人体下肢表面肌电信号的检测与分析

ISSN 100020054 CN 1122223öN 　 清华大学学报 (自然科学版)J T singhua U niv (Sci & Tech) , 2000 年 第 40 卷 第 8 期2000, V o l. 40, N o. 8 20ö3373 76 　 人体下肢表面肌电信号的检测与分析3 张瑞红, 　王人成, 　金德闻, 　张济川 (清华大学 精密仪器与机械学系, 北京 100084) 　　收稿日期: 1999207212 　　作者简介: 张瑞红 (19722) , 女 (汉) , 河北, 博士研究生 　3 基金项目: 国家自然科学基金项目 (39770214) 文　摘: 人体步行时下肢肌电信号 (EM G)活跃, 为研究步态 周期内 EM G 随路况的变化趋势, 采用了下肢表面 EM G 8 通道检测装置进行了实验, 对多人在 6 种路况 (或步速) 下 行走时的下肢 EM G 进行了检测和分析。实验结果表明, 步 行时下肢肌肉活动有一定的规律性; 各路况信号开始及持 续时间、信号绝对值平均、中频等特征值区分明显, 可以将其 应用于智能肌电控制假肢路况模式辨识。 关键词: 表面肌电信号; 信号分析; 下肢 中图分类号: R 318 文献标识码: A 文 章 编 号: 100020054 (2000) 0820073204 　　肌电信号 (EM G) 是中枢神经系统支配肌肉活 动时伴随的电变化, 是最早被人类发现的生物电现 象, 它已经被广泛应用在临床医学、运动医学、生物 医学与工程等领域。尤其是表面 EM G, 无创伤测量 的优点使它在康复医学工程界倍受重视[1 ]。在上肢 假肢的设计中, 通过提取截肢者残端表面 EM G, 成 功地实现了动力假肢的控制, 使之动作更自然, 控制 更方便。但是目前用 EM G 控制的下肢假肢尚处于 探索阶段[2, 3 ]。文中针对不同路况下下肢表面 EM G 的检测及其分析方法进行了探讨, 结果表明可以作 为智能型下肢假肢的控制信号。 1　下肢表面 EM G 的检测 1. 1　下肢表面 EM G 检测装置 下肢表面肌电测量系统主要由表面 EM G 测试 装置 (8 路)、脚尖脚跟开关电路、记录分析软件 3 部 分组成, 其原理框图如图 1 所示。 表面电极是参考O tto Bock 肌电假手的电极设 计制作的[4 ] , 极片基体为铜质, 表面镀银。电极形式 图 1　下肢表面肌电测量系统框图 采用双极型, 为了减少信号噪声, 提高电路对共模信 号的抑制能力, 在两个电极中间插入了一个无关电 极。只需将表面电极紧贴皮肤, 即可测得表面肌电 信号。 测量中的难点是, 步行下肢肌电信号是无意识 收缩信号, 信号幅值小、背景噪声复杂。针对于此, 选 用了具有较高输入阻抗和共模抑制能力的三运放放 大电路作为前置放大器。该电路放大比为 1 000 倍。 同时, 为了适应更大的 EM G 采集范围, 在A öD 之 前有一可调增益电路。放大范围在 10～ 50 之间。为 了消除背景噪声, 除了根据 EM G 的需要处理电路 选用了几组高、低通滤波器外 (500 H z 低通, 6 H z 高通) , 还采用了实用型有源双 T 带阻滤波器作为 工频干扰抑制电路。 与其他 EM G 测量系统不同的是, 本系统是针 对下肢步行运动进行测量的。人的行走是周期性的, 步态的测量中 EM G 相对于步行周期的活跃程度是 以摆动期、支撑期开始结束时间为相对坐标的。摆动 期、支撑期的划分则是以脚尖、脚跟的触离地时间为 依据。因此, 在测量 EM G 时, 有必要同时记录下脚 尖、脚跟触离地时间。这部分电路由分别置于脚尖及 脚跟的触发开关记录下电平的变化, 无须放大, 通过 逻辑电路直接进入A öD 板。该电路和肌电放大电路 共地, 但分别用两个不同电源供电。 1. 2　实　验 利用图 1 装置对上下楼梯, 上下坡、平地 (快速、 慢速) 等路况行走时大腿上 8 块肌肉的表面 EM G 进行了检测, 并同时记录了脚跟、脚尖触、离地时间。 8 块大腿肌肉分别为: 股内侧肌、股外侧肌、股直 肌、长收肌、阔筋膜张肌、股二头肌、半腱肌、半膜肌。 受试者共 13 人, 7 男 6 女, 均为健康者。基本状 况如表 1 所示。 表 1　受试者数据 性别 年龄ö岁 身高öm 体质量ökg 人数 男 25±5 1. 70±0. 06 62±15 7 女 25±4 1. 59±0. 05 48±7 6 　　受试者每种路况及步速均重复检测 3～ 5 遍。图 2 为某一受试者平地行走记录到的各肌肉 EM G 变 化情况。 