膝關(guān)節(jié)屈運(yùn)動(dòng)相關(guān)肌肉表面肌電信號(hào)研究

何小耀+韋宇煒++何漢武+王俊華+曾科學(xué)

摘 要：針對(duì)肌電控制對(duì)信號(hào)通道數(shù)和數(shù)據(jù)量的要求，該文以膝關(guān)節(jié)屈運(yùn)動(dòng)的角度識(shí)別為研究對(duì)象，旨在找出最能表征膝關(guān)節(jié)屈運(yùn)動(dòng)的肌肉，從而為實(shí)現(xiàn)最小肌肉塊數(shù)表征人體關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)提供依據(jù)。通過對(duì)肌電信號(hào)進(jìn)行濾波，陷波，去噪處理，以均方根值，功率譜密度等信號(hào)特征來區(qū)分不同肌肉對(duì)膝關(guān)節(jié)屈運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的影響。

關(guān)鍵詞：膝關(guān)節(jié) 表面肌電型號(hào) 屈運(yùn)動(dòng)

中圖分類號(hào)：TP241 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）12（a）-0212-03

我國(guó)人口眾多，其中殘疾人達(dá)到6千萬之多，這其中，肢體殘疾約占45%，而肢體殘疾中，又以下肢殘疾居多。傳統(tǒng)的下肢康復(fù)訓(xùn)練方法是依靠專業(yè)的理療醫(yī)師對(duì)患者進(jìn)行手把手的訓(xùn)練。對(duì)于這種病患，醫(yī)師的輔助訓(xùn)練雖有一定的幫助，但是不會(huì)太理想，主要問題在于訓(xùn)練效率不高，操作過程帶有醫(yī)師的主觀態(tài)度，康復(fù)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)無理論依據(jù)。利用人體表面肌電信號(hào)控制外骨骼機(jī)器人，使用機(jī)器人的“體力”來帶動(dòng)患者的康復(fù)運(yùn)動(dòng)。這種方式不僅可以繼承目前的康復(fù)模式和方法，還有可能徹底解決這些康復(fù)訓(xùn)練方法中存在的問題。

表面肌電信號(hào)控制外骨骼用康復(fù)訓(xùn)練，為了防止對(duì)患者造成二次傷害，對(duì)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度識(shí)別有較高的要求。為此，該文選取膝關(guān)節(jié)屈運(yùn)動(dòng)的角度識(shí)別為研究對(duì)象。膝關(guān)節(jié)的屈運(yùn)動(dòng)涉及到多組肌肉：股四頭肌、股直肌、股中間肌、股二頭肌、和腘肌，利用多塊肌肉的肌電信號(hào)表征膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，必將提高識(shí)別率。但是，這將使數(shù)據(jù)過于龐大，信號(hào)處理實(shí)時(shí)性降低。為此，期望能夠找到某一肌肉最能表征膝關(guān)節(jié)屈運(yùn)動(dòng)。

1 表征膝關(guān)節(jié)屈運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型

1.1 模型參數(shù)選取

表面肌電信號(hào)是肌肉收縮時(shí)伴隨的電信號(hào)。關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)由肌肉的收縮帶動(dòng)，為了建立表征膝關(guān)節(jié)屈運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，我們需要選取影響膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的參數(shù)，這些參數(shù)應(yīng)是最能影響我們對(duì)角度的識(shí)別，以便找出最能表征膝關(guān)節(jié)屈運(yùn)動(dòng)。

（1）在時(shí)域，我們選取信號(hào)的均方根值為參數(shù)，均方根值越大，意味著信號(hào)強(qiáng)度大，信噪比大，能夠提高識(shí)別準(zhǔn)確率。

（2）在頻域，我們以信號(hào)的功率譜直方圖為參數(shù)，信號(hào)功率越大，同樣意味著肌肉越活躍，也即更能表征關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。

（3）在測(cè)量人體的sEMG信號(hào)，通過電極傳入檢測(cè)電路。因此需要將電極片貼附于特定的肌肉上。有的肌肉狹長(zhǎng)，有的肌肉位于皮膚深層，因此，想要電極貼片準(zhǔn)確的貼服在這些肌肉表面，并不容易。因此，測(cè)量的難易程度也作為模型中的參數(shù)。

1.2 數(shù)學(xué)模型

為了找到最能表征膝關(guān)節(jié)屈運(yùn)動(dòng)的肌肉，我們提出表征膝關(guān)節(jié)屈運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，主要從以下3個(gè)方面作為指標(biāo)：幅值、能量和測(cè)試的方便程度。

數(shù)學(xué)模型為：·w

其中k代表不同的與膝關(guān)節(jié)屈運(yùn)動(dòng)相關(guān)的肌肉，依次為：股四頭肌，股直肌，股中間肌，股二頭肌和腘肌。t（k）為時(shí)域指標(biāo)，f（k）為頻域指標(biāo)，m（k）為測(cè)量測(cè)量簡(jiǎn)易指標(biāo)。w為權(quán)重向量。以下分別建立各個(gè)部分指標(biāo)。

（1）均方根值指標(biāo)。

在時(shí)域，以信號(hào)的均方根值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，為了排除不同肌肉在松弛狀態(tài)下的影響，我們對(duì)均方根值進(jìn)行量化處理，則：

