表面肌电信号识别和分类的研究

表面肌电信号识别和分类的研究
表面肌电信号识别和分类的研究

表面肌电信号实验手册

实验基于sEMG时域特征特的动作识别 一、实验目的 1.了解肌电信号常用的时域分析方法; 2.利用MATLAB对肌电信号进行去噪、特征提取及动作识别; 二、实验设备 1.Wi-Fi表面肌电信号采集卡; 2.32位Windows XP台式机(Matlab 7.0软件); 3.802.11b/g无线网卡; 三、实验内容 (1)学习信号的基本去噪方法,并用MATLAB实现; (2)学习肌电信号常用的时域特征并利用Matlab来进行波形长度(WL)符号改变数(SSC)、过零点(ZC)、威尔逊赋值(WAMP)等特征的提取; (3)学习神经网络信号处理方法,掌握BP神经网络的用法,将其用于肌电信号的动作识别。 学习以上三个部分,最终完成一整套肌电信号去噪、特征提取(选取一种特征)、基于特征的动作识别的MATLAB程序。 四、实验原理 (1)小波去噪 小波去噪方法是一种建立在小波变换基础上的新兴算法,基本思想是根据噪声在不同频带上的小波分解系数具有不同强度分布的特点,将各频带上的噪声对应的小系数去除,保留原始信号的小波分解系数,然后对处理后系数进行小波重构,得到纯净信号。 小波去噪的基本原理图如下

(2) 特征提取 时域分析是将肌电信号看成均值为零,而方差随着信号强度的变化而变化的随机信号。时域特征的计算复杂度低,提取比较方便。 最常用的方法有:方差,过零点数(Zero Crossing, ZC ),Willison 幅值(Willison Amplitude, WAMP ),绝对值平均值 (Mean Absolute Value, MA V )和波形长度(Wave length ,WL )等。在实际应用中,为了让特征可以包含更多的信息,往往选择用不同的时域特征组合形成联合特征向量。我们主要介绍一下几种方法: 过零率(ZC ):为波形通过零线的次数,从一定程度上反映了信号的频率特性。为了降低零点引入的噪声,往往会引入一个阈值δ。计算方式如下: )(),sgn(11δ≥-+-++k k k k x x x x (1) Willison 幅值:是由Willison 提出一种对表面肌电信号的幅值变化数量进行计算的方法,经过后人的研究,对Willison 幅值的阈值有了明确的范围限定,目前认为V μ100~50 是最合适的阈值范围。其数学表示公式如公式(3-3)。 ∑=+-=N t i i x x f WAMP 11 (2) 其中:???>=otherwise x if x f 阈值01)( 波形长度(WL ):它是对某一分析窗中的波形长度的统计,波长可以体现该样本的持续时间、幅值、频率的特征。 ∑-=-+=11) ()1(1N i i x i x N WL (3) 符号改变斜率(SSC ):为信号的的频率性能提供了一些附加信息,对于3个连续的采样点,给定阈值ω,通过下面的公式计算波峰波谷的个数。 ()()()N i x x x x i i i i ,,1,11 =≥-?-+-ω (4) (3) 神经网络 BP 神经网络又称误差反向传播(Back Propagation ),它是一种多层的前向型神经网络。在BP 网络中,信号是前向传播的,而误差是反向传播的。所谓的反向传播是指误差的调整过程是从最后的输出层依次向之前各层逐渐进行的。标准的BP 网络采用梯度下降算法,与Widrow-Hoff 学习规则相似,网络权值沿着性能函数的梯度反向调整。

表面肌电分析

表面肌电简介及分析方法 一、表面肌电信号概念 表面肌电信号 (surface electrom yographic signal, sEMG 信号)是从皮肤表面 通过电极引导并放大,显示记录神经肌肉活动时的生物电信号,主要是浅层 肌肉和神经干综合的电活动。表面肌电信号主要有参与活动的运动单位数量、放电频率、同步化程度、募集的模式等有关。 二、表面肌电信号主要是通过时阈和频阈两个方面进行分析 1、sEMG 信号的时域分析方法 时域分析用于刻画肌电图时间序列的振幅特征,主要指标包括积分肌电(integrete EMG,iEMG)、均方根值(root mean square,RMS)、平均振幅(MA)。 积分肌电值(integrated EMG, iEMG)是一段时间内肌肉中参与活动的运动单 位放电总量,其值大小在一定程度上反映参加工作的运动单位的数量多少和 每个运动单位的放电大小。用来分析在单位时间内肌肉的收性。 平均振幅表示肌电信号的强弱,其大小与参与活动的运动单位数目和放电频率的同步化程度有关。 2、sEMG 信号的频域分析方法 频阈方面的分析主要是在频率维度上反映 sEMG 的变化,表面肌电信 号的频域分析广泛应用于肌肉疾病诊断和肌肉疲劳检测。利用表面肌电信号进行傅立叶转换(FFT),获得的频谱或功率谱反映信号在不同频率上的变化。常用指标有平均功率频率(Mean Power Frequency, MPF)和中位频率(Median Frequency, MF)。 MF 指放电频率的中间值,即肌肉收缩过程中放电频率的中间值,一般也 是随着运动时间的增大而呈递减的趋势。。由于骨骼肌中快慢肌纤维组成比例不同,导致不同部位骨骼肌之间的 MF 值不同。快肌纤维兴奋表现在高频放电,慢肌纤维则在低频。一般在中高强度的运动时,MPF 和 MF 值会有所下降,频谱左移,则说明局部肌肉出现疲劳。并且导致反映频谱曲线特征的 MPF 和 MF 产生相应的下降。 3、sEMG在肌肉功能评价中的应用 (Ⅰ)利用sEMG评价肌肉疲劳 MPF或MF随肌肉活动持续时间的延长或肌肉活动次数的增加呈线性 规律下降,且下降速度主要与负荷大小或肌肉疲劳程度相关, (Ⅱ)利用sEMG预测肌纤维类型 表面肌电信号特征(主要是MPF)与肌肉中Ⅰ型肌纤维的比例呈线性负相关,或与Ⅱ型肌纤维的比例呈线性正相关 (Ⅳ)利用sEMG研究肌肉活动的协调程度

