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基于MMG信号的假肢控制分析.pdf

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哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -I- 摘 要 当人通过大脑想象做某个动作时,比如张开手,来自大脑的神经信号会传递到手部神经,让其处于兴奋状态,支配肌肉进行收缩。人体肌肉的收缩时会产生微弱的生物电信号的同时,也会把肌肉纤维的的横向振动以一种形式传播出去,这种肌纤维的横向振动信号的传播形式被称为 肌动信号( Mechanomyograph,MMG。把加速度传感器通过双面粘附纸粘附在肌肉表面上,传感器可以很牢固地固定在肌肉上,这样就可以通过它来采集 MMG 信号。 MMG 信号是最能反映肌肉特性的一种信号,被广泛应用于肌肉疾病、帕金斯疾病等研究领域中。和 肌电 信号( Electromyogragy, EMG一样, MMG 信号也是肌肉收缩时产生的。所以 MMG信号在近些年被以一种新的假肢控制研究方向在假肢控制学术领域提出来,并得到相关学者广泛的关注。 本文在广大学者对 MMG 信号应用于动作识别分类的基础上,进一步探索以MMG 信号作为假肢控制源信号实现假肢实时控制的方法。通过对假肢控制研究的调研,借鉴基于表面肌电 ( EMG) 信号对假肢控制的研究方法 , 对 MMG 信号处理分析,寻找到适合 在 MMG 信号对假肢的实时控制 时比较的 两个时域特征 。为了能够进一步说明 MMG 信号 在假肢控制研中起到 理想的作用,本课题基于 MMG信号作为 源 控制信号的思想,利用 Matlab 等软件开发了一套适用于 MMG 信号的采集系统,并通过线性 LDA 算法的分析,对 MMG 信号假肢控制动作分类进行离线分析,证明了 MMG 信号基于幅值和方差两个特征的动作分类精度完全满足假肢控制的要求。 为了进一步验证实验的结论,使用 Matlab 及 VR 工具箱开发了适合截肢者认知动作恢复的虚拟假肢控制系统。通过改变相应的参数,根据使用者的意愿,对不同的动作类型实现假肢虚拟控制。最后通过对 MMG 信号和 EMG 信号对假肢控制中动作分类精度的对比,从实验的角度 定量地描述及证明了 MMG 信号控制假肢的可行性。 关键 词 假肢 控制; MMG; 虚拟现实; LDA哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -II- Abstract When people think a moment through their brain, such as open hand, the nerve signals in brain will transfer to the hand nerve and make the hand nerve excited, which is dominating the muscles for shrinking. The contraction of the muscles can produce the faint biological signals, at the same time transfer the transverse vibration of muscle fiber in some way. And the of the transverse vibration of muscle fiber is called Mechanomyograph, which is short for MMG. MMG signal can be collected through the acceleration sensor adhering to the skin surface, also do by the piezoelectric sensors. MMG signal almost can reflect the characteristics of a signal muscle, and be widely used in the field of research in muscle disease, Perkins disease etc. Just like the principle of EMG production, MMG signal is born with the shrinking of muscles. Hence MMG signal is put forward as a new prosthetic control research direction in artificial limbs control academic fields and made the relevant scholars’ attention wildly. This article is based on the classification of the moment recognition applied in MMG signal in the broad scholars, and further explore realize real-time control of artificial limbs based on MMG signal. Through the investigation of artificial limbs control study, learning the control of prosthesis based on EMG signal, we find two time domain features which is suitable for the real-time control of the prosthesis based o MMG signal. In order to further proof that MMG signal is suitable for the artificial limbs control, we develop the MMG signal acquisition system. And we proved that two characteristics of MMG signal, amplitude and variance, can completely satisfy the requirements of the action classification accuracy for prosthetic control through the analysis of linear LDA algorithm and offline analysis of the MMG signal control action of prosthesis classification. In order to further prove experiment results, we develop the virtual