其中x（i）為采集的數(shù)值，為肌肉平伸狀態(tài)sEMG的最大值，為最小值。

（2）功率指標(biāo)。

對(duì)濾波后的sEMG信號(hào)進(jìn)行功率譜分析，畫出sEMG信號(hào)的功率譜直方圖，對(duì)sEM號(hào)功率分布進(jìn)行分析。以股直肌為例，其功率直方圖如圖1，我們統(tǒng)計(jì)功率大于0.5E-7所占的百分比，并作為f（k）的值。統(tǒng)計(jì)過程有l(wèi)abview軟件完成。

（3）測(cè)量簡(jiǎn)易指標(biāo)。

對(duì)于不同的肌肉，安放貼片電極的難易程度不同，因此而到的干擾也不同，將測(cè)量的難易程度劃分為0～1，并將測(cè)量的難易值賦給m（k）。

2 肌電信號(hào)采集與去噪

2.1 肌電信號(hào)的采集

表面肌電信號(hào)極其微弱，其電壓值在50～2000 uv之間，其能量主要集中在10～500 Hz之間。采集電路需對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、濾波以及工頻陷波（如圖2）。

采集到的原始肌電信號(hào)（軟件濾波后）如圖3，該肌電信號(hào)進(jìn)過了硬件電路的低通，高通以及工頻濾波，但從圖中可以看出，仍含有大量的噪聲。

2.2 小波去噪

小波變換是一種時(shí)間窗和頻率窗都可以改變的視頻分析方法，不僅能反應(yīng)信號(hào)在全部頻率上的整體時(shí)域特征，而且能提供頻率段所對(duì)應(yīng)的時(shí)間信息。此外，小波變換在高頻段具有高的時(shí)間分辨率，低的頻率分辨率；低頻段具有高的頻率分辨率，低的頻率分辨率，其在時(shí)頻域都有很強(qiáng)的局部特征表征力。因此，小波變換在非平穩(wěn)信號(hào)的去噪以及特征提取領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用。

表面肌電信號(hào)可以表示為：

。其中是s（i）是為含有噪聲的sEMG信號(hào)，x（i）為有用信號(hào)，e（i）為噪聲信號(hào)，通過對(duì)s（i）進(jìn)行小波分解，有與噪聲常包含在具有較高頻率的細(xì)節(jié)中，因此通過選取一定的閾值對(duì)分解的得到的小波系數(shù)進(jìn)行處理，然后再重構(gòu)信號(hào)，即可達(dá)到消噪的目的。

利用Labview結(jié)合Matlab進(jìn)行去噪處理，處理流程圖（如圖4）。

得到sEMG信號(hào)去噪后的波形圖（如圖5）。

3 實(shí)驗(yàn)與模型的驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)說明

在明確實(shí)驗(yàn)內(nèi)容后開始實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)招募9名志愿者，年齡在18～35歲之間，沒有運(yùn)動(dòng)神經(jīng)類疾??；在最近的6個(gè)月里，前臂沒有出現(xiàn)扭傷、運(yùn)動(dòng)損傷、斷裂等影響運(yùn)動(dòng)功能的傷??；最近兩天沒有進(jìn)行過劇烈的運(yùn)動(dòng)；沒有肌肉酸痛及不適；非敏感性皮膚。

該次實(shí)驗(yàn)使用的器材有：?jiǎn)蔚郎韰?shù)記錄儀、Agcl電極等；該實(shí)驗(yàn)旨在采集膝關(guān)節(jié)屈運(yùn)動(dòng)相關(guān)肌肉的sEMG信號(hào)，從而找出最能表征膝關(guān)節(jié)屈運(yùn)動(dòng)的肌肉。

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

各肌肉去噪后的波形圖以及功率譜直方圖（如圖5）。

求得各肌肉運(yùn)動(dòng)時(shí)sEMG信號(hào)的均方根值，平伸時(shí)的最大值及最小值。

3.3 模型求解

。取權(quán)重向量w=（0.3，0.5，0.2）。

（1）k=1，對(duì)應(yīng)的為股四頭?。?/p>

，，由于股四頭肌位于皮膚淺層，取其測(cè)量系數(shù)為0.9，則。因此

（2）k=2，對(duì)應(yīng)的為股直肌：

，。由于股四頭肌位于皮膚深層，取其測(cè)量系數(shù)為0.3，則。因此。

（3）對(duì)于k=3，4，5。取m（3）=0.8，m（4）=0.6，m（5）=0.5。

最后求得：

從數(shù)據(jù)中看出，在該權(quán)重下，u（4）最大，即股二頭肌最能表征膝關(guān)節(jié)屈運(yùn)動(dòng)。

4 結(jié)語

該文通過建立表征膝關(guān)節(jié)屈運(yùn)動(dòng)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，從而找出最能表征膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的肌肉，并驗(yàn)證了該模型的正確性，模型通過3項(xiàng)指標(biāo)在一定的權(quán)重下來表示，該模型還有待完善之處，權(quán)重的選著也應(yīng)根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)對(duì)象選取。此外用于模型驗(yàn)證的角度識(shí)別器目前只用于求解膝關(guān)節(jié)連續(xù)上屈時(shí)的角度識(shí)別，但并沒有驗(yàn)證對(duì)于膝關(guān)節(jié)懸停、倒回等動(dòng)作角度的識(shí)別，并且識(shí)別目前還沒有做到實(shí)時(shí)性。這些都是有待繼續(xù)研究的方面。

該文可以為肌電控制肌肉的選擇提供理論依據(jù)，從而減少控制所需的肌肉數(shù)量，減少數(shù)據(jù)，提高運(yùn)算速度。