基于多通道sEMG的肌肉疲勞動(dòng)態(tài)預(yù)測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種基于多通道sEMG的肌肉疲勞動(dòng)態(tài)預(yù)測方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 神經(jīng)肌肉疲勞機(jī)理與預(yù)測研究是國內(nèi)外運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)研究的熱點(diǎn)，同時(shí)也是運(yùn)動(dòng)人體 科學(xué)研究的重點(diǎn)。在運(yùn)動(dòng)過程中，由于血液中的供氧量，或者營養(yǎng)物質(zhì)缺乏等都會(huì)使肌肉 的結(jié)構(gòu)、代謝W及能量等發(fā)生一系列變化，會(huì)使神經(jīng)肌肉系統(tǒng)的效率下降，從而肌肉無法繼 續(xù)完成任務(wù)，導(dǎo)致肌肉疲勞。肌肉疲勞可能導(dǎo)致肌肉損傷，嚴(yán)重情況下的肌肉疲勞將不可恢 復(fù)。肌肉疲勞的研究在人機(jī)工程學(xué)、人機(jī)接口、康復(fù)醫(yī)療、運(yùn)動(dòng)損傷、假肢等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣 泛。
[0003] 目前，肌肉疲勞的臨床檢測工具主要有肌電信號(hào)(sM}，surfaceelectromyography)、 肌音（MMG,Mechanomyogram)、聲肌圖（SiS,Sonomyography)、近紅外光譜（NIKS,Near-infrared spectroscopy)、聲波描記圖(MS,Acousticmyography)、巧胸傳感器等。利用sEMS記錄、研究肌肉疲 勞是勞動(dòng)生理學(xué)中常用的方法，作為一種簡單、無創(chuàng)傷、可定量的研究方法，它可研究局部肌肉 疲勞過程中的變化特征，是一種精確檢測工具。MMG從皮膚表面記錄肌肉振動(dòng)信號(hào)，它能很 好捕捉肌肉活動(dòng)，但是，MMG不能用于肌肉動(dòng)態(tài)收縮研究，而且，在肌肉疲勞重復(fù)檢測中穩(wěn)定 性不高。SMG采用超聲描述骨骼肌的形態(tài)和結(jié)構(gòu)的變化，該方法適合作為sEMG的輔助手段， 提供更多的肌肉疲勞信息。NIRS使用電磁波譜的近紅外部分測量血液的吸收特性血紅蛋 白，由于等長收縮過程中，肌氧含量不一致，導(dǎo)致NIRS信號(hào)不可靠。AMG是MMG的特殊應(yīng)用， 記錄肌肉收縮時(shí)聲音信號(hào)，該技術(shù)目前采用的不多，有些過時(shí)。測角傳感器，測角傳感器壽 命短，成本高。另外還有測力計(jì)，Moore-Garg指數(shù)等等?？偟膩碚f，sEMG和MMG信號(hào)是臨床 研究肌肉疲勞的主要手段，而sEMG被認(rèn)為是最適合的。
[0004] 由于肌肉疲勞的sEMG信號(hào)受W下因素影響：運(yùn)動(dòng)方式、運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度、肌肉的收縮方 式（離屯、、向屯、收縮）、肌肉類型、個(gè)體特征等，所W在眾多的疲勞EMG特征的研究中，不同的 特征參數(shù)得到結(jié)論不完全一致，肌肉疲勞預(yù)測仍然困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 鑒于W上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種基于sEMG的肌肉疲 勞在線預(yù)測的快速方法。
[0006] 一種基于多通道sEMG的肌肉疲勞動(dòng)態(tài)預(yù)測方法，其包括如下步驟： 1):對(duì)多通道sEMG信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理：重新選擇參考值，并且采用帶通濾波器、帶阻濾波 器，消除干擾。
[0007]。：采用分時(shí)最小二乘法擬合sEMG的平均功率頻率MPF、中位頻率MF曲線； 3) :預(yù)測肌肉疲勞時(shí)間：根據(jù)MPF、MF擬合結(jié)果，將得到的時(shí)間加權(quán)計(jì)算肌肉疲勞時(shí) 間； 4) :反復(fù)步驟1)、2)、3)，動(dòng)態(tài)更新預(yù)測肌肉疲勞時(shí)間。
