[發(fā)明專利]基于時變混合Copula互信息的肌電耦合方法

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• 申請日: 2021-12-13
• 公開（公告）號: CN114159081A
• 公開（公告）日: 2022-03-11
• 發(fā)明（設計）人: 佘青山;金國美;羅志增;孫明旭
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: A61B5/389
• 分類號: A61B5/389;A61B5/397;A61B5/00;G06F17/11
• 代理公司: 杭州君度專利代理事務所(特殊普通合伙) 33240
• 代理人: 楊舟濤

本發(fā)明公開了基于時變混合Copula互信息的肌電耦合方法，包括多通道表面肌電信號同步采集、肌電信號預處理、經(jīng)驗分布函數(shù)估計邊際分布、構建時變混合Copula模型、采用期望最大化?擬牛頓方法估計時變混合Copula模型的參數(shù)模型擬合優(yōu)度檢驗、計算時變混合Copula互信息，得到基于時變混合Copula互信息計算得到肌間的耦合強度。本發(fā)明提出的時變混合Copula互信息提供了一種更為先進的理論指導方法，可以準確描述肌間耦合特性，探究人體的運動機制，在肌間耦合中具有良好的應用前景。

技術領域

本發(fā)明屬于神經(jīng)系統(tǒng)運動控制機制研究領域，具體涉及基于時變混合Copula互信息的肌電耦合方法。

背景技術

肌電(electromyography,EMG)信號是神經(jīng)肌肉活動產(chǎn)生的信號，肌肉在收縮過程中所產(chǎn)生的生理電信號，是人體運動控制系統(tǒng)中運動執(zhí)行末端的信息表征。起主導作用的神經(jīng)系統(tǒng)是通過運動神經(jīng)元(motor neuron,MN)連接，每個運動神經(jīng)元細胞的突觸分出數(shù)十根分支直達運動終板效應器與肌肉纖維耦合，形成一對一的神經(jīng)肌肉接頭支配多條肌纖維收縮，它們整合在一起形成了運動單元(motor units,MU)。人體肌肉中包含了難以計數(shù)的運動單元，當肌肉運動時，大腦運動皮層區(qū)就會產(chǎn)生刺激信號或運動指令向下傳導，中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的運動神經(jīng)元發(fā)出控制肌肉收縮的信號到相對應的肌肉塊。通過表面電極測量所得的肌電信號稱為表面肌電信號(surface EMG,sEMG)，它作為無創(chuàng)采集的人體生理電信號，是淺層肌肉以及神經(jīng)干上電活動在皮膚表面的綜合表現(xiàn)，其中蘊含著豐富的信息。在運動過程中，肌肉之間是彼此聯(lián)系和相互作用的，并且受到運動神經(jīng)系統(tǒng)的調控，肌電信號間的耦合可以反映肌肉的運動功能狀態(tài)和不同的運動范式下中樞神經(jīng)系統(tǒng)的不同控制策略，探索內(nèi)在的運動功能控制機制，為理解運動障礙的病理機制提供了理論基礎。

Conway于1995年發(fā)現(xiàn)了在運動過程中腦電信號與相關的肌電之間的皮層肌肉相干性，隨后，Brown等發(fā)現(xiàn)在運動過程中多通道的肌電信號之間也具有一定的關系，研究者開始采用不同的相關性分析方法獲取肌電信號之間的功能聯(lián)系，進一步探索運動神經(jīng)控制機理。Nguyen等發(fā)現(xiàn)不同運動范式下的肌電信號之間的耦合關系有所差異。

近年來，相干性、互信息等方法被廣泛應用到肌電耦合分析中。杜義浩等利用相干性分析，發(fā)現(xiàn)運動致疲勞過程中協(xié)同肌受中樞神經(jīng)系統(tǒng)控制以更加同步的方式活動；陳玲玲等利用互信息，分析上肢各肌電通道間的關聯(lián)特性，構建肌肉功能網(wǎng)絡。相干性耦合方法只能描述線性的耦合關系，互信息在研究中應用于非線性耦合分析。然而，互信息的估計嚴重依賴聯(lián)合概率密度的精確表示。而通過Copula函數(shù)估計互信息，不僅能有效避免對聯(lián)合密度函數(shù)的估計，而且計算復雜度低。Copula函數(shù)種類繁多，不同的Copula函數(shù)所得到的Copula互信息估計值不相同，吳亞婷等利用Copula互信息進行肌間耦合網(wǎng)絡分析，發(fā)現(xiàn)肱三頭肌與三角肌中束、三角肌后束的耦合強度相對較高，肌間功能聯(lián)系緊密；而肱二頭肌在該運動下獨立于其他肌肉。Copula互信息應用的是參數(shù)靜態(tài)的常相關Copula函數(shù)對互信息進行估計，這種靜態(tài)Copula函數(shù)不能實時反映相關結構的動態(tài)變化，具有一定的局限性，少數(shù)應用參數(shù)是動態(tài)的Copula函數(shù)，但多數(shù)采用單個Copula函數(shù)，考慮到實際情況中的復雜結構，僅用一種Copula函數(shù)無法與數(shù)據(jù)分布類型很好地匹配，可能會出現(xiàn)失真的情況，不能很好地描述各信號間的功能耦合關系。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提出了基于時變混合Copula互信息的肌電耦合方法，結合多種時變Copula函數(shù)構建時變混合Copula模型，計算肌電信號的耦合特性。

基于時變混合Copula互信息的肌電耦合方法，具體包括以下步驟：

步驟一：同步采集多通道sEMG信號，經(jīng)過去噪處理后作為計算樣本。

作為優(yōu)選，所述去噪處理為：對sEMG信號進行去均值、去基線漂移，再利用無限沖激響應陷波濾波器抑制50Hz工頻干擾，然后用帶通濾波器對其進行0.5～200HZ的帶通濾波。