表面肌電信號(hào)人機(jī)接口技術(shù)研究

侯秀麗

（安徽商貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系,安徽 蕪湖241002）

表面肌電信號(hào)（surface Electromyosignal，sEMG）記錄了肌肉自主收縮時(shí)由肌肉纖維產(chǎn)生的電生理活動(dòng)信息。可通過(guò)表面電極拾取，因此稱(chēng)為表面肌電信號(hào)，它主要是淺層肌肉和神經(jīng)干上電活動(dòng)的綜合效應(yīng)[1]。由于使用表面電極采集很方便，可避免針電極采集信號(hào)時(shí)插入人體肌肉造成創(chuàng)傷，不會(huì)給被試帶來(lái)不愉快的體驗(yàn)，而且進(jìn)行信號(hào)采集時(shí)不需要醫(yī)務(wù)人員在場(chǎng)，對(duì)場(chǎng)地沒(méi)有特別要求，方便實(shí)施，因此近年來(lái)表面肌電信號(hào)得到了廣泛應(yīng)用，如在康復(fù)醫(yī)學(xué)及競(jìng)技體育等多領(lǐng)域。

1 人體肌電信號(hào)產(chǎn)生的生理學(xué)機(jī)理

廣義的肌電信號(hào)泛指人體肌肉電信號(hào)，根據(jù)解剖醫(yī)學(xué)知識(shí)可知，骨骼肌作為人體三種肌肉中很重要的一種，與另外兩種（平滑肌和心肌）相比，它廣泛參與肌體運(yùn)動(dòng)，受神經(jīng)沖動(dòng)或抑制支配時(shí)收縮幅度更明顯，是表面肌電信號(hào)研究的主要對(duì)象。因?yàn)槿梭w肌體的各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)一般都需要在神經(jīng)系統(tǒng)支配下，骨骼肌各塊肌肉相互配合將興奮(收縮)作用于骨骼，進(jìn)而使人體產(chǎn)生各種協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)肌細(xì)胞內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)電位高低的變化，該電位就是肌電信號(hào)。

圖1 肌電信號(hào)產(chǎn)生機(jī)理示意圖

如圖1 所示，在中樞神經(jīng)系統(tǒng)控制下，人體脊髓中的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元產(chǎn)生的電脈沖沿軸突傳導(dǎo)到肌纖維，導(dǎo)致大量肌纖維收縮產(chǎn)生肌肉力。其實(shí)質(zhì)是肌纖維的動(dòng)作電位傳播引起的肌肉收縮，該動(dòng)作電位信號(hào)傳播過(guò)程中在人體軟組織中建立起電場(chǎng)，能夠在檢測(cè)電極間表現(xiàn)出電勢(shì)的高低，各肌纖維在檢測(cè)點(diǎn)引起電位的總和構(gòu)成運(yùn)動(dòng)單元的動(dòng)作電位（Motor Unit Action Motion,MUAP），使用市面上常見(jiàn)的表面電極即可收集骨骼肌動(dòng)作產(chǎn)生的不同肌電信號(hào)。

2 表面肌電信號(hào)的特點(diǎn)與應(yīng)用領(lǐng)域

2.1 表面肌電信號(hào)的非平穩(wěn)性分析

由前面分析可知，肌電信號(hào)是由MUAP 產(chǎn)生的，MUAP 內(nèi)所有肌纖維產(chǎn)生的肌電信號(hào)基本相似。一塊肌肉興奮越強(qiáng)，其參與收縮的運(yùn)動(dòng)單位數(shù)目越多。同一塊肌肉不同位置的MUAP 對(duì)應(yīng)的肌電信號(hào)傳到皮膚表面所走的路徑不一樣，所需時(shí)間就不相同，因此，在信號(hào)采集處獲得的相位和幅值就不一樣。這些信號(hào)的無(wú)序疊加造成了sEMG 的非平穩(wěn)性。此外，完成一個(gè)動(dòng)作通常要原動(dòng)肌及固定肌等多塊肌肉得協(xié)同動(dòng)作，不同肌肉在協(xié)同動(dòng)作時(shí)都將對(duì)sEMG 產(chǎn)生影響，進(jìn)一步加劇了肌電信號(hào)的非平穩(wěn)性。

表面肌電信號(hào)作為眾多肌纖維中MUAP 的疊加，能在一定程度上有效反映人體神經(jīng)、肌肉功能和狀態(tài)。不管是使用濕的還是干的表面電極，其采集到的sEMG 特征可概括如下：