表面肌电信号检测系统

信号处理 综合实训报告 题目表面肌电信号检测 学院通信与信息工程学院 专业及班级电子信息科学与技术1202 姓名李娟 学号 1207080205 指导教师赵谦 日期 2015年11月19日

一、研究的目的、意义 目的:表面肌电信号的检测主要是为了临床诊断及康复医学、运动医学等领域的研究分析。意义:表面肌电(surface electromyography, sEMG)信号是神经肌肉系统在进行随意性和非随意性活动时的生物电变化经表面电极引导、放大、显示和记录所获得的一维电压时间序列信号,其振幅约为0-5mV,频率0-500Hz,信号形态具有较强的随机性和不稳定性。与传统的针式肌电图相比,sEMG的空间分辨率相对较低,但是探测空间较大,重复性较好。基础研究表明,sEMG 信号源于大脑运动皮层控制之下的脊髓α运动神经元的生物电活动,信号的振幅和频率特征变化取决于不同肌肉活动水平和功能状态下的运动单位活动同步化、肌纤维募集等生理性因素,以及探测电极位置、信号串线(crosstalk)、皮肤温度、肌肉长度和肌肉收缩方式等测量性因素的共同作用。在控制良好的条件下,上述sEMG 信号活动的变化在很大程度上能够定量反映肌肉活动的局部疲劳程度、肌力水平、肌肉激活模式、运动单位兴奋传导速度、多肌群协调性等肌肉活动和中枢控制特征的变化规律,因而对于体育科学研究、康复医学临床和基础研究等具有重要的学术价值和应用意义。随着人们对肌电信号研究与了解的日益深入和肌电检测技术的进步,肌电信号处理手段的发展与肌电信号处理的广泛应用成为肌电信号研究的一个突出特点。肌电检测不仅是基础研究的需要,而且对于了解人体神经系统信息及康复工程都有着深远的意义。 二、实训内容 本组内容:肌电信号时域波形及频谱在上位机中的显示与处理 软件环境:LABVIEW 具体工作:LABVIEW和VISA的安装配置,程序的设计及后期的调试,以实现用LABVIEW进行串口通信,将所得数据转换并显示为波形的目的。 三、方案设计、工作流程 方案设计:

表面肌电信号采集概论

表面肌电信号采集(硬件部分)报告一.研究背景 肌肉收缩时伴随的电信号,表面肌电信号是各个运动单元动作电位在表面电极处之和,是在体表无创检测肌肉活动的重要方法。本课程设计通过表面肌电信号幅值的检测,实现对手指运动或抓握力量的识别。 图一表面肌电信号 图2 手指运动的肌电信号 肌电信号特性 设计肌电信号采集系统,首先要了解并分析肌电信号的特性,明确肌电信号的特性能够更好的滤除噪声,更好的设计肌电采集系统。 肌电信号发源于作为中枢神经一部分的脊髓中的运动神经元。运动神经元的细胞体处在

其中,其轴突伸展到肌纤维处,经终板区(哺乳类神经肌肉接头为板状接头,故称终板或称运动终板motor endplate)与肌纤维耦合(是生化过程性质的耦合)。与每个神经元联系着的肌纤维不只一条。这些部分合在一起,构成所谓运动单位,如图(2.1)。 运动单位是肌肉的最小功能单位并能被随意地激活,它由受同一运动神经支配的一群肌肉纤维组成,肌电信号(EMG)是由不同运动单位的运动单位动作电位motor unit action potential,MUAP)组成。 肌电信息与肌肉收缩的关系可以概述如下:由中枢神经系统发出传向运动神经末梢分支的运动电位,传递着驱使肌肉收缩的信息。由于神经末梢分支的电流太小,常不足以直接兴奋大得多的肌纤维,但是通过神经肌肉接头处的特殊终板的类似放大作用,这样就爆发一个动作电位沿着肌纤维而传播,在动作电位的激发下随之产生一次肌肉收缩。这种兴奋和收缩之间的联结是通过肌纤维内部特殊的传导系统实现的,因此,可以明确以下概念:1)动作电位不是肌肉收缩的表现,而是发动肌肉收缩机制的重要部分。 2)由于肌肉信号只与给予肌肉的指令成比例,因此肌肉实际上不需要产生力,但工作了的肌肉仍然是发放肌电的适当源泉。各肌纤维在检测点上表现出的电位波形,其极性与 终板和检测点的相对位置有关(例如图2.2上纤维1和n引起的电位波形与纤维2,3引起的电位波形反向)。又和纤维与检测点间的距离有关,相距愈远,幅度愈小。

(完整word版)肌电信号的识别.(DOC)

燕山大学 课程设计说明书题目:肌电信号分析及动作识别 学院(系):电气工程学院 年级专业: 10级仪表三班 学号: 学生姓名: 指导教师: 教师职称:教授讲师

电气工程学院《课程设计》任务书

目录 第一章摘要 (2) 第二章系统总体设计方案 (3) 第三章肌电信号的时域参数处理及其分析 (4) 第四章肌电信号的频域处理方法及其分析 (7) 3.1 FFT分析 (7) 3.2 功率谱分析 (8) 3.3 倒谱分析 (9) 3.4 平均功率频率MPF和中值频率 (10) 第五章 Matlab程序及GUI (11) 第六章系统整体调试及结果说明 (24) 第七章学习心得 (24) 参考文献 (25)

