CN102170825A - 生物信号的测量 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种测量人或动物机体内与肌肉收缩相关的生物信号的装置。该装置包括与该机体接触放置以测量该肌肉收缩信号的传感器。该装置还包括测量该传感器和该机体之间的接触力和/或相对移动的装置。

Description

生物信号的测量
技术领域
本发明涉及由生物实体产生的信号的测量以控制人造设备，尤其是，但不限于，涉及控制通过肌电、肌声或类似控制界面(interface)来控制假体、矫形器或其他设备。
背景技术
对于断肢的人，通常会为他们安装“义肢”或假体。假体可能是完全被动的并且主要起到装饰作用，但也可以与机械关节结合，使用者通过安全带装置带动该机械关节。更加常见的，可能是具有由电机驱动的机械关节的假体。电子控制系统基于使用者发出的各种控制信号控制这些电机。上肢假体的最新技术是通过活动性肌肉产生的肌电信号进行控制，由位于皮肤表面的电极记录这些肌电信号以控制假体。肌电信号的大小粗略地与下层肌肉(underlying muscle)的收缩程度成正比。控制系统通过检测一个或一系列这种信号的大小来检测相关肌肉的收缩程度，从而预测使用者的活动意向，并相应地控制假体的移动。
这种系统不同变形的示例有很多，其中一种由Gammer等人公开(加拿大专利号2148577)。该文件中描述了一种系统，其中，使用者可通过改变在他们皮肤表面测量到的肌电信号的大小来相应地控制假手的关节速度和抓握力。
表面肌电信号是通过与待测肌肉附近的皮肤有物理接触的电极来检测的，并且通常会被前置放大以后再传输到控制系统以作进一步的处理。被测信号中的肌电信号与其它大部分的生物电信号一样，极易受到电磁干扰或非意愿人为干扰的影响。这些人为干扰会引起肌电信号的变化，这种变化被控制系统错误地识别为肌肉收缩水平或模式的变化，并因此造成假体发出与使用者意愿不同的动作。这个问题的重要性随着现今假体中可控关节的增多以及由此产生的对更加复杂和精密的控制系统的需求而日益凸显出来。
Smits已经提出(美国专利号5,711,307)对被检测信号中的噪声量进行持续估计，并当检测到的噪声水平超过预设的阈值时关闭该信号。但是，这种方案对于实时控制系统来说并不理想，特别是对于使用假体的情况来说，这种方案将导致使用者无法进行控制。
申请人已经认识到，表面肌电信号还极易受到以下情况带来的人为干扰的影响：湿度水平的变化(即电极周围积聚汗水)，电极和下层组织(underlyingtissue)之间的相对移动以及接触力(包括法向力，剪切以及撕裂力，扭矩等)的变化。已经有人提出了对湿度变化的影响进行估计以消除其带来的信号人为干扰(G.C.Ray，S.K.Guha，“Equivalent electrical representation of the sweat layer and gain compensation of the EMG amplifier(汗水层的等效电表示以及EMG放大器的增益补偿)”，IEEE Trans Biomed Eng 1983 Feb；30(2)：130-2)。但是，这并没有完全解决问题。
发明内容
从第一方面来看，本发明提供了一种测量人或动物机体内与肌肉收缩相关的生物信号的装置，包括：与该机体接触放置以测量该肌肉收缩信号的传感器以及在使用中测量该传感器和该机体之间的接触力和/或相对移动的装置。
从第二方面来看，本发明提供了一种测量人或动物机体内与肌肉收缩相关的生物信号的方法，包括：通过传感器测量该生物信号，以及测量该传感器和机体之间的接触力和/或相对移动。
因此，根据本发明的上述两方面，通过将传感器以及机体之间的接触力和/或相对运动考虑进去，以补偿测得的信号中引入的人为干扰，从而更准确地测量与肌肉收缩相关的信号。已经发现，通过这种方案可以更准确可靠地对活动的假体进行控制。
在优选实施例中，测量接触力和/或相对移动的装置包括至少一个附加传感器。在有些优选实施例中，则提供了多个这样的传感器。在一个非限制性实例中，使用了力传感电阻。优选地，至少其中一个附加传感器位于生物信号传感器的附近。优选地，测量接触力和/或相对移动的装置与生物信号传感器位于一个共同支撑件上。优选地，测量接触力和/或相对移动的装置与生物信号传感器以固定关系被安装。从另一方面来看，本发明提供了一种在人或动物机体与人造设备之间提供界面的界面装置(interface apparatus)，该界面装置包括：第一生物信号传感器，和测量第一传感器与机体之间的接触力和/或相对移动的第二传感器，其中，该第一传感器和该第二传感器位于一个共同支撑件上。
