基于小波变换和盲信号分离的多通道肌电信号处理方法

 为了消除多通道表面肌电信号(SEMG)采集时形成的混叠现象,提出一种新的SEMG处理方法.该方法将小波变换和独立分量分析(ICA)结合,利用小波变换的去噪作用,滤除混合在原始SEMG中的部分噪声后作为ICA的输入信号,采用Infomax算法对输入信号实施盲分离,并引入相关系数验证ICA分量与源信号的一致性.实验结果表明,该方法用于多通道SEMG的盲分离是很有效的.     

一种基于体表肌电信号通信原理的功能性电刺激系统设计

基于传感与通信原理和肌电阈值不应期算法,文中设计了一种基于对侧体表肌电信号控制的上肢功能电刺激原型系统。该系统穿戴方便,具有基本的FES功能、对侧控制FES功能以及体表电极刺激和电针刺激两种输出接口。通过对探测端自主肌电脉冲序列利用阈值不应期算法进行解码并实时生成对应的FES刺激脉冲序列,使受刺激肢体跟随探测端肢体力量运动。文中对健康志愿者上肢腕伸动作进行了力量跟踪实验,测试结果显示,探测端腕关节力矩曲线与刺激端腕关节力矩曲线的相关系数为r=0.925 4,均方根误差RMSE=0.184 3。实验结果显示,该系统能够使志愿者刺激侧腕伸肌较好的跟踪探测端肌肉发力情况,完成腕伸运动功能重建。该原型系统对于偏瘫上肢康复训练具有重要的临床意义。     

基于表面肌电信号的虚拟现实控制系统设计

为了减少传统康复训练的单调乏味,设计了一种利用无线表面肌电控制虚拟现实环境中厨房的实时控制系统。该系统是以MATLAB为平台,利用图形用户界面进行设计;在算法上利用均方值与移动平均窗方法对实时肌电信号进行检测与分割;采用幅值绝对值均值和小波系数奇异值作为特征值;选取支持向量机算法进行模型训练和分类识别;最后,完成对虚拟厨房的动作控制。结果表明,该系统可以完成对虚拟厨房动作的实时控制,平均识别率为90.31%。后续可用于肌肉康复训练的患者,可提供具有沉浸感和真实感的虚拟厨房生活场景,对患者的康复具有积极意义。     

An investigation into four different sit–stand workstation use schedules

Twelve office workers participated in a study investigating effects of four sit/stand schedules (90-min sit/30-min stand, 80/40, 105/15, and 60/60) via several objective and subjective measures (muscle fatigue, foot swelling, spinal shrinkage, and self-reported discomfort). Results showed that there were no significant differences in shoulder and low back static muscle activities between sitting and standing. Muscle fatigue was developed during workday under all schedules. The longest standing schedule seemed to have a tendency of reducing muscle fatigue. None of the schedules helped or worsened foot swelling and spinal shrinkage. More active break-time activities seemed reducing muscle fatigue and foot swelling. While the self-reported bodily discomfort levels were generally low, the preferred schedules among the participants were varied, although the least standing schedule was the least preferred. We may conclude that effects of using sit–stand workstation to improve musculoskeletal health may be limited but promoting more active break-time activities can help.

Practitioner Summary: Sit–stand workstations are used to reduce work-related musculoskeletal disorders. This study shows that office workers prefer sit/stand durations in the range between 1:1 and 3:1. Longer standing may have the potential to reduce muscle fatigue. However, active break-time activities may be more effective in reducing muscle fatigue and foot swelling.     

Biomechanical demands of percussive techniques in the context of early stone toolmaking

Recent discoveries in archaeology and palaeoanthropology highlight that stone tool knapping could have emerged first within the genera Australopithecus or Kenyanthropus rather than Homo. To explore the implications of this hypothesis determining the physical demands and motor control needed for performing the percussive movements during the oldest stone toolmaking technology (i.e. Lomekwian) would help. We analysed the joint angle patterns and muscle activity of a knapping expert using three stone tool replication techniques: unipolar flaking on the passive hammer (PH), bipolar (BP) flaking on the anvil, and multidirectional and multifacial flaking with free hand (FH). PH presents high levels of activity for Biceps brachii and wrist extensors and flexors. By contrast, BP and FH are characterized by high solicitation of forearm pronation. The synergy analyses depict a high muscular and kinematic coordination. Whereas the muscle pattern is very close between the techniques, the kinematic pattern is more variable, especially for PH. FH displays better muscle coordination and conversely lesser joint angle coordination. These observations suggest that the transition from anvil and hammer to freehand knapping techniques in early hominins would have been made possible by the acquisition of a behavioural repertoire producing an evolutionary advantage that gradually would have been beneficial for stone tool production.     