artificial limbs cognitive action control system for amputees using Matlab toolbox. We can realize real-time virtual prosthetic control through the corresponding parameter setting. Finally, we prove the feasibility of the control signal MMG prosthesis through the contrast results of the prosthetic control action classification accuracy based on MMG signals and EMG signal. Keywords artificial limbs control, MMG, virtual reality, LDA 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -III- 目 录 摘 要 ............................................................................................................................... I Abstract ............................................................................................................................. II 第 1章 绪 论 ..................................................................................................................1 1.1 课题来源 .................................................................................................................1 1.2 课题背景及意义 .....................................................................................................1 1.3 国内外研究现状 .....................................................................................................3 1.4 本文要研究内容 .....................................................................................................7 第 2 章 MMG 信号采集系统 ...........................................................................................8 2.1 引言 .........................................................................................................................8 2.2 MMG 信号产生的机理及特征 ...............................................................................8 2.3 MMG 信号采集装置 ............................................................................................. 11 2.3.1 三轴加速度感器原理 .................................................................................... 11 2.3.2 三轴加速度感器装置选型 ............................................................................ 12 2.4 信号采集系统设计 ............................................................................................... 13 2.4.1 信号采集系统开发平台 ................................................................................ 14 2.4.2 系统设计 ........................................................................................................ 14 2.5 本章小结 ............................................................................................................... 17 第 3 章 MMG 信号特征提取及动作识别 ...................................................................... 18 3.1 引言 ....................................................................................................................... 18 3.2 信号的预处理 ....................................................................................................... 18 3.3 信号特征分析 ....................................................................................................... 19 3.4 线性分类算法的研究 ........................................................................................... 