根据本发明所述的生物信号可以是任何与生物实体的功能相关的信号。术语“信号”在这里不限于任何特定类型的信号，而是包括任何位于生物实体内或由生物实体发出的可从外部测量的量。生物信号可以是自然发生的，或人为产生的；比如，通过响应刺激(比如：肌电信号)而发射信号(比如：射频信号)的植入物产生。在一组优选实施例中，生物信号为肌电信号(肌肉收缩时产生的一种电信号)。
在另一组实施例中，可使用肌声信号。这种构思利用了肌肉收缩时产生的声学声音。肌声信号与肌电信号非常相似，只是，肌声信号是通过麦克风采集而不是通过一组电极采集，并且肌声信号易受声学噪声的影响而不是电磁噪声的影响。肌声信号控制在与运动和接触力相关的问题上与肌电控制遇到的问题非常相似。由于已知声学信号是通过介质传播的机械压力波，在一组特别的实施例中，可使用单一传感器元件来记录相对高频的肌声信号以及较低频的接触力信号。
在又一组实施例中，生物信号可以是神经电信号(用于控制肌肉的神经冲动)。申请人发现神经电信号显示出肌电信号的大多数性质，并因此可用于本发明所述的控制界面。
本发明并不限于使用一种信号，而是可以采用任何数量或组合的信号。
本发明的原理不仅仅可用于测量肌肉收缩，还可以有更广泛的应用，因此，由生物实体产生的其他任何类型的生物信号都可以被采用。所以，从另一方面来看，本发明提供了一种测量生物实体产生的生物信号的方法，该方法包括：通过传感器来测量该生物信号，以及测量该传感器和该机体之间的接触力和/或相对移动。本发明延伸到适用于实施该方法的相应装置。
所述接触力和/或相对移动可包括，例如皮肤伸缩、将传感器从皮肤上移除、剪切力或旋转。传感器和机体之间的相对移动可以理解为传感器和进行检测的一部分机体之间的相对移动，例如在传感器和其接触的皮肤之间，或传感器和距其最近的肌肉或骨骼之间。并不包括与人机体的一部分(比如，手臂)连接的传感器和同一机体的另一部分(比如，脚)之间的相对移动。
同样，可能会有其他因素引起测得的生物信号中出现非意愿的人为干扰。比如，体温(其影响出汗和机体热度)或湿度。更广泛地说，当测量肌肉收缩时，存在多种可获得与肌肉收缩相关信息的生物信号，或干扰测量的人为干扰，这些生物信号和人为干扰例如：肌电、肌声或神经电信号；传感器接触、剪切或旋转力、或加速度；温度，湿度。通过测量上述要素的组合，与测量单一要素相比能够更准确地对肌肉收缩进行估计。因此，从另一方面来看，本发明提供了一种估计肌肉收缩的方法，该方法包括：测量两种不同的生物信号并通过两种信号的组合来估算肌肉收缩。
本发明还延伸到一种测量生物实体产生的生物信号的方法，该方法包括：通过第一传感装置实施对该生物信号的测量，以及通过第二传感装置来测量对该生物信号的测量有影响的除该生物信号之外的参数。
在优选实施例中，所述生物信号与肌肉收缩相关。
本发明还延伸到控制人造设备的方法，该方法包括：使用根据上述任何方法或利用上述任何装置测量的生物信号。事实上，从另一方面来看，本发明提供了一种具有控制装置的假体，包括适用于测量与肌肉收缩相关的生物信号的传感器，以及测量对该生物信号的测量有影响的除该生物信号之外的参数的装置。
但是，根据本发明的装置的性质并不受限于此。因此，尽管上述内容主要着眼于假体的控制，但是肌肉收缩或其他生物信号也可用于控制其他机器——无论该机器是否进行与肌肉运动有关的移动，比如，其可用于控制轮椅的物理移动，或控制屏幕上光标的移动，或控制文字编辑器的选择器或语音合成器。
附图说明
下面将结合附图对本发明的实验操作仅作出示例性说明，其中：
图1为实验装置中传感器结构第一视图的照片；
图2为该传感器结构第二视图的照片；
图3为实验装置的照片；
图4为实验期间不同传感器测得信号的一组曲线图；
图5为三种不同输入的测试组的估计结果的曲线图；
图6为测量和估计的收缩力的一组标绘图；以及
图7为图3和图4数据组的均方根误差率的标绘图。
具体实施方式
