[發明專利]基于EMD樣本熵的表面肌電信號識別方法

有效

• 申請號: 201210527013.5
• 申請日: 2012-12-10
• 公開（公告）號: CN102961203A
• 公開（公告）日: 2013-03-13
• 發明（設計）人: 席旭剛;朱海港;羅志增;張啟忠;佘青山
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: A61F2/72
• 分類號: A61F2/72;A61B5/0488
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 杜軍

技術領域

本發明屬于模式識別領域，涉及一種肌電信號模式識別方法，特別涉及一種應用于肌電假手，基于肌電信號的上肢多運動模式識別方法。

背景技術

表面肌電信號(Surface?electromyography，sEMG)是從人體骨骼肌表面通過表面肌電拾取電極記錄下來的、與神經肌肉活動相關的生物電信號，其中蘊涵著很多與肢體運動相關聯的信息，不同的肢體動作具有不同的肌肉收縮模式，肌電信號特征也將有所差異，通過對這些特征的分析就可以區分肢體的不同動作模式，因此，它不僅被廣泛運用于臨床診斷、運動醫學等領域，還成為假肢控制和功能性神經電刺激的理想控制信號。隨著對肌電信號產生機理的研究，研究者們發現sEMG具有非周期、非平穩、非線性等混沌特性，近年來運用非線性指標來識別動作表面肌電信號的模式也得到了深入的研究，例如王人成等利用Hausdorff維區別了伸腕、屈腕和旋腕3個動作；胡曉等利用GP算法的信息維識別了腕正旋、腕反旋兩個動作；鄒曉陽、雷敏等將最大李雅普諾夫指數和多尺度分析方法結合起來，然后利用支持向量機較好的識別了人體前臂的內翻、外翻、握拳、展拳、上切和下切六類動作；澳大利亞皇家墨爾本理工大學的Naik,Genesh?R.?Kumar,?Dinesh?K等提取手部各類動作的肌電信號的分形維特征，然后結合支持向量機識別手部各個動作，取得了較高的識別率等。這些非線性算法都很好的解決了肌電信號的特征提取問題，然而這些特征提取方法需要長時間穩定的sEMG信號，抗噪能力較弱，對肌電假手就不能很好的實時控制。

發明內容

為實現對殘肢患者手腕運動模式的正確識別，快速精準的控制肌電假手，本發明提出了一種基于經驗模態分解(Empirical?mode?decomposition,?EMD)樣本熵的肌電信號識別方法。首先從相關肌肉組上采集相應的表面肌電信號，然后運用能量閾值確定sEMG的動作信號進行經驗模態分解（EMD），依據頻率有效度的方法自適應的選取若干個包含肌電信號有效信息的內蘊模式函數(Intrinsic?Mode?Function，IMF)分量求和作為有效肌電信號，求取樣本熵，然后將樣本熵作為特征向量輸入主軸核聚類分類器，實現肌電信號的上肢多運動模式識別。

為了實現以上目的，本發明方法主要包括以下步驟：

步驟(1).獲取人體上肢肌電信號樣本數據，具體是：首先通過肌電信號采集儀拾取人體上肢肌電信號，再運用能量閾值確定動作的起始位置和終止位置作為動作肌電信號。

步驟(2).將步驟(1)獲取的sEMG動作信號進行經驗模態分解，然后依據頻率有效度的方法自適應的選取若干個包含肌電信號有效信息的IMF分量進行迭加作為有效肌電信號。

所述經驗模態分解（EMD)，具體算法如下：

EMD是一種自適應的信號處理方法，非常適合處理非線性非平穩信號，它基于一個基本的假設條件，即所要分析的信號是由許多不同的內蘊模式函數相互疊加而成。不同時間尺度的各種模式將會根據其自身的特征尺度進行分解，分解后的每種模式是相互獨立的，在連續的過零點間不存在其他極值點。所以每一個IMF都要滿足以下兩個判斷條件：整組IMF數據中極值點和過零點的數目相等或最多相差1；信號的局部極大值包絡線和局部極小值包絡線的均值為0。

對信號????????????????????????????????????????????????，用EMD分解成各IMF步驟為：

(1)首先確定信號的所有極值點，包括極大值點和極小值點。然后對所有極大值點和所有極小值點分別用三次樣條插值曲線連接起來，這樣便確定信號的上包絡線和下包絡線，記上、下包絡線的均值為。則

?????????????????????????(1)

(2)用信號減去上、下包絡線的均值得到，即

????????????????????(2)

此時看是不是滿足IMF的兩個條件，滿足則把賦給；不滿足則把看作原始信號在重復以上過程，直至次循環后得到的滿足IMF的兩個條件，并記：

???????????????????????????????(3)

(3)記剩余信號，將其作為新的序列，重復上面步驟，直至提取出所有的IMF。此時原始信號最終分解為個IMF和一個剩余分量。記：

?????????????????????????????????????(4)

式中：為第個IMF分量；為余項。