[發明專利]一種基于人體肌肉動力學模型和肌電信號的肌力解碼方法

在審

• 申請號: 202210011713.2
• 申請日: 2022-01-06
• 公開（公告）號: CN114469142A
• 公開（公告）日: 2022-05-13
• 發明（設計）人: 鄧華;徐曉磊;張翼
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: A61B5/389
• 分類號: A61B5/389;A61B5/397;A61B5/00;G06N3/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

一種基于人體肌肉動力學模型和肌電信號的肌力解碼方法，針對現有肌電解碼基于數學模型等方法，存在無法實現長期的肌肉估計，且大部分僅能適用于肌肉力等級估計，準確度低，且存在較長的延時，無法實現連續的實時力解碼。本發明根據人體骨骼肌收縮模型，建立與肌肉激活程度相關的肌肉時空耦合動力學方程，然后對肌肉動力學方程進行降維獲得最低一階的肌肉動力學方程，同時基于降維后的肌肉動力學模型，推導出肌電與肌肉力的低維動力學關系，同時結合實時濾波算法對肌電信號進行采集和濾波，最后采用參數辨識和在線修正算法，獲得模型參數并建立基于肌電信號的肌肉力估計模型。該方法可以代替傳統的肌肉力等級估計方法，實現實時且高精度的肌肉力解碼，為人體肌肉力估計和基于肌肉力的控制奠定了基礎。

技術領域

本發明涉及一種人體肌肉力解碼方法，可用于對肌肉產生的電信號進行力解碼。

背景技術

肌電信號作為一種易于獲取的生物電信號，在醫療和康復領域有著廣泛的應用。目前絕大多數的肌電信號解碼均采用模式識別的方式，可以通過解碼獲得肌肉支配對象的運動軌跡。而在實際移動物體時，人腦會根據物體的特征計算出適當的肌肉力，并通過神經系統對肌肉發出相應的指令。該指令能夠控制骨骼肌肉收縮，并且以肌電信號的形式被觀測到，最終實現對物體的牢固握持。因此，肌電信號的肌肉力解碼的研究不僅可以用于肌肉運動原理的探索，也可以作為控制信號來實現與機器人的協同動作。

到目前為止，有很多研究人員對肌電信號進行解碼研究，但這些方法只能夠解碼多種運動模式，但無法精確解碼力。同時，過去的一些研究也表明，肌電信號幅值一般會隨著骨骼肌力的增加而增加，但這種關系并不是固定的，會受很多因素的影響。而目前在力估計常用的模型中，絕大多為實驗模型，很多算法的訓練時間也很長，容易過度學習，并且模型的結構參數也很難修正。所以，實用性相當差。基于生物學的骨骼肌模型能夠實現更加精細和穩定的力估計，但是目前沒有一個方便且簡單實用的通用模型，限制了其在肌電估計力上的應用。雖然有一些方法可以用來完善這個模型，但它們仍然很復雜并且難以實現穩定的肌肉力估計。因此，基于生物學機理模型，研究出一種穩定且準確的肌電信號的力解碼方法有著重要的意義。

發明內容

本發明的目的在與提出一種新的基于肌電信號的肌肉力解碼方式，以生物學機理模型為基礎，通過降維算法和參數識別算法，實現實用、且穩定和準確度較高的肌肉力解碼。首先，根據骨骼肌收縮模型，建立與肌肉激活程度相關的肌肉時空耦合動力學方程；其次，對肌肉動力學方程進行降維獲得最低一階的肌肉動力學方程，同時基于降維后的肌肉動力學模型，推導出肌電與肌肉力的低維動力學關系；然后，采用實時濾波算法對肌電信號進行采集和濾波；最后采用參數辨識和參數修正算法，獲得模型參數并建立基于肌電信號的肌肉力估計模型。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：

一種基于生物肌肉動力學模型降維的肌電力信號解碼方法，包括以下步驟：

步驟1：確定生物學模型，根據骨骼肌收縮模型，建立與肌肉激活程度相關的肌動蛋白-肌球蛋白結合動力學方程，用來描述肌肉力與肌電信號強度的關系；

步驟2：對模型進行降維。這里可以先將模型進行時空分離來降低模型維度。在此基礎上，通過線性變換得到一個新的系統，該系統可以分為快系統和慢系統。在去除快速系統后，無限維常微分方程系統可以簡化為常微分方程的有限集，實現進一步的降維，得到極低維的骨骼肌動力學模型。然后將時間和空間變量進行綜合，并根據肌肉力與速度關系，最終獲得骨骼肌宏觀力；

步驟3：由于原始肌電信號包含大量噪聲，因此需要對信號進行濾波處理。采用卡爾曼濾波方法對肌電信號進行估計，然后再采用采樣數較低的均值濾波進行平滑處理，最后根據多通道相關性系數對數據進行融合；