图 2　平地行走一个步态周期内肌电信号 为了降低实验中的误差, 使记录数据有效, 在实 验初期分别进行以下两类对比: ① 同一人在相同 路况下, 对同一肌肉的不同次测量的肌电信号对比; ② 不同人之间, 同一路况、同一肌肉的肌电信号对 比。通过对比看出: ① 同一人在相同路况下行走 时, 不同时间各肌肉 EM G 的重复性很好; ② 不同 人的同一肌肉肌电信号幅值大小有差异, 但一个步 态周期内的变化趋势十分相似。这说明不同人相同 肌肉在步行中具有相似的活跃性 (见图 3)。因此, 当 进行肌电信号特征值分析时, 若是针对变化趋势提 取的特征值, 不同个体间的特征值将是相同的 (至少 相差不多) , 若是针对幅值提取的特征值, 不同个体 需设定不同的阈值。 2　表面 EM G 的分析 通过对实验数据观察发现, 所测各肌肉在行走 过程中活动活跃, 尤其是在摆动期末期, 支撑期初 期, 多数肌肉处于兴奋期, 在支撑末期, 摆动期初期, 处于休眠期。 在平地行走时, 股二头肌、半腱肌、半膜肌同为 大腿后侧肌肉, 其 EM G 相似, 只是在兴奋开始时间 上稍有提前或滞后。大腿前侧肌肉, 股内侧肌、股外 侧肌 EM G 相似, 股直肌在支撑末期和摆动初期的 一段时间里, 有一定程度的兴奋。阔筋膜张肌的兴奋 时间发生在支撑前期和中期, 在摆动初期也有一定 程度的兴奋期。长收肌则是支撑前期和中期处于休 眠期, 在支撑末期和摆动末期有肌电活动 (见图 2)。 在上坡时, 要克服重力作功, 支撑期大腿后侧肌 群兴奋持续时间延长, 这说明大腿后侧肌群作功明 显。同样原因, 上楼梯时支撑期大腿后侧肌群兴奋持 续时间也比平地时延长。在下坡时, 摆动期大腿后侧 肌群活跃时间比平地行走时缩短, 在支撑期基本没 有活动, 肌群活跃主要发生在摆动末期。 大腿前侧肌群在上坡和上楼梯时表现为兴奋开 始时间延迟。在下坡和下楼梯时大腿前侧肌群兴奋 时间比平地行走时延长。在整个支撑期都处于兴奋 期。阔筋膜张肌和长收肌在坡路和楼梯上行走时兴 奋时间都比平地时延长。当上楼梯时阔筋膜张肌的 两段兴奋期连成了一段。 为了研究 EM G 随路况的变化特点, 对各路况 EM G 提取了 4 种特征值: 1) 信号开始时间: T b = T 1 T 0 , (1) 式中: T 1 为 EM G 相对于本周期的兴奋开始时刻, T 0 为该步态周期持续时间。 2) 信号持续时间: T b = T 2 - T 1 T 0 , (2) 式中, T 2 为 EM G 的兴奋结束时间。 3) 信号绝对值平均: V = 1N 6Ni= 1 ûx iû , 　 ( i = 1, 2, ⋯,N ) , (3) 式中: N 为该段时间内的采样点数, x i 为第 i 个采 样点的 EM G 信号幅值。 4) 中频: EM G 功率谱可以用来衡量肌肉的活 跃程度, 常被用于肌肉疲劳程度的判别, 等长收缩中 47 清 华 大 学 学 报 (自 然 科 学 版) 2000, 40 (8) 图 3　不同人的股二头肌 EM G 各路况对比 图 4　13 名受试者各路况股二头肌 EM G 特征值的 均值和方差分布 中频将随肌肉兴奋时间的延长而下降。其中, 中频根 据式 (4) 进行了定义: 设 S (f ) 为功率谱密度函数, 则将 S (f ) 平分为两个相等面积的频率值 Fm 称为 中频值: ∫ F m 0 S (f ) df =∫ ∞ F m S (f ) df . (4) 　　对 8 块肌肉分别按上述公式进行计算, 可获得 各路况下的信号特征值的均值和方差。图 4 给出了 前述 13 名受试者对股二头肌测试的样本统计结果。 各路况下的肌电特征值的均值各不相同。但有的路 况之间方差分布有所交叉。由单一特征值可区分出 某几种路况。 对其他肌肉的肌电信号特征值分析发现: 在上 坡与下坡, 上下楼梯时股二头肌 EM G 的兴奋开始 时间区分明显; 上、下楼梯的 EM G 持续时间区分 明显; 上下坡及下楼梯的 EM G 信号绝对值平均和 其他路况的区分明显; 下楼梯的中频和坡路及平地 路况的区分明显。若按照其他肌肉的特征值来区分, 也可以将某一路况从其他路况下区分开来。特征值 计算方法不同, 所区分开的路况也各不相同。 3　结　论 1) 在平地行走时, 股二头肌、半腱肌、半膜肌、 股内侧肌、股外侧肌 EM G 在摆动末期和支撑初期 活动活跃, 股直肌在支撑末期和摆动初期有 2 段活 跃期。阔筋膜张肌 2 段活跃期发生在支撑前期、中期 和摆动初期。长收肌则是在支撑末期和摆动期末期 有肌电活动。 