CN104850231A - 一种基于表面肌电和肌音信号融合的人机接口系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于表面肌电和肌音信号融合的人机接口系统，包括肌电与肌音信号联合采集装置和肌电与肌音信号融合解码装置；所述肌电与肌音信号联合采集装置用于同时采集单通道或多通道的表面肌电与肌音信号；所述肌电与肌音信号融合解码装置用于解码人的意图，将所述人的意图转化为外接设备的控制指令。所述肌电与肌音信号联合采集装置包括表面电极模块和肌音传感器模块；所述肌电与肌音信号联合采集装置通过所述表面电极模块采集肌电信号，通过所述肌音传感器模块采集肌音信号；在同一块肌肉上，所述肌电与肌音信号联合采集装置既可以采集到表面肌电信号又可以同时采集到肌音信号，从肌肉电生理学和肌肉振动两个方面反映肌肉活动。

Description

一种基于表面肌电和肌音信号融合的人机接口系统

技术领域

本发明涉及生物医学工程与人机接口技术领域，尤其涉及一种基于表面肌电和肌音信号融合的人机接口系统。

背景技术

表面肌电信号描述了肌肉收缩时运动神经元的放电现象，是一种在体表无创检测肌肉活动的重要信息。肌电信号体现了人的动作意图，因此可以广泛的应用于人机接口技术，如遥操作、假肢控制等。然而肌电信号也存在着很多不足之处，如肌电传感器贴放前需要对皮肤清洁，肌电信号对皮肤阻抗变化、皮肤出汗较为敏感，抗干扰能力差，这些都严重影响了基于肌电信号的人机接口鲁棒性。

肌音信号，又名肌动图，是肌肉收缩时肌纤维产生的低频振动信号或发出的声音信号。肌音信号主要能量集中在5—50Hz，不用与皮肤直接接触也能测量，因此肌音信号能抵抗皮肤阻抗变化、皮肤出汗等干扰。肌音信号从肌肉的低频振动方面体现了人的运动意图，其用于人机接口控制假肢的可行性已被研究人员及文献证实。然而肌音信号易受环境噪声及肢体运动伪迹的干扰，整体信噪比较肌电信号低，因此肌音信号的解码率较肌电信号低10个百分点左右。

由于肌电信号体现了肌肉活动的电生理特性，肌音信号反映了肌肉活动的低频振动，综合二者的优势可以加深对肌肉活动的认识和理解。将两种信号源联合采集，进而融合解码，能够增强人机接口的鲁棒性。然而目前尚没有肌电信号与肌音信号联合采集的装置，也缺少融合肌电信号与肌音信号解码的人机接口技术。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种基于表面肌电和肌音信号融合的人机接口系统。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种肌电信号与肌音信号联合采集的装置和融合肌电信号与肌音信号解码的人机接口系统。

为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种基于表面肌电和肌音信号融合的人机接口系统，能够同时获取并解码肌电信号与肌音信号，加深对肌肉活动的认识和理解，增强人机接口的鲁棒性。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于表面肌电和肌音信号融合的人机接口系统，包括肌电与肌音信号联合采集装置和肌电与肌音信号融合解码装置；所述肌电与肌音信号联合采集装置用于同时采集单通道或多通道的表面肌电与肌音信号；所述肌电与肌音信号融合解码装置用于解码人的意图，将所述人的意图转化为外接设备的控制指令。

进一步地，所述肌电与肌音信号联合采集装置包括表面电极模块和肌音传感器模块；所述肌电与肌音信号联合采集装置通过所述表面电极模块采集肌电信号，通过所述肌音传感器模块采集肌音信号；在同一块肌肉上，所述肌电与肌音信号联合采集装置既可以采集到表面肌电信号又可以同时采集到肌音信号，从肌肉电生理学和肌肉振动两个方面反映肌肉活动。

进一步地，所述肌音传感器模块包括一对肌音传感器，通过差分滤波的方式采集肌音信号，用于消除环境噪声及肢体运动伪迹的干扰。

进一步地，所述表面电极模块包括干电极，所述干电极是镀金铜电极或氯化银电极。

进一步地，所述肌音传感器为微加速度传感器或压电加速度传感器或高灵敏度麦克风。

进一步地，所述肌电与肌音信号联合采集装置能够对采集到的表面肌电和肌音信号进行放大和滤波处理，以确保信号质量，提高信噪比。

进一步地，所述肌电与肌音信号融合解码装置，能够同时解码肌电和肌音信号，综合肌电信号和肌音信号的解码结果，分析出人的意图。

进一步地，所述肌电与肌音信号融合解码装置，通过对采集到的肌电和肌音信号进行时域及频域特征提取、模式分类，将得出的分类结果实时发送给所述外接设备，使所述外接设备按照所述人的意图完成相应的任务。