表1 表面肌電信號(hào)主要特征

2.2 表面肌電信號(hào)應(yīng)用領(lǐng)域

盡管表面肌電信號(hào)很微弱，且具有非常強(qiáng)的非平穩(wěn)性，采集時(shí)與貼片電極所放的具體位置、被試者皮下脂肪厚度、體表溫度的變化等因素都有關(guān)系，容易受到干擾等，但因其能較好地反映神經(jīng)肌肉功能與狀態(tài)，采集無(wú)創(chuàng)性、便捷操作等，在基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究、臨床診斷、康復(fù)醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。例如在臨床醫(yī)學(xué)中用于人體神經(jīng)或者肌肉相關(guān)疾病的判斷、在人機(jī)工效學(xué)領(lǐng)域用做肌肉工作的工效學(xué)分析，在康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的肌肉功能評(píng)價(jià)以及在競(jìng)技體育科學(xué)中的疲勞判定、運(yùn)動(dòng)技術(shù)合理性分析、肌纖維類(lèi)型和無(wú)氧閾值的無(wú)損傷性預(yù)測(cè)等方面都有著十分重要的應(yīng)用價(jià)值[2]。國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者都展開(kāi)了相關(guān)研究，一般醫(yī)療機(jī)構(gòu)通常使用肌電圖儀采集人體肌電信號(hào)，根據(jù)肌電信號(hào)波形不同，做趨勢(shì)分析，判斷肌肉損傷，進(jìn)行某些疾病如帕金森病的輔助診斷等。科研院所的研究學(xué)者大多使用表面電極來(lái)采集肌電信號(hào)，針對(duì)不同應(yīng)用背景做相應(yīng)的模式分類(lèi)，探索用于不同實(shí)踐。

由第一部分分析可知，在肌肉收縮前就已產(chǎn)生肌電信號(hào)，因此肌電信號(hào)超前于肌肉力。肌肉發(fā)力是通過(guò)肌肉收縮產(chǎn)生的，而肌電信號(hào)在肌肉收縮前就已經(jīng)可以檢測(cè)到了。所以可通過(guò)開(kāi)發(fā)肌電信號(hào)檢測(cè)與控制裝置，在肌肉動(dòng)作尚未完成時(shí)就拾取肌電信號(hào)，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)高速處理用于人機(jī)接口，能夠明顯提高人機(jī)接口的交互速度，有助于在軍事戰(zhàn)斗或競(jìng)技體育中先發(fā)制人，如飛行員控制戰(zhàn)斗機(jī)和敵人進(jìn)行空中軍事格斗，F(xiàn)1 賽車(chē)手控制方程式賽車(chē)在復(fù)雜路況下快速行駛）等在需要增強(qiáng)控制靈活性和響應(yīng)快速性的場(chǎng)合具有巨大的應(yīng)用前景。

3 表面肌電信號(hào)的采集與處理

3.1 表面肌電信號(hào)采集實(shí)驗(yàn)

由于肌電信號(hào)的主要特征是非平穩(wěn)的隨機(jī)過(guò)程，考慮到實(shí)際應(yīng)用中的工頻干擾情況，項(xiàng)目組成員合作設(shè)計(jì)了一套嵌入式的肌電信號(hào)采集儀，該系統(tǒng)是在筆者攻讀碩士期間所在的實(shí)驗(yàn)室成員自行研制的肌電信號(hào)采集系統(tǒng)基礎(chǔ)上，又進(jìn)一步完善，經(jīng)過(guò)多次調(diào)整最后完成的。在進(jìn)行信號(hào)采集時(shí)，首先用酒精棉擦拭被試者前臂皮膚，固定好Ag-AgCl 貼片電極，要求被試端坐在舒適的椅子上，采取舒展的上身姿勢(shì)，手臂自然放松，調(diào)整前臂狀態(tài)，使其不做動(dòng)作時(shí)，通過(guò)儀器面板觀察不到與動(dòng)作相關(guān)的活動(dòng)電信號(hào)。然后按照采集實(shí)驗(yàn)要求，進(jìn)行幾次練習(xí)后，指導(dǎo)被試熟悉具體要求，再完成指定的幾個(gè)手臂動(dòng)作，每個(gè)動(dòng)作完成若干次，時(shí)間間隔設(shè)置為1 秒鐘，采樣頻率設(shè)置為1000 赫茲，通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄下這些被試者進(jìn)行上肢動(dòng)作時(shí)的肌電信號(hào)原始數(shù)據(jù)，保存到指定位置?？梢愿鶕?jù)采集實(shí)驗(yàn)日期，分別建立數(shù)據(jù)目錄，同時(shí)記錄被試者基本信息（如年齡段、性別等），方便后續(xù)進(jìn)一步分析。