第一章摘要 肌电信号是产生肌肉力的电信号根源,它是肌肉中很多运动单元动作电位在时间和空间上的叠加,反映了神经,肌肉的功能状态,在基础医学研究、临床诊断和康复工程中有广泛的应用。 其种类重要有两种:一,临床肌电图检查多采用针电极插入肌肉检测肌电图,其优点是干扰小,定位性好,易识别,但由于它是一种有创伤的检测方法,其应用收到了一定的限制。二,表面肌电则是从人体皮肤表面通过电极记录下来的神经肌肉活动时发放的生物电信号,属于无创伤性,操作简单,病人易接受,有着广泛的应用前景。 主要应用领域有:一,仿生学。提出肌肉生理模型来判别肌肉的动作以来, 电子假肢的研究进入了新的发展时期, 过去电子假肢的控制靠使用者人为开关和选择运动模式来完成, 现在则可通过检测人体残肢表面肌电信号, 提取出肢体的动作特征, 来自动控制假肢运动, 利用残肢表面肌电信号的肌电假肢研制在国内外都取得较大进展。二,康复工程。如利用表面肌电信号提取出的特征作为功能性电刺激的控制信号, 帮助瘫痪的肢体恢复运动功能。通过检测表面肌电信号, 并将其作为反馈信号提供给病人和医生, 便于进行合理的治疗和训练。三,运动医学。表面肌电信号在运动医学中也可发挥重要作用, 通过检测运动员运动时的表面肌电信号,及时反映出肌肉的疲劳和兴奋状态, 有助于建立科学的训练方法。 本次课程设计的主要任务就是对微弱的肌电信号进行时域和频域的处理及分析,运用数字处理及matlab的知识进行“屈”和“伸”动作识别。然后通过串口将数据发送到单片机下行微机进行显示。

Glazer表面肌电评估解读

Glazer表面肌电评估解读

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1、评价流程设计: Pre-baseline:60秒放松测试60秒 Fastflick/rest:2秒×5次/10秒快速收缩5次/放松10秒 Tonic contraction:10秒/10秒收缩10秒/放松10秒 Duration :60秒持续收缩60秒 Post-baseline:60秒后基线60秒 2、评估指标解释; A、RMS(均方根值)/单位uv(微伏):反应患者盆底肌收缩或者放松是的表面肌电值,幅值的增加表明肌力的增强,也就是说RMS与肌力成正比。 3、肛肠科盆底肌表面肌电评估统计数值(参考值): 部位指标 时间段 Pre-b aseline 静息平 均值 Mean Fastflick 快速收缩 的最大值 Maximum Tonic 最大收缩 值 Maximum Duration 持续收缩 的平均值 Mean Post- baseline 静息值 阴道RMS 2 35-37.5 25 20 2 部位指标 时间段 Pre-b aseline 静息值 Fastflick 快速收缩 Tonic 最大收缩 Duration 持续收缩 Post- baseline 静息值 肛门RMS最大值 (max)4 以 下 正 常 70以 上 正 常 40以 上 正 常 25以 上 正 常 4 以 下 正 常 4-5 基 本 正 40-50 基 本 正 35-40 基 本 正 20-25 基 本 正 4-5 基 本 正

阵列式表面肌电信号采集仪_赵章琰

第23卷 第12期 电子测量与仪器学报 Vol. 23 No. 12 · 88 · JOURNAL OF ELECTRONIC MEASUREMENT AND INSTRUMENT 2009年12月 本文于2009年6月收到。 * 基金项目:国家自然科学基金(编号:30870656)资助项目 阵列式表面肌电信号采集仪* 赵章琰 陈 香 雷培源 杨基海 (中国科学技术大学电子科学与技术系, 合肥 230027) 摘 要: 采用阵列式电极, 通过空间滤波方法可提高表面肌电信号的MUAP 分辨能力。本文实现的阵列式表面肌电信号采集仪由表面肌电电极阵列、信号调理电路和数据采集部分构成。表面肌电电极阵列实现了镀金圆盘式和弹簧探针式两种类型, 信号调理电路对电极上的肌电信号进行放大和滤波, 数据采集部分将调理后的信号转换成数据并进行显示和存储。电极阵列和前级信号调理电路集成在一起, 有效的降低了微弱信号通过导线传输所引入的干扰。通过实验, 验证了这种阵列式表面肌电采集仪在研究肌肉中动作电位传播和利用空间滤波提高MUAP 分辨力的可行性, 并证实了镀金圆盘式电极在降低噪声方面、弹簧探针式电极在缩短MUAP 时长方面的优势。 关键词: 表面肌电电极阵列;镀金圆盘;弹簧探针;空间滤波;MUAP 时长 中图分类号: R318.6 文献标识码: A 国家标准学科分类代码: 310.6140 Array acquisition instrument for surface electromyogram Zhao Zhangyan Chen Xiang Lei Peiyuan Yang Jihai (University of Science and Technology of China, Hefei 230027, China) Abstract: The discrimination of MUAP from surface Electromyogram (sEMG) can be improved by using elec-trodes array and space filtering method. According to this principle, an array acquisition instrument for sEMG was de-veloped in this paper, containing sEMG electrodes array, signal conditioning circuits and a data acquisition part. Gold plated disk shaped electrodes and spring probe electrodes built up two different kinds of sEMG electrode array; The conditioning circuit amplifies and filters the signal form electrode array; The data acquisition part converted the condi-tioned signal to digital for display and storage. The electrode array is integrated with the first-stage conditioning circuit, in order to prevent interferences of weak signal transmission through wires. It is proved that the array acquisition in-strument can be used in the research of action potential transmission in muscles, and it can improve the discrimination of MUAP by using space filtering method. It is also proved that the gold plated disk shaped electrodes work better in noise reduction and the spring probe electrodes work better in reducing the MUAP duration. Keywords: sEMG electrode array; gold plated disk shaped electrode; spring probe electrode; space filtering; MUAP duration 1 引 言 表面肌电(surface electromyogram, sEMG)是从皮肤表面检测相应位置内部肌肉肌电图的方法, 这种方法与传统的针电极EMG 相比, 具有无痛苦无损伤的优点。表面肌电信号事实上是肌肉上各点的运动单位动作电位(motor unit action potentials, MUAP) 通过皮下组织和皮肤, 在皮肤表面的叠加。所以跟针电极EMG 相比, 它不利于区分出各个MUAP, 在医疗诊断中的应用受到限制。 研究表明, 通过空间滤波的方法可以提高对表面肌电信号MUAP 的分辨能力。空间滤波的基本思想是采集皮肤表面多点的表面肌电信号, 通过线性变换尽可能的反演出肌肉内部的电位活动。这种方