基于sEMG的联合收获机驾驶人腰部肌肉疲劳研究

为探究联合收获机驾驶人驾驶过程中腰部肌肉变化的生理信息,采用对照方法研究了联合收获机驾驶人腰部肌肉疲劳的演化过程。分别采集了120 min收获驾驶和静坐过程中10名联合收获机驾驶人腰部左右竖脊肌的表面肌电信号,探究不同组别腰部左右竖脊肌表面肌电信号的iEMG (integrated electromyogram)、RMS (root mean square)、MPF、MF和样本熵随驾驶时间的变化规律,探讨各特征参数表征腰部疲劳的效度。结果表明：120 min联合收获机收获驾驶操作后腰部左右竖脊肌产生疲劳;对照组腰部左右竖脊肌表面肌电信号的时域、频域和非线性指标在任务前后无显著差异(P>0.05),实验组腰部左右竖脊肌表面肌电信号的iEMG和RMS随驾驶时间显著上升(P<0.05),而MPF、MF和样本熵显著下降(P<0.05);与线性指标相比,样本熵的变异系数最小,能够较好地表征腰部疲劳的生理信息,稳定性较好。     

基于高密度肌电的对称位置发音肌肉对语音识别 贡献的研究

说话是人类正常生活中最重要的技能之一,是发音相关肌肉在神经中枢的控制下协调运动的 结果。表面肌电图法(Surface Electromyography,sEMG)是目前采集肌肉电信号的常用方法,能检测到 可靠的肌肉电生理信息。用肌电信号进行语音分类时,所选的电极位置对分类精度有重大作用。但目 前基于 sEMG 的语音识别方法选取电极位置及数量时没有一个客观的指标,也不清楚发音相关的面、 颈部左右两侧对称位置电极对肌电语音识别的贡献是否冗余。该文使用 120 通道电极(关于面中、颈 中对称)采集了 8 名发音正常的受试者分别发 5 个中文单词和 5 个英文单词时的面、颈部 sEMG,考察 了面、颈部左右两侧对称位置 sEMG 对语音识别的贡献。结果表明,发音过程中面、颈部左右两侧肌 肉活动有相似的变化规律,但整个活动过程中面部对称位置的相关性比颈部低;使用颈部左侧、右侧 的肌电信号进行语音分类的分类精度区别不大,而使用面部左、右两侧肌电信号的分类结果差异较明 显。因此,颈部对称位置的 sEMG 信号对语音识别贡献程度具有一致性,而面部则不具有,这为后续 研究减少电极数量和选择最佳通道提供了新思路。     

基于高阶滤波的肌电信号采集电路设计

针对表面肌电信号(sEMG)信号微弱、频率低、极易受到干扰的特点,设计了具有高共模抑制比、放大增益灵活可调、具有良好抗噪声性能的sEMG信号采集电路.信号的放大部分采用两级放大方案,以避免噪声被过分放大造成肌电信号被淹没的问题.带通滤波器部分由两组5阶Sallen-Key低通和高通滤波电路级联而成,阻带下降速度很快,近似达到-100 dB/(°),对噪声及其他生理电信号干扰的衰减能力极强.针对工频干扰问题,在陷波器部分设置Q值调节电位器,根据实测情况灵活调节电位器旋钮以便获取最佳采集效果.测试结果表明,所设计的电路放大增益可以达到60 dB,对50 Hz工频干扰有很好的抑制作用,可以有效提取20 Hz～500 Hz之间的有用信号,具有良好的抗噪声性能.     

基于边际谱熵的肌肉疲劳实时评估方法研究

肌肉疲劳是一种复杂的生理现象。针对利用表面肌电信号实时评估肌肉疲劳,要求疲劳指标兼具快速、可靠、抗噪的问题,提出基于边际谱熵的肌肉疲劳实时评估方法。首先,利用不同数据长度的确定性周期信号和高斯白噪声分析了边际谱熵快速性与数据长度稳健性;其次,利用10名受试者握力持续静态收缩状态下从100%MVC下降到50%MVC时桡侧腕长伸肌的肌肉疲劳信号,分析了边际谱熵评估肌肉疲劳的可靠性与应用于不同个体的稳定性;最后,在某一受试者肌肉疲劳信号中加入高斯白噪声和心电噪声考察了边际谱熵的抗噪性。实验结果表明,边际谱熵与近似熵和中值频率相比计算快速,数据长度稳健性更优;线性拟合优度较佳(0.46±0.14),能可靠地评估肌肉疲劳;斜率变异系数较低(30.30%),对不同个体稳定性高;加入高斯白噪声和心电噪声后边际谱熵拟合优度变化率较低(分别为34.39%和3.78%),具有良好的抗噪性。因此边际谱熵兼具快速、能可靠评估肌肉疲劳以及抗噪等优点,为实时评估肌肉疲劳提供一种新方法。     

支持向量机在肌电信号模式识别中的应用

为了提高肌电信号多运动模式识别的准确性和实时性,提出了一种基于支持向量机的动作模式分类算法.在给出支持向量机的原理及其多类问题的基本算法基础上,着重介绍了两种改进的支持向量机多类识别算法,即有向无环图算法和基于先聚类后分类的二叉树算法,并比较了它们的优缺点.实验结果表明,针对前臂肌电信号的多运动模式分类,先聚类后分类的二叉树算法具有较高的分类准确性,更少的计算量,更好的实时性.