需要注意的是，在被試完成不同動(dòng)作時(shí)，實(shí)驗(yàn)操作人員要盡量保證貼片電極的位置穩(wěn)定，在黏貼時(shí)就要固定好，以免電極移動(dòng)或者脫落，導(dǎo)致采集到的數(shù)據(jù)無(wú)效情況。

3.2 表面肌電信號(hào)處理過(guò)程

通過(guò)上面的采集實(shí)驗(yàn)，使用銀- 氯化銀表面電極獲得到的大量人體上臂動(dòng)作的表面肌電信號(hào)通常很微弱，一般不超過(guò)5毫伏，有些甚至是微伏級(jí)的，而且里面混雜有噪聲干擾。需要進(jìn)行濾波，然后才能提取時(shí)頻域的特征，信號(hào)處理流程如下：

圖2 表面肌電信號(hào)處理

如圖2 所示，首先采用高精密儀用放大器，設(shè)計(jì)多級(jí)放大電路提高信號(hào)幅值。又由于干擾源多樣性，必須通過(guò)多種方式來(lái)降低噪聲，詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)2。只有濾除噪聲干擾，才能提取信號(hào)有用特征，為此筆者設(shè)計(jì)了巴特沃斯濾波器，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)調(diào)整，可以較好地濾除干擾，又不損失太多有用的肌電信號(hào)，為后續(xù)特征提取與動(dòng)作模式識(shí)別奠定了基礎(chǔ)。

4 表面肌電信號(hào)人接接口應(yīng)用

人機(jī)接口是人和機(jī)器之間進(jìn)行信息交互的一種裝置。由于肌肉電信號(hào)中包含了人體動(dòng)作力度、位置等豐富信息，使得建立基于肌電信號(hào)的人機(jī)接口成為可能。假肢作為人機(jī)接口中的一種，對(duì)于手臂截肢患者至關(guān)重要，通過(guò)穿戴假肢能幫助其恢復(fù)一定的手部功能。最初的假肢只是裝飾性的或者僅具有簡(jiǎn)單功能[3]。經(jīng)過(guò)不斷發(fā)展，目前出現(xiàn)的新型肌電控制假肢具有很多傳統(tǒng)假肢不具備的優(yōu)點(diǎn)，如可以量身定制、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作自如、操作方便等，越來(lái)越獲得廣泛應(yīng)用。

使用肌電信號(hào)控制的假肢，實(shí)物如圖3 所示，該假肢有三個(gè)手指，拇指、食指和中指，用一個(gè)微型電機(jī)帶動(dòng)減速機(jī)構(gòu)完成驅(qū)動(dòng)，假手后端連接的筒壁用高性能樹(shù)脂材料制作，輕薄有韌性，方便套在殘臂上。手指前端可以套上乳膠手套，外表逼真，具備仿生功能。能根據(jù)殘疾人神經(jīng)以及上肢殘臂的肌肉動(dòng)作去控制假手的張開(kāi)、合攏，完成相應(yīng)的抓取與放開(kāi)等基本動(dòng)作。該肌電假手可以根據(jù)殘疾患者的實(shí)際情況定制手臂的粗細(xì)、長(zhǎng)短等，手指也可以設(shè)計(jì)，使其穿戴更加合身，工作可靠，為他們?nèi)粘Ｐ袆?dòng)帶來(lái)很多便利，顯著提高其生活質(zhì)量。

圖3 肌電信號(hào)控制的假肢實(shí)物圖

為了能夠控制肌電假肢精準(zhǔn)反映使用者意圖，實(shí)現(xiàn)多自由度靈巧操作。還需要通過(guò)大量試驗(yàn)，采集更多不同被試者前臂、手腕部、甚至是手指精細(xì)動(dòng)作對(duì)應(yīng)的肌電信號(hào)，并且綜合運(yùn)用多種信號(hào)分析方法如小波分析、主成分分析等，合理提取特征參數(shù)，設(shè)計(jì)先進(jìn)的分類(lèi)器，通過(guò)大量學(xué)習(xí)訓(xùn)練，最終做出準(zhǔn)確模式分類(lèi)，用于驅(qū)動(dòng)假肢精準(zhǔn)完成不同動(dòng)作，進(jìn)一步提高使用者生活質(zhì)量。