进一步地，所述肌电与肌音信号融合解码装置，能根据不同肌肉收缩产生的表面肌电和肌音信号对应的特征矩阵的不同，利用分类器或机器学习算法，得出模式分类结果。

进一步地，所述肌电与肌音信号融合解码装置的解码具体流程是：

(1)对采集到的肌电与肌音信号进行滑动分窗处理；

(2)提取每个时间窗的肌电与肌音信号的时域TD特征或频域PSD特征，得到信号的特征矩阵；

(3)利用特征矩阵训练线性LDA分类器；

(4)根据不同肌肉收缩产生的表面肌电和肌音信号对应的特征矩阵的不同，所述线性LDA分类器实时给出模式分类结果。

与现有技术相比，本发明提供的基于表面肌电和肌音信号融合的人机接口系统具有如下有益效果：

(1)本发明所提供的肌电与肌音信号联合采集装置能够同时采集同一块肌肉活动时的肌电信号和肌音信号，从肌肉电生理学和肌肉振动两个方面反映肌肉活动；多通道的肌电与肌音信号联合采集装置能够获取更多肌群运动信息，加深对肌肉活动的认识和理解。

(2)本发明所提供的肌电与肌音信号联合采集装置通过差分滤波的方式采集高精度的肌电和肌音信号，消除了环境噪声及肢体运动伪迹的干扰。

(3)本发明所提供的肌电与肌音信号融合解码装置能够更准确地解码人的意图，结合肌电和肌音信号的优势，增强人机接口的鲁棒性。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1为本发明的较佳实施例中的基于表面肌电和肌音信号融合的人机接口系统的结构示意图；

图2为本发明的较佳实施例中的多通道肌电与肌音信号联合采集装置人体前臂贴放示意图；

图3为图2中的单个通道肌电与肌音信号联合采集装置的采集原件布局示意图；

图4为图3中的肌电与肌音信号联合采集装置信号采集流程图；

图5为本发明的较佳实施例中的肌电与肌音信号融合解码装置的框图。

在附图中，1为人体前臂剖面、2为桡骨、3为尺骨、4为肌电与肌音信号联合采集装置通道一、5为肌电与肌音信号联合采集装置通道二、6为肌电与肌音信号联合采集装置通道三、7为肌电与肌音信号联合采集装置通道四、8为参考电极、9为正电极、10为负电极、11为第一肌音差分传感器、12为第二肌音差分传感器、13为装置外壳。

具体实施方式

如图1所示，在本发明较佳实施例中，基于表面肌电和肌音信号融合的人机接口系统包括肌电与肌音信号联合采集装置、肌电与肌音信号融合解码装置；其中，肌电与肌音信号联合采集装置用于同时采集单通道或多通道的表面肌电与肌音信号，肌电与肌音信号融合解码装置用于解码人的意图，将人的意图转化为外接设备的控制指令。如图2所示，四通道的肌电与肌音信号联合采集装置贴放在人体前臂，用于同时采集前臂肌群活动时的表面肌电信号与肌音信号。在同一块肌肉上，单个通道的肌电与肌音信号联合采集装置既可以采集到表面肌电信号又可以同时采集到肌音信号，从肌肉电生理学和肌肉振动两个方面反映肌肉活动。如图3所示，单个通道的肌电与肌音信号联合采集装置通过参考电极8、正电极9和负电极10采集肌电信号；通过第一肌音差分传感器11和第二肌音差分传感器12，利用差分滤波的方式采集单通道的肌音信号。参考电极8、正电极9和负电极10采用镀金铜干电极，电极长度为12mm，宽度为5mm，相邻正负电极的间距为13mm；第一肌音差分传感器11和第二肌音差分传感器12采用微加速度计ADXL203，其间距为13mm。如图4所示，肌电与肌音信号联合采集装置能够对正电极9采集到的肌电信号1、负电极10采集到的肌电信号2作差分滤波处理；同时对第一肌音差分传感器11采集到的肌音信号1和第二肌音差分传感器12采集到的肌音信号2作差分滤波处理，用于消除环境噪声及肢体运动伪迹的干扰。差分滤波用仪表放大器INA326来实现。为了提高信号的信噪比，肌电与肌音信号联合采集装置能够对差分后的信号进行带通滤波和二次放大处理。在本发明的一个较佳实施例中，根据表面肌电信号的特征，设置其下限截止频率为10～20Hz，上限截止频率为450～500Hz；根据肌音信号的特征，设置其下限截止频率为5～10Hz，上限截止频率为100～200Hz。二次放大采用运算放大器AD8603实现。而后，通过模数转换，把高质量的模拟信号转换成数字信号，采样频率设置为1000Hz；转换后的数字信号可以通过蓝牙通信无线发送到PC等接收端。