[0008] 優(yōu)化的措施，還包括： 步驟1)對(duì)多通道sEMG信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，具體步驟如下： a) 將礦通道sEMG信號(hào)馬，鳥，鳥，...，&相力日，并求平均萬=(巧+瑪+馬+...+&)化:； b) W上述平均值作為參考值，得到新的勞通道sEMG信號(hào)，鳥鳴;^盛，4=母識(shí)，...， 與=&-雖； C)將新的勢(shì)通道sEMG信號(hào)進(jìn)烏點(diǎn)…，邊進(jìn)行帶通濾波和帶阻濾波，消除干擾，后續(xù)sEMG信號(hào)處理均針對(duì)新的約I道sEMG信號(hào)。
[0009] 帶通濾波器用來保留10化一500化頻段信號(hào)，然后采用陷波濾波器，濾除50化工 頻干擾。帶通濾波器和帶阻濾波均采用常規(guī)的做法，采用己特沃斯數(shù)字濾波器，設(shè)置參數(shù)包 括階數(shù)、3地截止頻率、濾波器的通帶、阻帶截止頻率等。
[0010] 步驟2)分時(shí)最小二乘法，具體方法是：首先W當(dāng)前時(shí)刻為基準(zhǔn)，向前取K秒（K為 正整數(shù)）時(shí)長的sEMG信號(hào)，其次針對(duì)該段sEMG，計(jì)算第1秒、第2秒、第3秒、...，第K秒 的平均功率頻率MPF及中位頻率MF，然后利用最小二乘法分別擬合MPF及MF曲線，最后分 別得到曲線上平均功率頻率MPF下降到90%MPF所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻溢WW及中位頻率下降到 90%MPF所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻&。其中最小二乘法的參數(shù)可由下式計(jì)算：
其中滬表示MPF或MF，漿I表示MPF或MF的均值，X隸示時(shí)亥リ，第藥煤第，萃表示時(shí)刻均值。
[0011] 其中MPF、MF計(jì)算公式如下：
其中/為肌電信號(hào)的頻率巧/)為其功率密度譜，采用基于傅里葉分析的經(jīng)典功率譜估 計(jì)技術(shù)估計(jì)游綠。
[0012] 步驟3)預(yù)測肌肉疲勞時(shí)間。肌電信號(hào)的功率譜變化能反映傳導(dǎo)速度的變化，因而 也能反映疲勞程度，且MPF和MF隨著肌肉疲勞都有下降趨勢(shì)。中位頻率MF比平均功率頻 率MPF能更可靠地反映傳導(dǎo)速度，MF對(duì)噪聲較不敏感，適用于在線估計(jì)。但是MPF對(duì)于頻 譜移動(dòng)是一個(gè)更穩(wěn)定的測量，尤其信噪比較高M(jìn)PF比較可靠。為提高肌肉疲勞預(yù)測可靠性， 本發(fā)明采用MPF，MF兩個(gè)參數(shù)預(yù)測肌肉疲勞時(shí)間。根據(jù)上述時(shí)間。W，瑞/，預(yù)測肌肉疲勞 時(shí)間函數(shù)為：
其中坪是加權(quán)系數(shù)，根據(jù)個(gè)體的年齡、性別等特征具體選擇，壤站媒機(jī)； 步驟4)反復(fù)步驟1)、2)、3)，通過時(shí)間基準(zhǔn)的平移，可取不同時(shí)間段的3616，分時(shí)信號(hào) 分析，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)更新，預(yù)測肌肉疲勞時(shí)間。
[0013] 采用上述方法預(yù)測肌肉疲勞，預(yù)測準(zhǔn)確快捷。首先重新選取所有通道的平均值作 為參考值，由于外部干擾大部分會(huì)對(duì)所有的電極均產(chǎn)生影響，通過新的參考值與原來多通 道sEMG作差，有效的減少了外部干擾，而且參考值變化，不會(huì)影響后續(xù)的預(yù)測運(yùn)算，反而提 高了預(yù)測的準(zhǔn)確性。分時(shí)最小二乘法的采用簡化了計(jì)算，提高了運(yùn)算速度，而且實(shí)現(xiàn)簡單。 MPF、MF兩參數(shù)的運(yùn)用，有效避免了單獨(dú)參數(shù)預(yù)測的不穩(wěn)定性，提升了預(yù)測的健壯性。分時(shí) 信號(hào)分析，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)更新，在線預(yù)測肌肉疲勞時(shí)間。
【附圖說明】
[0014] 圖1為本發(fā)明流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015] W下通過特定的具體實(shí)例說明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書 所掲露的內(nèi)容輕易地實(shí)現(xiàn)。
[0016] 如圖1所示，一種基于多通道sEMG的肌肉疲勞動(dòng)態(tài)預(yù)測方法，其包括如下步驟： 1):對(duì)多