表面肌电信号数字传感器

表面肌电信号数字传感器 介绍了表面肌电信号数字传感器的设计方法。根据表面肌电信号产生特点和采集技术的基本要求,研究电极的形状和正确的放置方法,采用仪用放大器INA128设计前置放大电路。设计有源滤波器,应用串行A/D转换芯片输出数字信号。实验表明,该方法可以提高信噪比,减小噪声,有效地提取出表面肌电信号。 1 引言 表面肌电(surface electromyography, sEMG)信号是神经肌肉系统在进行随意性和非随意性活动时的生物电变化经表面电极引导、放大、显示和记录所获得的一维电压时间序列信号,其振幅约为0-5000μV,频率0-1000Hz,信号形态具有较强的随机性和不稳定性。与传统的针式肌电图相比,sEMG的空间分辨率相对较低,但是探测空间较大,重复性较好,对于体育科学研究、康复医学临床和基础研究等具有重要的学术价值和应用意义[1]。 人体是一导电体,工频干扰及体外的电场、磁场感应都会在人体内形成测量噪声,干扰sEMG的检测,所以信号的滤波和电路的屏蔽成为表面肌电信号数字传感器设计的重点。分为几个部分:电极、放大电路、滤波电路、A/D转换。 2 电极的设计 本文电极极片的基体用铜制作,表面镀银,其形式采用常用的双极型,并在两个电极中间插入了一个参考电极,也称作无关电极,以利于降低噪声,提高对共模信号的抑制能力。为了消除来自电源线的噪声,采用差动放大的方法。 肌电信号由两个电极来检测,两个输入信号“相减”,去掉相同的“共模”成份,只放大不同的“差模”成份。任何噪声如果离检测点很远,在检测点上将表现为“共模”信号;而检测表面附近的信号表现为不同,将被放大。因此,相对较远处的电力线噪声将被消除,而相对比较近处的肌电信号将被放大。其准确性由共模抑制比(CMRR)来衡量[2]。 肌电信息在人体组织(容积导体)内的传递,会随着距离的增加而很快衰减。因此电极宜贴放在肌电发放最强的肌腹部,以减少邻近肌肉的肌电干扰(串音)。采用较小的电极可提高选择性,但会增加电极与皮肤间的接触阻抗。 3 放大电路的设计 人体肌肉组织是皮表肌电的信号源,它发放的肌电经过皮下软组织的体电阻传输至皮肤表面,体电阻约数百欧姆,但是,表面电极与皮肤之间的接触阻抗比较高,约几千欧姆。接触电阻还受接触松紧程度、皮肤清洁程度、湿度、四季时令变化等多种因素影响,变化很大[3]。由此可见,对于放大器来说,肌电信号源是一个高内阻的信号源。 在设计肌电信号放大电路时,着重考虑了以下问题:1.高增益:表面肌电信号幅度约在分布μV~mV数量级之间,是一种极其微弱的信号,要将其放大到一伏左右才能方便使用,所以将放大器的增益设置在80dB。2.高共模抑制比:表面肌电信号的采集易受50Hz工频电源及其它高频电噪声的干扰。但这些干扰信号在放大器的输入端表现为同幅同相的信号——共模信号,因此选用高共模抑制比的放大电路对干扰信号进行抑制。3.高输入阻抗:肌肉组织与电极之间的接触阻抗可能在相当大的范围内变化,天气干燥地区,接触电阻甚至高达几万欧姆,在这种条件下,即使放大器的共模比极优良,如果输入阻抗不够高,共模干扰信号也会造成输出误差。因此必须提高放大器的输入阻抗。 根据以上所述,设计的肌电信号采集电路要求具有高增益、高输入阻抗、高共摸抑制比(CMRR)、低零漂、低失调、低功耗、尤其是低的1/f噪声电压。本文选用德州仪器(Texas

基于multisim的肌电信号的采集与分析

院(系):基层教学单位: 燕山大学课程设计评审意见表

目录 第1章摘要 (1) 第2章基本原理 (3) 第3章设计及仿真 (5) 3.1 前置放 大 (5) 3.2 滤波电路 (8) 3.3 主放大电路 (10) 3.4 50Hz陷波电路 (12) 第5章结论 (16) 参考文献 (18) 第1章摘要 肌电信号是一种复杂的生物医学信号,是肌肉收缩时产生的电活动,不仅和肌肉本身的生理特性有关,也和神经控制系统有关。因此,肌电信号的研究分析已成为临床诊断、康复工程、神经生理学和生物力学等诸多领域的研究热点。 目前,国内外生产的肌电反馈产品较多,它对临床诊断,康复医学及运动医学等领域方面起着重要作用。本文从肌电信号的产生机理入手,研究了肌电信号的特点和提取的方法,通过肌电变化转化成直观的肌电波,以此表征肌肉的活动状态,并通过此反馈给患者,使患者能感知肌电的这种变化,并进行反复的调控训练,从而达到康复训练和治疗的目的。 生物反馈疗法是使用电子仪器,将人们正常意识不到的身体功能,如肌电、脑电、皮温、心率、血压等转变为可以被人察觉到的信号,如视觉或听觉信号,再让患者根据这些信号,学会控制自身不随意功能的治疗和训练方法。这一疗法自60年代提出并开展以来,以其无损伤,无痛苦,无药物副作用,方法简便,疗效满意等优点而被许多国家重视并采用,特别是一些发达国家己把生物反馈和自身调节作为一种常规方法,广泛开展于临床医学临床。 肌电反馈仪及电刺激使用普遍,国内外生产的品种也比较多,

