂,以去除人體肌肉表面油污、壞死的角質(zhì)層等。

3)將電極貼在橈側(cè)腕屈肌和指深屈肌的表皮上,用專用腕套將電極固定。

4)每個人在接受測試時,都要求坐在椅子上,將前臂自然放在桌子上,整個身體成放松態(tài)。

5)每個受測試者在準備好以后做3個實驗,實驗1的內(nèi)容是先放松30 s,然后握拳30 s,最后伸展30 s結(jié)束整個過程;實驗2的內(nèi)容是打亂3個動作的順序,而每個動作的持續(xù)時間不變,都是30 s;實驗3的內(nèi)容是在動作打亂順序的前提下,每個動作的持續(xù)時間不同,由測試者自己決定。最終得到90(3×15×2)組數(shù)據(jù),由于采樣頻率設(shè)置為1 000 Hz,因此共得到8 100 000(1 000×90 ×90)個數(shù)據(jù)。

3 對實時數(shù)據(jù)的分析與處理

為了能夠?qū)?shù)據(jù)進行實時處理,本部分的工作重點在于確定動作改變的位置。隨機選擇一個測試者在3個實驗中的數(shù)據(jù),為了便于分析,這里僅分析該受測試者兩路通道中的一路信號作為研究對象,其它數(shù)據(jù)作為后面檢測使用。原始數(shù)據(jù)見圖3,由圖3可見動作有變化的痕跡,而且由于實驗1和實驗2中3個動作的持續(xù)時間都相等,因此便可以辨別出動作的分類點。

圖3 3個實驗的原始數(shù)據(jù)Fig.3 Raw data of three experiments

利用計算機采用極值的方法提取出動作變化點附近的位置,原始數(shù)據(jù)構(gòu)成的數(shù)組a,由于采集的數(shù)據(jù)量大,同時為了濾除部分加性干擾,首先要對數(shù)組a中每100個數(shù)據(jù)求其平均值作為該點的新元素,重新組成數(shù)組a1,然后在數(shù)組a1中找到所有的極大值和極小值點組成數(shù)組a2,在這些極值點中包含了由于動作轉(zhuǎn)換引起的極值和噪聲引起的極值,為了剔除噪聲的干擾,我們認為在一個極值與下一個極值的差在45的點是動作轉(zhuǎn)換的點,選出這些點就能夠得到動作改變附近的位置,即動作的轉(zhuǎn)換點,當(dāng)然,根據(jù)不同的人這些閥值是不同的,最后返回這些點在a1中的位置。實驗1,實驗2和實驗3的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分別見圖4,圖5和圖6,其中1～6點就是動作的轉(zhuǎn)換點。

經(jīng)過簡單改變閥值該方法可以使用于不同的受測試者或者同一受測試者的不同采樣通道。

圖4 實驗1中動作轉(zhuǎn)換點Fig.4 Places of the alter phases in experiment 1

4 結(jié) 語

利用肌電信號實現(xiàn)自動控制,一個精確的表面肌電信號采集系統(tǒng)是必不可少的,同時,為了滿足實時性的要求,需要對肌電信號中所包含的各個動作信息進行分割處理,然后對分割后的各個動作進行分類識別,從而達到連續(xù)控制的目的。其中,將不同動作信息準確的分開是問題的第一步,也是非常重要的一步,如果分割不準確將會直接影響到下一步動作的分類識別。利用極值的方法簡單易行,識別率較高,為后面的各個動作的分類識別乃至連續(xù)控制奠定了比較好的基礎(chǔ)。

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