c0復雜度對表面肌電信號的影響

c0復雜度對表面肌電信號的影響

表面肌肉電壓表（semg）是皮膚表面上記錄的運動單位的電壓表（map），由時間和空間重疊而成的綜合電生理信號。它是反映神經(jīng)和肌肉功能狀態(tài)的重要參數(shù)。sEMG信號的頻率在10～500Hz之間,主要能量集中在100Hz以內(nèi)。由于神經(jīng)肌肉運動單元發(fā)放的不規(guī)則性及運動單元動作電位的變異性,sEMG表現(xiàn)出明顯的非平穩(wěn)特性,因此嘗試用不同的時頻域方法分析sEMG的特征。1c0復雜度的ce復雜性測度是描述信號隨機性的一種重要參數(shù),并成功應(yīng)用于腦電信號的特征分析,其基本思想是復雜時間序列是由規(guī)則運動部分時間序列及隨機運動部分時間序列組成,C0復雜性被定義為隨機運動部分時序與時間軸所圍區(qū)域的面積和整個復雜運動時序與時間軸所圍區(qū)域面積之比。C0是介于0和1之間的數(shù),對于常數(shù)或周期序列而言,C0值趨于0;對于滿足一定條件的隨機序列而言,其C0值以概率1收斂于1,因此可以認為C0復雜度是一種隨機性復雜度。對于具有非平穩(wěn)性的肌電信號,有研究者采用Lempel-Ziv復雜度對其特征進行分析,但Lempel-Ziv復雜度存在需要對原始信號粗?；?即將原始信號變成某種二值信號,可能導致過分的粗?；?從而改變信號的動力學特性的問題。與采用快速傅里葉變換相比較而言,C0復雜度具有計算量小的優(yōu)點。因此,本研究將利用C0復雜度分析手指動作時前臂肌肉表面肌電信號的特征。2實驗數(shù)據(jù)的采集2.1試驗前后的年齡分布試驗對象為11名大學生志愿者,其中男生8名,女生3名,年齡22～24歲,身體健康,試驗前未參加高強度的運動,試驗前6個月上肢未出現(xiàn)扭傷或運動損傷。受試者試驗開始前簽署知情同意書。2.2指力檢測儀器實驗器材為成都儀器廠RM6280C多道生理參數(shù)記錄儀;指力傳感裝置、NIUSB6008數(shù)據(jù)采集卡;LabVIEW指力檢測軟件;筆記本電腦1臺;材料為酒精、磨砂膏及導電膏等。2.3材料和實驗方法實驗采用兩對Ag/AgCl電極記錄sEMG,根據(jù)上肢解剖常識可知,前臂上有控制手部活動的肌肉,如指淺屈肌肌腱、指伸肌肌腱延伸至手指關(guān)節(jié),控制手指的屈伸,實驗中選擇記錄指淺屈肌(flexordigitorumsuperficialis,FDS)、指伸肌(extensordigitorium,ED),其中活動電極貼于肌腹,參考電極貼于非活動端,活動電極與參考電極之間的間距為2cm。貼電極前對受試者待測部位的皮膚用磨砂膏及75%酒精去角質(zhì)及皮脂。采用RM6280C多道生理記錄儀的1、2通道分別記錄FDS、ED的肌電信號;為了在數(shù)據(jù)處理中截取有效數(shù)據(jù),用多道生理記錄儀的3通道記錄測量食指或中指力量的力量傳感器輸出電壓,記錄儀信號采樣頻率設(shè)為2000Hz。2.4種方法在指力計受試者坐于椅上,保證身體在測試過程中不移動,用尼龍帶將測試的腕部和前臂固定在擱板上,掌心向下,拇指內(nèi)收,1～4指微屈,輕放于指力計上,測試指按要求完成按壓指力計的動作。測試中分別設(shè)置4N、6N和8N的3個不同的力量水平,實驗中受試者用食指或中指按壓傳感器以達到3種目標力量水平的力量,時間持續(xù)5s;實驗中食指、中指分別測試,盡量保持用力平穩(wěn);以完成一輪的指力測試為一組,重復5組,每組間隔1min,以避免受試者肌疲勞的發(fā)生。為避免實驗中受試者產(chǎn)生適應(yīng)性,測試中完成動作的順序為隨機。3處理數(shù)據(jù)3.1傳感器輸出電壓為矛盾曲線在Matlab7.0中,根據(jù)實驗前的標定結(jié)果,將多道生理記錄儀第3通道記錄的指力傳感器的輸出電壓轉(zhuǎn)換為力量曲線。找出力量曲線中長度為1s,幅度在恒定目標力量±0.25N范圍內(nèi)波動的力量平穩(wěn)段。由于多道生理記錄儀3個通道是同時記錄,可以由第3通道得到的食指或中指力量平穩(wěn)段找到對應(yīng)的肌電信號段,并將該段肌電信號用于分析。3.2帶通濾波肌電阻的實現(xiàn)由于肌電信號的頻率范圍介于20～500Hz,在Matlab7.0中用橢圓濾波函數(shù)ELLIP對肌電信號進行帶通濾波,其中設(shè)ELLIP的參數(shù)wp=[0.020.5],ws=[0.010.55],由此得到經(jīng)帶通濾波后的肌電信號。3.3fdsn-1fj肌信號的均方值veef本研究采用改進了的C0復雜度算法,對指淺屈肌FDS和指伸肌ED上記錄的的肌電信號均截取力量穩(wěn)定時的2000個點計算其C0復雜度,分別記為FSC0,EDC0。FDS上記錄的某一指力量水平的肌電信號記為FDS(n),n=l,2,……,2000。(1)對FDS(n)作快速傅立葉變換得F(j),j=1,2,…,2000。(2)取F(j)的均方值aveF(公式1)。(3)|F(j)|2>aveF的頻率成分被認為是規(guī)則部分的貢獻,≤aveF的成分則是隨機部分的貢獻,本算法(公式2)將規(guī)則部分的頻率成分保留,隨機部分的頻率成分取0,得到Fn(j),j=1,2,…,2000。4肌肉運用c0如圖1所示,其中1名受試者食指、中指在4N力量水平下FDS的肌電信號時間長度為1s(即2000采樣點),圖1顯示,食指4N力量水平下FDS肌電信號較中指的肌電信號變化更快,幅度上也存在一定差異。由以上給出的C0計算方法得到每個受試者所有動作的肌電信號的C0值,然后對所有受試者的每一力量水平下每一肌肉肌電信號的C0值取平均,其結(jié)果見表1。表中給出了所有受試者食指、中指4N、6N和8N力量水平下ED、FDS的肌電信號的C0均值和方差。如圖2所示,分別給出了食指、中指以4N、6N和8N力量水平下所有受試者ED、FDS的肌電信號C0均值和方差。圖2顯示,對于4N、6N和8N的3個力量水平等級,食指動作時FDS、ED兩塊肌肉的C0均值均大于中指的C0均值。食指、中指在4N、6N和8N力量水平時進行按壓動作,食指動作時肌電信號的C0值高于中指動作時肌電信號的C0值,表明食指動作時肌電信號內(nèi)的隨機成分較中指動作時的多。食指較中指、環(huán)指和小指更靈活,除了由4個手指共用的肌肉控制外,還具有單獨的肌肉控制,因此從神經(jīng)調(diào)控角度而言,可能完成食指動作調(diào)控機制更復雜。5皮膚力量的特征人手依靠手指和手掌的配合能夠完成各種精巧復雜的動作