它在临床诊断,康复医学及运动医学等领域方面起着重要作用。随着科学技术的快速发展,新技术、新产品的不断涌现,人们对仪器的功能、灵活性的要求越来越高。虚拟仪器技术是仪器技术和计算机技术相结合的产物。经过了近20年的发展,它已成为2l世纪测试技术和仪器技术发展的主要方向。本课题的研究目的就是为了采用虚拟仪器技术,发挥其强大的软件优势,来实现传统的治疗仪。这将对节约成本,利于开发编程等方面有很高的益处。 第2章基本原理 肌电信号是肌肉中运动单元动作电位(MUAP)在时间上和空间上的叠加,表面肌电信号则主要是浅层肌肉和神经干上电活动的综合效应。肌电信号的幅值本质上是随机信号,其峰一峰幅值范围为0-10mv,均方根幅值范围为 0-1.5mV,主要集中在100-500uV,频率范围在0-10KHz,有用能量分布在 0-500Hz频率范围之间,主要能量集中分布在50—150Hz频率范围之间。 图1 硬件结构图 由于人体表面肌电信号非常微弱,从几微伏到几毫伏,并存在高频电磁干扰,50Hz工频干扰和极化电压干扰等。因此选用高共模抑制比的仪表放大器AD620和高通滤波电路作前置隔直放大,消除极化电压的干扰;通过带通滤波放大电路消除高频电磁干扰:用50Hz陷波器消除工频干扰,并用通过隔离放大器使检测的肌电信号和后端处理信号隔离,保证了人体安全。通过前置放大和二级放大,并经过信号调理后把信号传给AD转换器,供AD采样。由于肌电信号的个体差异性,在设计放大通道时,放大倍数在4000-100000倍,可通过PC机软件调节控制。

表面肌电分析系统1

表面肌电分析系统 项目计划书 >>>成人康复

目录

一、项目提供方简介 二、为什么要定量评定 三、为什么要定制方案 四、为什么是表面肌电分析系统(Flexcomp Infiniti System) 1.产品概述 2.定量评定 3.完美方案 4.功能拓展 5.生物反馈训练 五.部分客户名单 六.效益分析 1.收费标准:(以江苏地区收费为例) 2.治疗收费: 七.文献支持

一、项目提供方简介——南京伟思医疗科技有限责任公司 南京伟思医疗科技有限公司公司成立于2001年,是专业从事医疗器械、生物医学工程、家庭健康产品以及计算机软件开发、生产、销售为一体的高新技术企业。经过十余年的辛勤耕耘,目前已经发展

成为一家拥有自主研发能力、优良的产品线、先进的商业模式、优良的服务、强大的技术能力、优秀的年轻团队、完善的管理体系和积极进取的企业文化的中国知名的医疗器械及家用健康产品供应商。 公司积极与国内数百家公司机构、上千家医院及近万名个人用户进行了友好的合作,使我们的产品成为中国心理学、康复医学及家用健康领域具有影响力和竞争力的品牌之一。伟思公司设立职能部门、供应链、战略产品部、安思定事业部、市场部、客户部、渠道部。 伟思公司还将一如既往提升服务,全力支持我国康复事业的向前发展。 二、为什么要定量评定? “在康复领域中,康复评定是一项基本的专业技能,是制定出好的治疗计划的基础。只有通过全面的、系统的和相近记录的康复评定,才有可能确定病人的具体问题,制定相应的干预计划。”“可以这样说,没有评定,就没有康复。”

目前在临床上经常使用的评定方法有定性评定、半定量评定和定量评定。定性评定容易受评定者和被评定者主观因素的影响,从而使分析结果有很大程度的模糊性和不确定性。这种不确定性有时会因为评定医师的差异性,而使结果差异被主观放大。 最常见的半定量评定方法以量表法最为常见。半定量评定的方法可以数量化地反映被试者的功能障碍水平和特点,但是由于两个分数相同的患者其功能障碍可以不同,他们可在不同的活动中得分或丢分,精确度不高。因此,不同患者之间的功能活动的潜在差异可能被掩盖,而且量表法的有效性在很大程度上取决于评定量表的可靠性。 定量评定,最突出的优点是将障碍的程度量化,相比定性分析和半定量评定而言,更精确、更客观、更详实。通过定量分析可以让研究者对对象的认识进一步精确化,更科学的揭示规律,把握本质,理清关系,预测疾病的发展趋势,并且制定相应的具体治疗计划。 三者比较发现,定量评定没有定性分析和办定量评定的固有缺点——主观误差,这使这种分析方式容易被重复,而且能够实现数据采集的完整性,科学的数据分析和处理,更易被广泛接受与推广。 三、为什么要定制方案?