22 3.5 本章小结 ............................................................................................................... 24 第 4 章 人机交互系 统与假肢控制 ................................................................................. 26 4.1 引言 ....................................................................................................................... 26 4.2 虚拟与现实技术 ................................................................................................... 26 4.2.1 虚拟与现实技术的特点 ................................................................................ 26 4.2.2 虚拟与现实技术的运用 ................................................................................ 27 4.3 虚拟假肢的设计 ................................................................................................... 27 4.3.1 假肢的三维建模 ............................................................................................ 28 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -IV- 4.3.2 虚拟假肢文本创建 ........................................................................................ 29 4.4 人机交互训练系统的开发 ................................................................................... 31 4.4.1 系统设计思路及开发平台选择 .................................................................... 31 4.4.2 虚拟假肢控制系统的组成 ............................................................................ 33 4.4.3 虚拟假肢控制系统 ........................................................................................ 35 4.5 本章小结 ............................................................................................................... 36 第 5 章 实时控制及实验分析 ......................................................................................... 37 5.1 引言 ....................................................................................................................... 37 5.2 虚拟假肢实时控制实验 ....................................................................................... 37 5.2.1 实验预处理 .................................................................................................... 37 5.2.2 实时控制效果显示 ........................................................................................ 40 5.3 动作分类实验 ....................................................................................................... 43 5.3.1 实验目的 ........................................................................................................ 43 5.3.2 实验方法 ........................................................................................................ 43 5.3.3 实验准备 ........................................................................................................ 44 5.3.4 实验结果 ........................................................................................................ 46 5.4 本章小 结 ............................................................................................................. 48 结 论 .............................................................................................................................. 49 参考文献 .......................................................................................................................... 