基于電極陣列的手外肌sEMG檢測(cè).pdf

1、人手是最神秘、最復(fù)雜的生物運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)之一,其復(fù)雜的生理機(jī)能和神經(jīng)結(jié)構(gòu)是認(rèn)識(shí)神經(jīng)肌肉系統(tǒng)調(diào)控多指協(xié)同動(dòng)作和力量共同執(zhí)行一系列的行為任務(wù)機(jī)理的一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。人手的力量動(dòng)作依賴前臂肌肉的收縮完成,因此sEMG信號(hào)可用于評(píng)價(jià)手指的生物力學(xué)特性。本課題以表面肌電為技術(shù)手段研究神經(jīng)肌肉系統(tǒng)對(duì)人手的運(yùn)動(dòng)控制策略在康復(fù)醫(yī)學(xué)、人體工效學(xué)、運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)、神經(jīng)生理學(xué)和運(yùn)動(dòng)機(jī)能學(xué)領(lǐng)域有重要的學(xué)術(shù)和應(yīng)用意義。由于傳統(tǒng)的兩電極記錄結(jié)構(gòu)不能檢測(cè)單個(gè)運(yùn)動(dòng)單位水平的活動(dòng),高

2、密度sEMG信號(hào)在基礎(chǔ)研究和診斷醫(yī)學(xué)中具有重要價(jià)值,但卻沒得以廣泛應(yīng)用。而限制其應(yīng)用的部分原因在于sEMG電極系統(tǒng)的加工技術(shù)。針對(duì)以上問題,本文首先基于柔性電路板加工工藝設(shè)計(jì)了一種具有較高柔韌性的線性、柵格電極陣列裝置。采用的電極載體材料聚酰亞胺(厚50μm)具有較高的機(jī)械柔性和易裁切性,表面鍍金(厚度2μm)的電極具有較低的阻抗,特制的聚酯雙面膠帶用于可重復(fù)使用的電極陣列裝置的固定。電學(xué)性能測(cè)試表明該電極系統(tǒng)具有較低的阻抗和良好的重復(fù)

3、性;穩(wěn)定的基線、良好的sEMG信號(hào)、較低的噪聲水平保證了此低成本電極系統(tǒng)的實(shí)際可用性。本文采用JHBM型號(hào)的電阻應(yīng)變式壓力傳感器將指力信息轉(zhuǎn)換成微伏級(jí)的電壓信號(hào),然后由儀表放大器AD620和運(yùn)算放大器OP07構(gòu)成的兩級(jí)放大電路轉(zhuǎn)換成毫伏級(jí)信號(hào),最后經(jīng)NI公司USB6008數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)指力數(shù)據(jù)采集。本文利用以上設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)多指肌調(diào)控手指運(yùn)動(dòng)功能的機(jī)理進(jìn)行了初步的探索研究。設(shè)計(jì)了食指(I)、中指(M)、食指中指(IM)組合三種手指活動(dòng)

4、模式,其中,單指輸出力量由6N、8N、10N、12N四個(gè)力量水平組成,組合模式的由8N、12N、16N組成。在任務(wù)手指匹配目標(biāo)力量的過程中,6通道指淺屈肌的sEMG信號(hào)利用兩維電極陣列被同步采集。根據(jù)有效的力量輸出段提取相應(yīng)通道的sEMG信號(hào),對(duì)提取的肌電信號(hào)進(jìn)行20-500Hz的帶通濾波,然后計(jì)算各通道sEMG信號(hào)的RMS,Ptotal,Pmax,并構(gòu)建了Ptotal和Pmax彩色地形圖用于指淺屈肌空間激活特性的研究。通過分析,得到以

5、下三點(diǎn)結(jié)果:①指淺屈肌激活區(qū)域和激活強(qiáng)度隨手指輸出力量的增加而增加,從8N到12N增加的過程中最高的RMS的位置向橈側(cè)轉(zhuǎn)移;②不同電極位置處RMS對(duì)力量變化的靈敏度存在差異;③在相同的力量水平下,FDS的激活模式顯著地受手指活動(dòng)模式的影響,FDS的激活強(qiáng)度和區(qū)域要顯著的高于本文設(shè)計(jì)的其他兩種手指活動(dòng)模式。這些初步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,sEMG信號(hào)特征值的特性取決于手指力量輸出的水平,電極位置和手指活動(dòng)模式。目前的工作提示手指力量輸出水平和手指