表面肌电图的分析与应用研究

4 表面肌电图的分析与应用研究 表面肌电(surface electromyography, sEMG)图在电生理概念上虽然与针电极肌电图相同,但表面肌电图的研究目的,所使用的设备以及数据分析技术与针电极肌电图是有很大区别的。相对与针电极肌电图而言,其捡拾电极为表面电极。它将电极置于皮肤表面,使用方便,可用于测试较大范围内的EMG信号。并很好地反映运动过程中肌肉生理生化等方面的改变。同时,它提供了安全、简便、无创的客观量化方法,不须刺入皮肤就可获得肌肉活动有意义的信息,在测试时也无疼痛产生。另外,它不仅可在静止状态测定肌肉活动,而且也可在运动过程中持续观察肌肉活动的变化;不仅是一种对运动功能有意义的诊断方法,而且也是一种较好的生物反馈治疗技术[50]。 4.1 肌电(electromyography, EMG)信号的产生原理及模式 4.1.1肌电信号的产生原理 肌肉收缩的原始冲动首先来自脊髓,然后通过轴突传导神经纤维,再由神经纤维通过运动终板发放冲动形成肌肉收缩,但每根肌纤维仅受一个运动终板支配,该运动终板一般位于肌纤维的中点。当神经冲动使肌浆中Ca2+浓度升高时,肌蛋白发生一系列变化,使细胞丝向暗带中央移动,与此相伴的是A TP的分解消耗和化学能向机械功的转换,肌肉完成收缩。在肌肉纤维收缩的同时也相应地产生了微弱的电位差,这就是肌电信号的由来。 人体骨骼肌纤维根据功能分为Ⅰ型慢缩纤维,又称红肌,亦即缓慢-氧化型肌纤维;Ⅱa型和Ⅱb型快缩纤维,又称白肌。“红肌”力量产生较慢,其特点是ATP产生是氧化代谢产生的(即其含有较高的氧化能力),可以维持较长的工作时间,作用主要为保持耐力。快肌纤维则主要是无氧酵解(糖原代谢)途径,故在相对较短的时间内,易产生疲劳和乳酸堆积[46]。所以,不同纤维类型因其收缩类型不同,能量代谢改变不同,生理作用不同,故其收缩时的肌电信号也有不同特征,故而肌电信号反过来也可相应反映耐力、生化改变,也就是疲劳度、代谢等方面的情况。 4.1.2表面肌电信号产生的模式 肌肉内组成单一运动单位的肌纤维,都被包围在兴奋和未兴奋的众多肌纤维及其它导电性良好的体液和组织中,各肌纤维动作电位的产生和传导都会在其外部介质中形成“容积导体导电”现象。产生动作电位的各肌纤维形成一个共同的

表面肌实验报告

武汉理工大学 现代数字信号处理在前沿学科中的应用实验报告基于sEMG时域特征的动作识别 学院:信息工程学院 学号: 1049731503279 姓名:吴志勇 班级:电子154

实验基于sEMG时域特征特的动作识别 一、实验目的 1.了解肌电信号常用的时域分析方法; 2.利用MATLAB对肌电信号进行去噪、特征提取及动作识别; 二、实验设备 1.Wi-Fi表面肌电信号采集卡; 2.32位Windows XP台式机(Matlab 7.0软件); 3.802.11b/g无线网卡; 三、实验内容 (1)学习信号的基本去噪方法,并用MATLAB实现; (2)学习肌电信号常用的时域特征并利用Matlab来进行波形长度(WL)符号改变数(SSC)、过零点(ZC)、威尔逊赋值(WAMP)等特征的提取; (3)学习神经网络信号处理方法,掌握BP神经网络的用法,将其用于肌电信号的动作识别。 学习以上三个部分,最终完成一整套肌电信号去噪、特征提取(选取一种特征)、基于特征的动作识别的MATLAB程序。 四、实验原理 (1)小波去噪 小波去噪方法是一种建立在小波变换基础上的新兴算法,基本思想是根据噪声在不同频带上的小波分解系数具有不同强度分布的特点,将各频带上的噪声对应的小系数去除,保留原始信号的小波分解系数,然后对处理后系数进行小波重构,得到纯净信号。 小波去噪的基本原理图如下 (2)特征提取

时域分析是将肌电信号看成均值为零,而方差随着信号强度的变化而变化的随机信号。时域特征的计算复杂度低,提取比较方便。 最常用的方法有:方差,过零点数(Zero Crossing, ZC ),Willison 幅值(Willison Amplitude, WAMP ),绝对值平均值 (Mean Absolute Value, MAV )和波形长度(Wave length ,WL )等。在实际应用中,为了让特征可以包含更多的信息,往往选择用不同的时域特征组合形成联合特征向量。我们主要介绍一下几种方法: 过零率(ZC ):为波形通过零线的次数,从一定程度上反映了信号的频率特性。为了降低零点引入的噪声,往往会引入一个阈值δ。计算方式如下: )(),sgn(11δ≥-+-++k k k k x x x x (1) Willison 幅值:是由Willison 提出一种对表面肌电信号的幅值变化数量进行计算的方法,经过后人的研究,对Willison 幅值的阈值有了明确的范围限定,目前认为V μ100~50 是最合适的阈值范围。其数学表示公式如公式(3-3)。 ∑=+-=N t i i x x f WAMP 1 1 (2) 其中: ?? ?>=otherwise x if x f 阈值 01 )( 波形长度(WL ):它是对某一分析窗中的波形长度的统计,波长可以体现该样本的持续时间、幅值、频率的特征。 ∑-=-+= 1 1 ) ()1(1N i i x i x N WL (3) 符号改变斜率(SSC ):为信号的的频率性能提供了一些附加信息,对于3个连续的采样点,给定阈值ω,通过下面的公式计算波峰波谷的个数。 ()()()N i x x x x i i i i ,,1,11Λ=≥-?-+-ω (4) (3) 神经网络 BP 神经网络又称误差反向传播(Back Propagation ),它是一种多层的前向型神经网络。在BP 网络中,信号是前向传播的,而误差是反向传播的。所谓的反向传播是指误差的调整过程是从最后的输出层依次向之前各层逐渐进行的。标准的BP 网络采用梯度下降算法,与Widrow-Hoff 学习规则相似,网络权值沿着性能函数的梯度反向调整。 前向型神经网络通常具有一个或多个由sigmoid 神经元构成的隐层,以及一个由线性神经元构成的输出层。多个具有非线性传递函数的神经元层使得网络可以学习输入和输出之间的非线性关系,而线性输出层使得网络可以产生[-1,+1]之外的输出值。

