表面肌電信號檢測和處理中若干關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、表面肌電(sEMG)信號是一種伴隨肌肉活動的電生理信號。基于表面肌電的人體動作識別、表面肌電信號的分解是當(dāng)前這個領(lǐng)域研究的兩大熱點(diǎn)。其中，前者旨在提供一種更自然、便捷、有效的人機(jī)交互方式，在假肢控制、移動設(shè)備操控、手語識別、運(yùn)動電子產(chǎn)品、游戲娛樂產(chǎn)品、作戰(zhàn)指揮等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值；后者旨在從表面肌電信號中提取神經(jīng)肌肉運(yùn)動單位募集、發(fā)放信息和MUAP波形信息，研究神經(jīng)肌肉系統(tǒng)的控制機(jī)理，并為神經(jīng)肌肉疾病的診斷提供依據(jù)。
　　

2、與插入式肌電信號(iEMG)相比，sEMG信號具有檢測無創(chuàng)性的優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用范圍更廣。但由于是從皮膚表面檢測信號電極面積較大，同時受到肌肉、脂肪和皮膚組織的低通濾波效應(yīng)影響，其信噪比較低，波形變異性較大，對其檢測和處理的難度也相應(yīng)增大。目前在基于sEMG信號的動作識別與人機(jī)交互研究以及在sEMG信號分解研究中，仍存在一些技術(shù)問題需要解決，例如：具有特定應(yīng)用場合的sEMG電極；電極的噪聲、阻抗和環(huán)境適應(yīng)能力；抑制工頻干擾的方法；適合人機(jī)交

3、互的低噪聲、低功耗、可穿戴sEMG信號采集系統(tǒng)；實(shí)時、高效率、可結(jié)構(gòu)化的動作識別方法；連續(xù)手勢動作的識別方法：有效獲取sEMG時空信息的高密度、高性能、低噪聲電極陣列的研制。本文即是圍繞上述問題展開研究，主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)歸納如下：
　　 1.高質(zhì)量表面肌電檢測電極的研制和性能分析。緊密圍繞sEMG信號檢測的應(yīng)用場合，研制了具有便捷性和耐用性的各類干電極。其中線形電極結(jié)構(gòu)簡單、便捷耐用，印制電極外形靈活、佩戴舒適，彈簧探針電極接觸

4、良好、時空分辨力高。通過實(shí)驗(yàn)對各種自制電極的噪聲進(jìn)行了測定分析；研制矢量導(dǎo)納測試裝置，并利用該裝置研究了各種電極阻抗的時變規(guī)律、頻率響應(yīng)以及壓強(qiáng)、皮膚處理方式對阻抗的影響；改進(jìn)放大電路的結(jié)構(gòu)，有效的濾除了運(yùn)動偽跡。這些方法和結(jié)果對sEMG信號檢測工作具有普遍意義。
　　 2.微弱表面肌電信號檢測中的工頻干擾及消除方法。提出了基于鎖相環(huán)同步時鐘的時域分組濾波法以抑制工頻干擾，與傳統(tǒng)的工頻消除算法不同，這是一種軟硬件相結(jié)合的方法，具

5、有快速、有效、可結(jié)構(gòu)化的特點(diǎn)。設(shè)計(jì)和研制了一種新穎的、具有雙變壓器結(jié)構(gòu)的工頻隔離電源，通過互補(bǔ)抵消的作用，巧妙地實(shí)現(xiàn)了使輸入、輸出達(dá)到低噪聲、低共模干擾的目標(biāo)。另外，采用金屬板屏蔽、全電池供電隔離采集等方法，有效的實(shí)現(xiàn)了工頻抑制。
　　 3.多種不同應(yīng)用的表面肌電信號采集系統(tǒng)研制。針對不同應(yīng)用場合，設(shè)計(jì)和研制了多種高信噪比、高共模抑制能力的sEMG信號采集系統(tǒng)，包括配置有源電極的sEMG采集系統(tǒng)、調(diào)頻無線sEMG采集系統(tǒng)、2.4

6、GHz無線數(shù)字傳輸sEMG與加速度采集系統(tǒng)和基于藍(lán)牙的無線sEMG與加速度采集系統(tǒng)。采用多項(xiàng)技術(shù)和措施提高傳感器和系統(tǒng)的性能，以減小其體積、重量和功耗，增強(qiáng)其便攜性和可穿戴性，從而可為穿戴式計(jì)算機(jī)和移動手持設(shè)備提供若干種全新的交互方式。
　　 4.基于表面肌電信號的實(shí)時手勢識別及FPGA實(shí)現(xiàn)。適應(yīng)基于sEMG的人機(jī)交互設(shè)備微型化、芯片化的要求，采用一系列可靠、快速、結(jié)構(gòu)化的方法進(jìn)行實(shí)時手勢識別，并將其應(yīng)用于FPGA平臺。其中，提

7、出了三級緩存控制方法、基于循環(huán)隊(duì)列的快速活動段檢測方法；提取各通道絕對值均值與AR模型系數(shù)作為特征；采用加權(quán)歐式空間距離和LDC貝葉斯分類器進(jìn)行分類。另外構(gòu)建了實(shí)時手勢識別平臺并對手勢識別的速度、準(zhǔn)確率、多用戶適應(yīng)能力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。
　　 5.基于表面肌電信號的連續(xù)手勢識別。提出一種基于短時能量特征的連續(xù)手勢識別方法。這種方法根據(jù)測得信號的能量大小及其與標(biāo)準(zhǔn)動作模板的匹配程度進(jìn)行識別，具有每一次采樣隨即識別一次的高速度，可以不

8、依賴于活動段，獲得連續(xù)的手勢識別結(jié)果。
　　 6.獲取表面肌電時空信息的高密度電極研究。運(yùn)用雙差分電極進(jìn)行手勢sEMG信號研究，實(shí)驗(yàn)證實(shí)該電極具有較高的位置分辨能力和位置敏感程度。設(shè)計(jì)和研制了帶有前級放大器的集成sEMG電極陣列傳感器，這種集成方式可以很大程度的減少外界干擾，降低噪聲。運(yùn)用該傳感器進(jìn)行了肌纖維傳導(dǎo)速度測定；采用自相關(guān)主峰寬度近似表達(dá)MUAP時限，用此方法評估了印制電極與彈簧探針電極的MUAP時限特性；以空問濾波方