[發明專利]一種基于表面肌電和肌音信號融合的人機接口系統

有效

• 申請號: 201510272079.8
• 申請日: 2015-05-25
• 公開（公告）號: CN104850231B
• 公開（公告）日: 2017-12-19
• 發明（設計）人: 朱向陽;郭偉超;盛鑫軍
• 申請（專利權）人: 上海念通智能科技有限公司
• 主分類號: G06F3/01
• 分類號: G06F3/01
• 代理公司: 上海旭誠知識產權代理有限公司31220
• 代理人: 鄭立

技術領域

本發明涉及生物醫學工程與人機接口技術領域，尤其涉及一種基于表面肌電和肌音信號融合的人機接口系統。

背景技術

表面肌電信號描述了肌肉收縮時運動神經元的放電現象，是一種在體表無創檢測肌肉活動的重要信息。肌電信號體現了人的動作意圖，因此可以廣泛的應用于人機接口技術，如遙操作、假肢控制等。然而肌電信號也存在著很多不足之處，如肌電傳感器貼放前需要對皮膚清潔，肌電信號對皮膚阻抗變化、皮膚出汗較為敏感，抗干擾能力差，這些都嚴重影響了基于肌電信號的人機接口魯棒性。

肌音信號，又名肌動圖，是肌肉收縮時肌纖維產生的低頻振動信號或發出的聲音信號。肌音信號主要能量集中在5—50Hz，不用與皮膚直接接觸也能測量，因此肌音信號能抵抗皮膚阻抗變化、皮膚出汗等干擾。肌音信號從肌肉的低頻振動方面體現了人的運動意圖，其用于人機接口控制假肢的可行性已被研究人員及文獻證實。然而肌音信號易受環境噪聲及肢體運動偽跡的干擾，整體信噪比較肌電信號低，因此肌音信號的解碼率較肌電信號低10個百分點左右。

由于肌電信號體現了肌肉活動的電生理特性，肌音信號反映了肌肉活動的低頻振動，綜合二者的優勢可以加深對肌肉活動的認識和理解。將兩種信號源聯合采集，進而融合解碼，能夠增強人機接口的魯棒性。然而目前尚沒有肌電信號與肌音信號聯合采集的裝置，也缺少融合肌電信號與肌音信號解碼的人機接口技術。

因此，本領域的技術人員致力于開發一種基于表面肌電和肌音信號融合的人機接口系統。

發明內容

有鑒于現有技術的上述缺陷，本發明所要解決的技術問題是提供一種肌電信號與肌音信號聯合采集的裝置和融合肌電信號與肌音信號解碼的人機接口系統。

為了克服上述現有技術存在的缺陷，本發明提供了一種基于表面肌電和肌音信號融合的人機接口系統，能夠同時獲取并解碼肌電信號與肌音信號，加深對肌肉活動的認識和理解，增強人機接口的魯棒性。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：一種基于表面肌電和肌音信號融合的人機接口系統，包括肌電與肌音信號聯合采集裝置和肌電與肌音信號融合解碼裝置；所述肌電與肌音信號聯合采集裝置用于同時采集單通道或多通道的表面肌電與肌音信號；所述肌電與肌音信號融合解碼裝置用于解碼人的意圖，將所述人的意圖轉化為外接設備的控制指令。

進一步地，所述肌電與肌音信號聯合采集裝置包括表面電極模塊和肌音傳感器模塊；所述肌電與肌音信號聯合采集裝置通過所述表面電極模塊采集肌電信號，通過所述肌音傳感器模塊采集肌音信號；在同一塊肌肉上，所述肌電與肌音信號聯合采集裝置既可以采集到表面肌電信號又可以同時采集到肌音信號，從肌肉電生理學和肌肉振動兩個方面反映肌肉活動。

進一步地，所述肌音傳感器模塊包括一對肌音傳感器，通過差分濾波的方式采集肌音信號，用于消除環境噪聲及肢體運動偽跡的干擾。

進一步地，所述表面電極模塊包括干電極，所述干電極是鍍金銅電極或氯化銀電極。

進一步地，所述肌音傳感器為微加速度傳感器或壓電加速度傳感器或高靈敏度麥克風。

進一步地，所述肌電與肌音信號聯合采集裝置能夠對采集到的表面肌電和肌音信號進行放大和濾波處理，以確保信號質量，提高信噪比。

進一步地，所述肌電與肌音信號融合解碼裝置，能夠同時解碼肌電和肌音信號，綜合肌電信號和肌音信號的解碼結果，分析出人的意圖。

進一步地，所述肌電與肌音信號融合解碼裝置，通過對采集到的肌電和肌音信號進行時域及頻域特征提取、模式分類，將得出的分類結果實時發送給所述外接設備，使所述外接設備按照所述人的意圖完成相應的任務。

進一步地，所述肌電與肌音信號融合解碼裝置，能根據不同肌肉收縮產生的表面肌電和肌音信號對應的特征矩陣的不同，利用分類器或機器學習算法，得出模式分類結果。

進一步地，所述肌電與肌音信號融合解碼裝置的解碼具體流程是：

(1)對采集到的肌電與肌音信號進行滑動分窗處理；

(2)提取每個時間窗的肌電與肌音信號的時域TD特征或頻域PSD特征，得到信號的特征矩陣；

(3)利用特征矩陣訓練線性LDA分類器；

(4)根據不同肌肉收縮產生的表面肌電和肌音信號對應的特征矩陣的不同，所述線性LDA分類器實時給出模式分類結果。

與現有技術相比，本發明提供的基于表面肌電和肌音信號融合的人機接口系統具有如下有益效果：