单片机肌电信号采集电路

表面肌电信号采集模块 表面肌电图(surface Electromyogram,sEMG)又称动态肌电图(dynamic Electromyogram,dEMG),是通过表面电极从肌肉表面引导和记录肌肉活动时神经肌肉系统生物电变化的一维时间序列电信号。这些年来,表面肌电信号在很多领域的应用都越来越受到重视,如在康复医学、骨科学、神经学、生物医学、运动医学和工程学等领域。和传统的采用针式获取肌电图的方法比较,表面肌电信号具有很多优点,比如操作更加便捷、不会产生创伤、可采集的空间相对要大,可以进行很长时间的动态采集以及重复性好等优点。由于这些优点,表面肌电信号采集更容易被脑瘫患儿及家长接受。本节主要介绍表面肌电信号采集电路设计。 (2) 在采集表面肌电信号时,电极片会与人体皮肤直接接触,在这个接触界面上会产生一个接触电阻。由于皮肤表面容易分泌汗液等化学物质,容易发生溶液的电解,影响接触电阻的阻值以及产生对皮肤有害的物质。因此,在采集表面肌电信号的时候,应尽量使电极与皮肤接触保持稳定,并避免产生对人体有害的物质。 (3) 不是采用悬浮电极的情况下,电极与皮肤表面发生的微小位移会引起噪音,干扰肌电信号。 经过综合考虑,本系统采用一次性心电电极引导表面肌电信号,该电极使用Ag/AgCl做为感应元件,水凝胶做为粘性元件。这些元件都具有很好的皮肤适应性。水凝胶用来加强产品与皮肤的粘贴

效果从而杜绝因为人的活动造成接触不良。 (1) 电极主要技术指标: (2) 交流阻抗:≤3KΩ; (3) 直流失调电压:≤100mV; (4) 内容噪声:≥150uVp-p; (5) 模拟除颤恢复性能:每次放电后第五秒,电极对上的电压值≤100mV; (6) 偏置电流耐受度:电极对经400nA的直流电流持续作用4小时,在整个作用期间内,电极对两端的电压变化≤100mV。 肌电信号在人体组织内的传递(容积导),会随着距离的增加而很快急减。因此,电极片应该贴放在肌电信号发放最强的部位,以减少邻近肌肉的肌电信号干扰。同时,良好的接地不仅可以降低前面所述的第一种干扰,还可以有效地降低回路阻抗,提高抗干扰能力。图3-2是表面电极的贴片方式,采用差分方式可以有效降低共模干扰。 图3-2 表面电极贴片方案示例 前置放大电路设计 通过电极拾取到的表面肌电信号含有各种各样的噪声,单片机是无法直接进行A/D转换的,必须要经过一步一步地调理,才能去除噪声,提取有用信号。信号首先经过前置放大电路,进行初步处理。为了更有效地去除共模信号地干扰,本系统采用差分放大电路,选用专门的仪器仪表放大器,同时为了防止干扰从导线引入,应使用屏蔽导线与电极相连。 为了获取极佳的性能与功耗比,我们选用ADI公司生产的新型仪用放大器AD620。该芯片是一款虽然成本低但精度却很高的仪表放大器,实际使用时只需要一个外部电阻便可以设置放大器的增益,增益范围为1至10,000。此外,AD620采用的是8引脚的SOIC和DIP封装,尺寸小于分立电路设计,并且功耗非常低(最大工作电流仅为1.3mA),因而非常适合远程应用、电池供电与便携式等设备中。AD620的非线性度最大仅为40ppm,失调电压最大仅为50μV,失调漂移最大仅为0.6μV/℃,非常适合精密数据采集系统。此外,AD620的低噪声、低输入偏置电流和低功耗特性使之十分适合ECG与

表面肌电信号数字传感器设计

表面肌电信号数字传感器的设计 1. 引言 表面肌电(surFace ElectroMyoGraphy, sEMG)信号是神经肌肉系统在进行随意性和非随意性活动时的生物电变化。经表面电极引导、放大、显示和记录所获得的一维电压时间序列信号,其振幅约为0-5000μV,频率0-1000Hz,信号形态具有较强的随机性和不稳定性。与传统的针式肌电图相比,sEMG的空间分辨率相对较低,但是探测空间较大,重复性较好,对于体育科学研究、康复医学临床和基础研究等具有重要的学术价值和应用意义[1]。 人体是一导电体,工频干扰及体外的电场、磁场感应都会在人体内形成测量噪声,干扰sEMG的检测,所以信号的滤波和电路的屏蔽成为表面肌电信号数字传感器设计的重点。装置主要分为以下几个部分:电极、放大电路、滤波电路、A/D转换。 2. 电极的设计 本文电极极片的基体用铜制作,表面镀银,其形式采用常用的双极型。并在两个电极中间插入了一个参考电极,也称作无关电极,以利于降低噪声,提高对共模信号的抑制能力。为了消除来自电源线的噪声,采用差动放大的方法。 肌电信号由两个电极来检测,两个输入信号“相减”,去掉相同的“共模”成份,只放大不同的“差模”成份。任何噪声如果离检测点很远,在检测点上将表现为“共模”信号;而检测表面附近的信号表现为差模信号,将被放大。因此,相对较远处的电力线噪声将被消除,而相对比较近处的肌电信号将被放大。其准确性由共模抑制比(CMRR)来衡量[2]。 肌电信息在人体组织(容积导体)内的传递,会随着距离的增加而很快衰减。因此电极宜贴放在肌电发放最强的肌腹部,以减少邻近肌肉的肌电干扰(串音)。采用较小的电极可提高选择性,但会增加电极与皮肤间的接触阻抗。 3. 放大电路的设计 人体肌肉组织是皮表肌电的信号源,它发放的肌电经过皮下软组织的体电阻传输至皮肤表面,体电阻约数百欧姆。但是,表面电极与皮肤之间的接触阻抗比较高,约几千欧姆。接触电阻还受接触松紧程度、皮肤清洁程度、湿度、四季时令变化等多种因素影响,变化很大[3]。由此可见,对于放大器来说,肌电信号源是一个高内阻的信号源。 在设计肌电信号放大电路时,着重考虑了以下问题: 1.高增益:表面肌电信号幅度约在分布μV~mV数量级之间,是一种极其微弱的信号,要将其放大到一伏左右才能方便使用,所以将放大器的增益设置在80dB。 2.高共模抑制比:表面肌电信号的采集易受50Hz工频电源及其它高频电噪声的干扰。但这些干扰信号在放大器的输入端表现为同幅同相的信号——共模信号,因此选用高共模抑制比的放大电路对干扰信号进行抑制。 3.高输入阻抗:肌肉组织与电极之间的接触阻抗可能在相当大的范围内变化,天气干燥地区,接触电阻甚至高达几万欧姆,在这种条件下,即使放大器的共模比极优良,如果输入阻抗不够高,共模干扰信号也会造成输出误差。因此必须提高放大器的输入阻抗。 根据以上所述,设计的肌电信号采集电路要求具有高增益、高输入阻抗、高共摸抑制比(CMRR)、低零漂、低失调、低功耗、尤其是低的1/f噪声电压。本文选用德州仪器(Texas Instruments)公司的Burr-Brown系列的同相并联差动三运放仪表放大器INA128PA为核心器件搭建了前置放大电路,获得了良好的电路效果。该芯片内部原理电路图如图1所示。