2) 不同路况下, EM G 活动方式不同, 各路况 下 EM G 特征参数区别明显。在上坡和上楼梯时, 支 撑期大腿后侧肌群兴奋持续时间延长, 大腿前侧肌 群兴奋开始时间延迟。在下坡和下楼梯时, 摆动期大 腿后侧肌群活跃时间比平地行走时缩短, 在支撑期 基本没有活动, 肌群活跃主要发生在摆动末期。大腿 前侧肌群表现为兴奋时间比平地行走时延长。在整 个支撑期都处于兴奋期。阔筋膜张肌和长收肌在坡 路和楼梯上行走时兴奋时间都比平地时延长。当上 57张瑞红, 等: 　人体下肢表面肌电信号的检测与分析 楼梯时阔筋膜张肌的两段兴奋期连成了一段。 3) 具体的数值计算可见, EM G 特征值各路况 下是有区别的。按照肌肉的某一特征值可以将某一 路况从其他路况下区分开来。在假肢肌电控制路况 模式设计中, 该特性可望获得应用。 [参考文献 ]　References [1 ] W ang R encheng, H uang Changhua, L i Bo, et a l. 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( in Ch inese) Ana lys is and m ea surem en t of a lower l im b surface EM G dur ing walk ing ZHANG Ruihong , W ANG Re nche ng , J IN D ew e n, ZHANG J ichua n (D epartm ent of P recision Instrum ents and M echano logy, T singhua U niversity, Beijing 100084, Ch ina) Abstract: E lectrom yography (EM G) is u sed to m easure hum an low er ex trem ity activity during w alk ing. The differen t trends w hen w alk ing over differen t terra in w ere m easu red w ith an 82channel low er ex trem ity EM G detection system. Samp les w ere taken w ith peop le w alk ing on 6 differen t terra ins. T he experim en tal resu lts indicate that the EM G signals fo r the differen t peop le are related. T he onset t im e and the du ration of the EM G, the in tegral of the abso lu te value ( IAV ) , and the m edian EM G frequency are all d ifferen t fo r peop le w alk ing on differen t terrains o r at differen t speeds. T hese p ropert ies m ay be used in gait pattern iden tificat ion algo rithm s fo r EM G contro lled in telligen t A öK p ro sthesis. Key words: electrom yography (EM G) ; signal analysis; low er lim b 书　讯 《虚拟局域网》 虚拟局域网 (V irtua l LAN ) 是近年来兴起的一种新技术, 可广泛应用于企业网、大型局域网中, 支持诸 如工作组通讯等应用。该书在分析虚拟组织和网络构造技术的基础上, 详细描述了VLAN 的有关标准和通 讯。同时就如何管理VLAN 和VLAN 中的安全问题进行了细致的讨论, 在此基础上比较了VLAN 的 优劣势并做了性能分析。最后, 介绍了当前一些主要的支持VLAN 的产品以及未来的发展方向。 该书既可以作为高等院校计算机和通讯专业的研究生及高年级本科生的教学参考书, 也可供从事计算 机网络和应用方面的工程技术人员阅读。 该书由清华大学出版社出版。 67 清 华 大 学 学 报 (自 然 科 学 版) 2000, 40 (8)