构建实验室测试装置，包括表面肌电图(sEMG，surface electromyography)传感器单元，其由奥托博克公司(Otto Bock)的13E125设备的金属电极构建，以原始间距安装，并与外部的前置放大器相连。由于力传感电阻(FSR，forcesensing resistor)具有平直性和易用性，因此使用三个FSR作为力传感器。三个独立的FSR可估计外力的大小以及位置/方向，这些因素可能与识别主信号中的非意愿人为干扰有关。图1到图3的实验装置中的FSR传感器为现成的组件，但也可以构建更小的传感器，这样，整个设备可安装在假体插槽中。
这些传感器使用软质双面胶带夹在两层丙烯酸玻璃之间(图1和图2)。所述电极与该结构相接触，并且参考电极位于FSR阵列的中心。
所述设备捆绑在健康受试者的肱二头肌(m.biceps brachii)上并通过同时测量sEMG和FSR的输出来测试，而肌肉收缩力则通过负荷传感器来测量(图3)。sEMG信号通过非线性肌肉处理器预先处理，该非线性肌肉处理器的描述见于Fougner A，“Proportional Myoelectric Control of a Multifunction Upper-limb Prosthesis”，Master’s Thesis，Norwegian University of Science and Technology，Norway，2007(“多功能上肢假体的均衡肌电控制”，挪威科技大学硕士论文，挪威，2007年)。在测量过程中对传感器施加随机方向的外力以引入人为干扰。收集218Hz下的数据，持续约50s。共获得三个数据组；一个训练组和一个确认组，两者迅速交替收集得到；以及一个测试组，将装置移除后重新应用于受试者的手臂上得到。
具有不同数量隐藏节点数的多层感应器(MLP，multilayer perceptron)网络(2-25个节点，每种尺寸10个MLP网络)用于基于sEMG和FSR信号来估计肌肉力。经过MLP训练和确认后，选出每种尺寸的MLP网络中最好的50％，使用测试组进行最后的评估。训练组还经过线性和二次映射函数处理以进行比较。
获得的结果
图4示出了包含所有被记录数据的示例性数据组。注意，对应于FSR信号中的两个中间的峰值，在负荷传感器信号中并未伴随有相应峰值；这代表存在人为干扰。图5示出了使用测试组，分别经由MLP网路和线性映射函数处理的力估计结果。
图6为对MLP网络进行训练和确认处理后，以测试组的估计力对测量力作图。注意，基于FSR的估计中存在滞后；这是由于FSR传感器固有的性质造成的，并且可通过另一种力传感器技术来消除。还需要注意，在两个基于sEMG的曲线图中都存在力的人为干扰，因为在负荷传感器的力趋于零时，力的估计值却非常显著。
图7示出了以sEMG和FSR的不同组合作为输入的均方根误差(RMSE，root mean square error)率。当隐藏MLP节点的数量增加到大于n＝4时，未检测到RMSE的降低。
注意到在图5和图6中，基于FSR的估计很少或没有显示出来自外力的人为干扰，这在最初是有些令人意外的。但是，在图4中可以看出，纯干扰(即，中间两个“峰值”)在三个FSR中引起等同的响应，而当肌肉实际收缩时，FSR产生的信号等级是不同的。因此，该估计装置可以区分这两种信号源。
在图4中上面的曲线图中，处理后的sEMG显示出对干扰的瞬时反应。这表明，理想的收缩力估计装置应该像这里所研究的估计装置那样，具有动态方面的而不只是具有静态映射性能。
本领域的技术人员可以理解，上述实验装置仅为示例性的，在实际操作本发明用于假体等时，其多个方面会与上述实验装置有所不同。实际应用中所使用的传感器的性质将会影响产生的人为干扰的精确程度以及补偿这些人为干扰的参数的精确程度。但是，所有这些可能的情况并不背离本发明的中心原则并包含在本发明的保护范围内。

Claims (27)

1.一种测量人或动物机体内与肌肉收缩相关的生物信号的装置，其特征在于，该装置包括：与该机体接触放置以测量该肌肉收缩信号的传感器以及在使用中测量该传感器和该机体之间的接触力和/或相对移动的装置。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在使用中测量所述传感器和所述机体之间的接触力和/或相对移动的所述装置包括至少一个附加传感器。