表面肌电图在康复治疗的应用

表面肌电图(surface electromyography, sEMG),又称动态肌电图(dynamic electromyography ,DEMG),是从肌肉表面通过电极引导、记录下来的神经肌肉系统活动时的生物电信号。它与肌肉的活动状态和功能状态之间存在着不同程度的关联性,因而能在一定程度上反映神经肌肉的活动。肌肉运动中产生的生物电通过两个测量电极(相对于参考电极)产生电位差,差分放大器检测到该信号后,经过放大、记录后所得到的图形,现代高档的sEMG都是把放大的信号再转化为数字信号,经过通讯系统传输给微机。微机中的分析软件对所获得的数据进行分析处理,从而完成测试评估等科研或临床诊断任务。sEMG是一种简单、无创、容易被受试者接受的肌电活动,可用于测试较大范围内的E M G 信号,并有助于反映运动过程中肌肉生理、生化等方面的改变;不仅可在静止状态测定肌肉活动,而且可在各种运动过程中持续观察肌肉活动的变化;不仅是一种对运动功能有意义的评价方法,而且也是一种较好的生物反馈治疗技术。因而高等院校人机工效学领域的肌肉工作的工效学分析,体育系统(体科所)疲劳判定、运动技术合理性分析、肌纤维类型和无氧阈值的无损伤性预测,医院康复领域神经肌肉功能评价等高等方面均有重要的实用价值。 1康复治疗疗效评定。 针对肌肉康复治疗手段,特别是康复运动训练手段,可作为治疗前、后疗效对比及随访的评估方法。例如利用sEMG辅助诊断腰背部疾患评估椎旁肌功能。在手术、外伤、颈肩腰腿痛及其他肌肉功能障碍情况下,通过潜在的肌电信号改变确定肌肉的功能障碍、疼痛等严重程度.S E M G 可与其他先进的康复测试和训练仪器结合,协助诊断和评定各种影响骨骼肌功能的情况,如与视频图像结合可较好地对某些日常活动功能的动作进行分析;与步态分析系统结合,分析异常步态的肌电活动情况;与同步摄像系统结合对照研究,有助于分析并纠正各种异常步态;与平衡测试训练仪和等速测试系统配合使诊断更为明确。 2sEMG在测定肌肉疲劳中的应用 肌肉疲劳的测定无论在康复医学还是体育科研都有重要意义,1975年Petrofsky等提出,肌肉疲劳时肌电功率谱中心频率(CF)由高频向低频转移,当疲劳致使工作停止时,中心频率都达到一个相同的终值后,中心频率已被广泛用于肌肉疲劳的定量分析,有研究表明,CF在肌肉疲劳时向低频转移,并与肌肉疲劳有较好的相关性。最大收缩力(MCV)下降50%时所对应的中心频率下降曲线对疲劳较敏感,较能反映疲劳程度。在肌肉疲劳产生机理方面,目前研究证实,随意性运动引起肌肉收缩力下降后,eEMG的最大H波与最大M波振幅比率明显降低,这种现象说明肌肉疲劳发生过程中的脊髓运动神经元兴奋性受到抑制,而脊髓运动神经元兴奋性的降低则可能是导致肌肉疲劳发生的重要因素。通过sEMG和eEMG比较分析,肌纤维活动电位的异常、神经肌肉接头部传导不全、脊髓运动神经元兴奋性低下等因素的共同作用,是导致肌肉疲劳发生的重要原因。 “肌电疲劳阈”(Electromyographic fatigue threshold, EMGFT),由 Matsumoto等建立,他们认为随着肌肉疲劳的发生和发展,iEMG和RMS线形增加,并以此评价肌肉的工作性能。Matsu-moto等通过对21名女大学生受试者的研究发现,受试者在分别完成150W、200W、250W和300W强度,为时60s的踏车运动时,股外肌的积分肌电值与运动时间呈直线相关,各级运动时iEMG曲线的斜率与负荷强度间呈直线相关,认为应用sEMG可以对机体运动的疲劳阈值做出准确的检测。有学者认为预测肌肉的疲劳阈无论是动态还是静态运动,一般情况下,随着运动肌疲劳的发生和发展,表面肌电信号的FFT曲线可以发生不同程度的左移现象,并且导致反映频谱曲线特征的MPF和MF产生相应的下降,并以此利用sEMG判断肌肉的功能状况。有关sEMG功率谱左移原因,有学者在探讨肌肉疲劳过程中sEMG功率谱变化与H+的关系时发现,肱二头肌在以60%MVC静态疲劳负荷过程中MPF呈线性下降.在疲劳负荷后的恢复期,MPF恢复极其迅速,运动结束后仅2 s,MPF已恢复到整个下降范围的26.5%;至30 s,MPF已恢复到整个下降范围的87.7%.由此得出结论: 由[H+]增加引起的肌纤维动作电位传导速度下降不是决定sEMG功率谱左移的唯一因素,提示sEMG功率谱左

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