50 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果 .................................................................... 56 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明 ................................................ 57 致 谢 .............................................................................................................................. 58 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -1- 第 1 章 绪 论 1.1 课题来源 本课题 的来源是 国 家自然科学基金项 目 “ 基于肌电解码的多功能仿生假肢的实时控制研究 ” 60971076的子课题 , 本论文研究的方向是把 肌动信号( Mechanomyograph, MMG)作为 假肢控制信号源对假肢进行 控制研究 [1]。 1.2 课题背景及意义 康复工程是 是结合医学知识和工科知识 , 在近几十年流行起来的一个研究领域。 它的主要思想是 采 用先进的科学技术 制作人体所需要的 某些 器官等来 替 待或者补偿 患者 所失去一些生理或者身体功能, 这种 方法是应用在 康复 工程 领域内的主要方法。 假肢是用于恢复失去手臂的截肢者上臂的功能装置。它是在 恢复 截 肢患者的 相应功能的 康复领域 里 常用的方法。 假肢行业是 19 世纪三十年代 以后开始广泛 发展的 , 各个国家在战争中产生了大量的失去手臂的士兵,假肢及相应的行业备受 各国 政府 的 关注, 各种科研投入为假肢行业发展 注入了新鲜的血液。新 材料 的发现、新 工艺 发展 、 以及新科学技术的创新促进了假肢及其行业的发展 [2-4]。 在 19 世纪四十年代 的时候, 各个国家为在战争中失去手臂的士兵 恢复 手部 相应的 功能, 投入的大量的人力和财力, 而假肢的技术水平也是在这段 时期 里得到很大的提高 [5]。 在人类的 正常生活中, 手 和脚是使用最为频繁的肢体 ; 而手臂又是相对 于功能更为重要的 一部分,不仅 结构最复杂的部分 ,而需要 恢复必要功能的过程过于困难 。从生物学的角度研究出发显示,人们和外界环境接触时, 手 臂的反馈是 用来 获取信息 的 主要 途径;当患者失去手臂后成为 截肢者 , 在精神上 会备受 打击, 在生活上也失去了很多不便 [3]。 假肢行业刚起步时,发展起来的假肢被称为装饰性假肢 , 这种假肢不能够恢复失去手臂的残疾人相要恢复的相应功能,只能够让截肢者佩戴后起到美观和装饰的作用。 装饰性的假肢能够恢复截肢者失去手臂而造成的身体失衡,同时把假肢穿戴在衣服里能够让其他人不易发现截肢的差异;装饰性假肢一 般采用机械装置以及一些成型塑胶等材料组成 ,形状和正常手臂相似,重量较轻,是截肢者能够承受的负重 [5]。 图 1-1 是一种常见的装饰假肢 [6]。 索控假肢是 传统假肢 行业 发展阶段中的另一 代表产品 。索控假肢设 计的主要思 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -2- 图 1-1 装饰性上臂假肢 Fig.1-1 Decorative arm prosthetic 想是依托于除假肢以外的动力来操控假肢,一般是另外 一个 正常的手臂的帮忙 来实现假肢的一个动作运作或者其他人的帮忙来实现假肢的一个动作运作 。索控假肢的制造主要是机械结构的搭建以及各个模块间的相对运动,假肢的控制 思想是基于外力来源设计的,即当外力作用于假肢控制前,假肢的机械手部分是出于手张开或者手闭合的状态,当外力作用在假肢控制时,手臂的机械手部分将处于手闭合或者手张开状态;由于这个阶段假肢的发展情况限制,这种假肢一般只能够实现一个动作的运作,需要截肢者通过自己的感觉逐渐训练自己对假肢控制程度的知觉,这样长时间的训练才能够很自然地控制一个动作的运作 [5]。 图 1-2 是 两 种常见的索控假肢 [6]。 图 1-2 两 种索控假肢 Fig.1-2 Two cable accused of prosthetic 肌电信号( Electromyogragy, EMG) 是人体肌肉 收缩时,肌肉 表面 产生的微弱生物电信号,被称为 肌电信号 ; 在 假肢 控制和操纵 中,利用这种微弱的肌电信号哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -3- 的电位差作为控制的 初始信号 ,使用这种方法控制的神经 假肢被称为肌电假肢[7-10]。肌电 信号通常 使用粘附在皮肤表面的双极性差分电极来获得,然后将信号通过 数字信号 放大器 放大幅值,避免信号饱和 , 这样就 可以 获得放大后的肌电 信号 。肌电假肢的控制 是假肢行业发展的另一阶段,也是现代假肢发展阶段;通过特定的方法可以实现不同动作的假肢功能控制。 随着国家在公共卫生事业上的重视,功 能假肢等康复领域也将开始快速 发展,这与国家整个医疗器械行业产业链的发展是息息相关的 ; 据国家统计局 的抽样调查显示,我国残疾人口人数 大约 占我国人口总数的 1/15,其中需要佩戴假肢恢复功能的截肢者 大约 占残疾人口总数的 1/4[2,5]。因此, 在我国开展假肢技术研究以及假肢控制方法的研究是必要的。康复领域内针对神经信号的传递方式,研究人员提出了许多假肢的控制方法,然而以皮肤表面为研究对象对神经假肢控制的方法主要有两种,它们分别是以 EMG 信号作为神经假肢控制源信号的控制方法研究 和以 MMG 信号作为神经假肢控制源信号的控制 方法研究 。 本课题主要是在 参考研究人员已经 做出的贡献 及相应的 归纳总结 基础上 , 对神经假肢控制方法 做 进行进一步研究 工作。 在 使用 MMG 信号作为信号源控制假肢的研究 上提出 方法 改进和 思想 创新, 以达到 能够实现 实时 控制 假肢 的目的。 1.3 国内外研究 现状 假肢控制方法是针对于佩戴假肢的截肢者来说具有重大意义。假肢的控制的“方便”程度直接对佩戴假肢的患者的 生活产生影响。当然,从康复工程领 域的发展历程来看,截肢者也经历了从弥补肢体缺失作用的装饰性假肢过渡到 可以做特定动作恢复的肌电假肢的过程。 在这个假肢发展长期的过程中,随着科 学技术的发展,假肢的功能和控制手段都在逐步提高。 21 世纪以来,科学技术迅猛发展,各种加工制造的技术以及不同学科的科研水平都出现了显著提高,在这种技术革新的大背景下,人们已经能够结合不同的技术和相应的知识为截肢者创造出先进的,智能的假肢。 目前, 就假肢行业的发展来看,国外的技术远远超过国内的相关行业,许多国外自己的公司开发的先进的多功能假肢 ,这些假肢 代表了国外 最先进 技术发展水平,同时这些公司的 假肢 也是 全世界假肢行业发展的最高水平 的代表 [11-15]。 