3.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，在使用中测量所述传感器和所述机体之间的接触力和/或相对移动的所述装置包括力传感电阻。
4.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，在使用中测量所述传感器和所述机体之间的接触力和/或相对移动的所述装置与所述生物信号传感器位于一个共同支撑件上。
5.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，在使用中测量所述传感器和所述机体之间的接触力和/或相对移动的所述装置与所述传感器以固定关系被安装。
6.一种在人或动物机体与人造设备之间提供界面的界面装置，其特征在于，该界面装置包括：第一生物信号传感器，和测量该第一传感器与所述机体之间的接触力和/或相对移动的第二传感器，其中，该第一传感器和该第二传感器位于一个共同支撑件上。
7.根据权利要求6所述的界面装置，其特征在于，所述生物信号传感器适用于检测与肌肉收缩相关的生物信号。
8.根据权利要求6或7所述的界面装置，其特征在于，所述第二传感器与所述生物信号传感器以固定关系被安装。
9.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述生物信号传感器适用于检测肌电信号。
10.根据权利要求1到8中任一项所述的装置，其特征在于，所述生物信号传感器适用于检测肌声信号。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述装置包括单一传感器元件，记录所述肌声信号和所述接触力的信号。
12.根据权利要求1到8中任一项所述的装置，其特征在于，所述生物信号传感器适用于检测神经电信号。
13.一种测量人或动物机体内与肌肉收缩相关的信号的装置，其特征在于，该装置包括：与机体接触放置以测量肌肉收缩信号的传感器以及在使用中测量该传感器和该机体之间的接触力和/或相对移动的装置。
14.一种测量人或动物机体内与肌肉收缩相关的生物信号的方法，其特征在于，该方法包括：通过传感器来测量生物信号，以及测量该传感器和该机体之间的接触力和/或相对移动。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述生物信号与肌肉收缩相关。
16.根据权利要求14或15所述的方法，其特征在于，所述生物信号为肌电信号。
17.根据权利要求14或15所述的方法，其特征在于，所述生物信号为肌声信号。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，该方法包括：使用单一传感器元件记录所述肌声信号和所述接触力的信号。
19.根据权利要求14或15所述的方法，其特征在于，所述生物信号为神经电信号。
20.一种测量生物实体产生的生物信号的方法，其特征在于，该方法包括：通过传感器测量该生物信号，以及测量该传感器和机体之间的接触力和/或相对移动。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，测量所述接触力和/或相对移动的所述步骤包括测量力或移动，该力或移动选自包含皮肤伸缩，将传感器从皮肤上移除，剪切力和旋转的组。
22.一种估计肌肉收缩的方法，其特征在于，该方法包括：测量两种不同的生物信号并通过结合这两种信号来估算该肌肉收缩。
23.一种测量生物实体产生的生物信号的方法，其特征在于，该方法包括：通过第一传感装置实施对该生物信号的测量，以及通过第二传感装置来测量对该生物信号的测量有影响的除该生物信号之外的参数。
24.一种适用于实施根据权利要求14到23中任一项所述的方法的装置。
25.一种控制人造设备的方法，其特征在于，该方法包括：使用根据权利要求1到13和24中任一项所述的装置。
26.一种控制人造设备的方法，其特征在于，该方法包括：使用根据权利要求14到23中任一项所述的方法测量的生物信号。
27.一种具有控制装置的假体，其特征在于，该假体包括：适用于测量与肌肉收缩相关的生物信号的传感器，以及测量对该生物信号的测量有影响的除该生物信号之外的参数的装置。
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