肌电与肌音信号融合解码装置能够根据采集到的肌电和肌音信号，解码人的意图，进而控制外接设备按照人的意图完成相应的任务。如图5所示，肌电与肌音信号融合解码装置的解码具体流程是，

(1)对采集到的肌电与肌音信号进行滑动分窗处理，设置窗长为300ms，窗的滑动步长为100ms；

(2)提取每个时间窗的肌电与肌音信号的时域TD特征或频域PSD特征，得到信号的特征矩阵；

(3)利用训练数据的特征矩阵训练线性LDA分类器；

(4)测试阶段，根据不同肌肉收缩产生的表面肌电和肌音信号对应的特征矩阵的不同，LDA分类器会实时给出模式分类结果。由于肌电信号和肌音信号体现了不同方面的肌肉活动，综合肌电信号和肌音信号的解码结果，可以更准确地分析出人的意图。

本发明所述技术方案的实施方式，通过差分滤波的方式采集高精度的肌电和肌音信号，消除了环境噪声及肢体运动伪迹的干扰；能够同时采集同一块肌肉活动时的肌电信号和肌音信号，从肌肉电生理学和肌肉振动两个方面反映肌肉活动；能够获取更多肌群运动信息，加深对肌肉活动的认识和理解；能够结合肌电和肌音信号的优势，更准确地解码人的意图，增强人机接口的鲁棒性。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于表面肌电和肌音信号融合的人机接口系统，其特征在于，包括肌电与肌音信号联合采集装置和肌电与肌音信号融合解码装置；所述肌电与肌音信号联合采集装置用于同时采集单通道或多通道的表面肌电与肌音信号；所述肌电与肌音信号融合解码装置用于解码人的意图，将所述人的意图转化为外接设备的控制指令。

2.如权利要求1所述的一种基于表面肌电和肌音信号融合的人机接口系统，其特征在于，所述肌电与肌音信号联合采集装置包括表面电极模块和肌音传感器模块；所述肌电与肌音信号联合采集装置通过所述表面电极模块采集肌电信号，通过所述肌音传感器模块采集肌音信号；在同一块肌肉上，所述肌电与肌音信号联合采集装置既可以采集到表面肌电信号又可以同时采集到肌音信号，从肌肉电生理学和肌肉振动两个方面反映肌肉活动。

3.如权利要求2所述的一种基于表面肌电和肌音信号融合的人机接口系统，其特征在于，所述肌音传感器模块包括一对肌音传感器，通过差分滤波的方式采集肌音信号，用于消除环境噪声及肢体运动伪迹的干扰。

4.如权利要求2所述的一种基于表面肌电和肌音信号融合的人机接口系统，其特征在于，所述表面电极模块包括干电极，所述干电极是镀金铜电极或氯化银电极。

5.如权利要求3所述的一种基于表面肌电和肌音信号融合的人机接口系统，其特征在于，所述肌音传感器为微加速度传感器或压电加速度传感器或高灵敏度麦克风。

6.如权利要求1所述的一种基于表面肌电和肌音信号融合的人机接口系统，其特征在于，所述肌电与肌音信号联合采集装置能够对采集到的表面肌电和肌音信号进行放大和滤波处理，以确保信号质量，提高信噪比。

7.如权利要求1所述的一种基于表面肌电和肌音信号融合的人机接口系统，其特征在于，所述肌电与肌音信号融合解码装置，能够同时解码肌电和肌音信号，综合肌电信号和肌音信号的解码结果，分析出人的意图。

8.如权利要求7所述的一种基于表面肌电和肌音信号融合的人机接口系统，其特征在于，所述肌电与肌音信号融合解码装置，通过对采集到的肌电和肌音信号进行时域及频域特征提取、模式分类，将得出的分类结果实时发送给所述外接设备，使所述外接设备按照所述人的意图完成相应的任务。

9.如权利要求7所述的一种基于表面肌电和肌音信号融合的人机接口系统，其特征在于，所述肌电与肌音信号融合解码装置，能根据不同肌肉收缩产生的表面肌电和肌音信号对应的特征矩阵的不同，利用分类器或机器学习算法，得出模式分类结果。

10.如权利要求7所述的一种基于表面肌电和肌音信号融合的人机接口系统，其特征在于，所述肌电与肌音信号融合解码装置的解码具体流程是：

(1)对采集到的肌电与肌音信号进行滑动分窗处理；

(2)提取每个时间窗的肌电与肌音信号的时域TD特征或频域PSD特征，得到信号的特征矩阵；

(3)利用特征矩阵训练线性LDA分类器；

(4)根据不同肌肉收缩产生的表面肌电和肌音信号对应的特征矩阵的不同，所述线性LDA分类器实时给出模式分类结果。