其中国外最具有代表性的假肢公司是 英国 Touch Bionics 公 司和 德国 Otto Bock 公司; 图 1-3 a是 Otto Bock 公司 代表性的手臂; 图 1.3 b是 Touch Bionics 公司最近市场上具有代表性的假肢 [16,17]。 国外的假肢行业发展具有代表性的是英国 Touch Bionics 公司和德国 Otto Bock公司的手臂,其中 Otto Bock 公司生产的肌电假肢可以根据粘附在手臂肌肉的 传感哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -4- 器采集的信号的大小来控制假肢手部的张手与握拳动作,其中的 DMC Plus 假肢在 a Otto Bock 手臂 b i-LIMB 手臂 a Otto Bock hand b i-LIMB hand 图 1-3 国外现代假肢 Fig.1-3 Oversea modern artificial hand 患者使用时,手部的握拳速度是可以根据本人的意愿调节的,其调节范围可在15-130mm/s 内变化 [16]。 i-LIMB 假肢是 英国的 Touch Bionics 公司 根据人体的手臂功能 研发的 ,可以像正常 人的 手掌一样,根据个人意愿实现不同手指的动作 ,同时可以完成手张开以及握拳等动作的功能实现 [17]。 这两款假肢 是当今市场上任何一款肌电仿生假肢都无法达到的 ,代表了世界假肢发展的最高水平 。 我国的 科研实力和机械加工制造等能力和国际发达国家的水平还存在一定的差距 。 对于 截肢者康复等 领域的发展在 我国 发展也比较缓慢, 相关的科研人员在假肢制造以及假肢控制方面也做成了相应的贡献。 图 1-4 展示的是我国的 现代假肢发 展状况,其中以一些假肢公司和研究所在该领域做出的贡献比较突出。 图 1-4 a展示的是我国公司自主研发的多自由度假肢手臂 [18]; 图 1-4 b展示的是我国 哈尔滨工业大学 研究所 自主 研发的灵巧手假肢 [6]。 假肢 控制研究是康复领域中一项重大突破。传统假肢的控制主要是依 靠假肢使用者自身的源动力或者外界帮助实现机械假肢的单一动作控制, 随着科学技术的发展,计算机软硬件性能的提高,处理数据的能力有了突破性的进展,研究人员把假肢控制的方法的理念从依托于使用者自身源动力或者外界源动力控制假肢转移到使用神经接口的方法来控制假肢 [19-21]。科研人员通过分析支配肌肉收缩的神经传递过程,在不同的时期对假肢控制采用不同的控制方法,这些方法都是基于神经信号作为控制信号的,这些方法被称为基于神经信号的假肢控制。当人的大脑想象做某一个动 作时,大脑会以图像形成在脑部产生相应的信息反馈,通过神经传递回路把动作神经信息传递到脊髓;神经信号传递到脊髓后,人体会产生手哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -5- 臂和脊髓间的反射应激反应,通过钾钠离子在细胞内的电位变化,把动作信号传递到手臂肌肉神经上。因此,科研人员最先想到的神经假肢控制方法就是直接提取大脑产生的想象某动作时产生的脑电信号作为现代假肢的源控制信号,这种方法被称为脑部和机器接口;脑部和机器接口的方法是使用非常精细金属电极直接和大脑皮层的神经接触 , 从大脑采集的控制信号对于动作控制是最直接的信号,然而由于脑电信号本身包含复杂的信息极其 丰富,特别眼电信号对脑神经信号的干扰极大并难以剔除,还有实验具有一定的危险性,所以脑 部和 机 器 接口的方法控制多功能肌电假肢并没有得到广泛推广 [22]。 a 中国科生肌电手 b 哈工大 HIT/DLRⅡ型灵巧手 a Chinese keshen myoelectric hand b HIT/DLR HandⅡ 图 1-4 国内 现代假肢 Fig.1-4 Chinese modern artificial hand 根据神经信号的传递过程,科研人员避开 和大脑神经直接接触,把提取控制信号的位置选择脊髓附近,即把非常精细金属电极和脊髓周围的神经接头接触,采集 信息传递的 第二阶段的神经信号作为控制假肢动作的源信号,这种方法被称为周围神经接口 [23]。 该方法和脑 部 机 器 接口方法类似,都是把电极直接和神经相连,获得相应的信号。不过和脑 部 机 器 接口不同的是周围神经接口方法是将电极(阵)植入到支配手部动作的周围神经上, 也就是说将电极植入手臂皮肤里。这样的方法和脑 -机接口方法相比, 信号的质量更好 ,但是如果把电极长期植入人体,由于人体细胞的排外 性,经过一段时间后,电极会被组织包裹 ,以致失去原来采集信号的 传感器 功能。 神经信号传递的第三阶段就是肌肉神经传递的过程,科研人员根据神经支配肌肉收缩的过程得到灵感,把假肢控制的方法转移到肌肉收缩本身以及肌肉表面。这种新型的假肢控制方法就是基于肌肉收缩的本身产生 MMG 信号作为假肢控制的源信号和基于肌肉收缩时在肌肉表面产生的 EMG 信号作为假肢控制的源信号。哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -6- 这两新型的 假肢控制方法 弥补 前两种假肢控制方法中的不足,在现代假肢控制控制备受关注。 这种新的技术就是基于体表神经 解码的多功能神经假肢控制研究,其理论是基于神经电生理基础,即运动神经信息可以通过粘附 在肌肉皮肤表面的传感器获得,然后通过信息处理、解码可以得到假肢控制需要的控制信息 [24-31]。 当截肢者想象做某一动作时,虽然他的手臂已经没有了,但是大脑依然会产生相应的神经信号,并按照神经信号的传递回路传递到脊髓,然后由脊髓传递到手臂残留的肌肉神经上;残留的肌肉受到神经信号刺激,产生肌肉收缩过程,在这种过程中肌肉表面会产生微弱的肌肉表面电信号,通过使用传感器把些肌肉表面电信号采集下来,就可以用于假肢控制的研究 [25,26]。当传感器把表面肌电信号采集下来后,存储在缓存中,通过事先 设 定相应算法,可以提取做不同动作时产生的肌电信号的特征,然后把这些信号的特征通过已经设定好的动作判别分类器就可以得到截肢者想要做哪些相应的动作;当通过分类器判断出截肢者想要做什么样的动作后,通过相应的算法把控制信号发送给相应的多功能假肢 [32,33]。上述的方法只是适用于患者截肢时还有部分肌肉残留的情况,当患者在意外事故或者战争等过程中失去全部的手臂时,可以使用一种新方 法能够恢复截肢者的相应动作,这种方法被称为目标肌肉神经重建的方法; 这种新的方法是 09 年美国芝加哥康复研究院自主创新的一种方法,并通过实验验证,并在 该实验 室产生了世界上第一位 “仿生人” [34-36]。科研人员通过手术的方法将“仿生人”的肌肉神经移植到胸大肌上,经过一段时间重新生长 成活 ,当“仿生人”想象做手张开 等动作 时,大脑的神经信息会表达成胸大肌的收缩,这样就可以通过传感器和相应的控制算法实现神经假肢控制。 当然,随着科技的发展,假肢控制的方法的研究也 在寻找新的发展方向 ,在神经信号传递的第三个阶段,科研人员使用肌肉收缩产生的 MMG 信号作为源控制信号的研究工作也 开展起来 。 MMG 信号作为假肢
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