基于電極陣列的手外肌sEMG檢測.pdf

1、人手是最神秘、最復雜的生物運動系統(tǒng)之一,其復雜的生理機能和神經結構是認識神經肌肉系統(tǒng)調控多指協(xié)同動作和力量共同執(zhí)行一系列的行為任務機理的一個巨大的挑戰(zhàn)。人手的力量動作依賴前臂肌肉的收縮完成,因此sEMG信號可用于評價手指的生物力學特性。本課題以表面肌電為技術手段研究神經肌肉系統(tǒng)對人手的運動控制策略在康復醫(yī)學、人體工效學、運動醫(yī)學、神經生理學和運動機能學領域有重要的學術和應用意義。由于傳統(tǒng)的兩電極記錄結構不能檢測單個運動單位水平的活動,高

2、密度sEMG信號在基礎研究和診斷醫(yī)學中具有重要價值,但卻沒得以廣泛應用。而限制其應用的部分原因在于sEMG電極系統(tǒng)的加工技術。針對以上問題,本文首先基于柔性電路板加工工藝設計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使用的電極陣列裝置的固定。電學性能測試表明該電極系統(tǒng)具有較低的阻抗和良好的重復

3、性;穩(wěn)定的基線、良好的sEMG信號、較低的噪聲水平保證了此低成本電極系統(tǒng)的實際可用性。本文采用JHBM型號的電阻應變式壓力傳感器將指力信息轉換成微伏級的電壓信號,然后由儀表放大器AD620和運算放大器OP07構成的兩級放大電路轉換成毫伏級信號,最后經NI公司USB6008數(shù)據采集卡實現(xiàn)指力數(shù)據采集。本文利用以上設計的實驗裝置對多指肌調控手指運動功能的機理進行了初步的探索研究。設計了食指(I)、中指(M)、食指中指(IM)組合三種手指活動

4、模式,其中,單指輸出力量由6N、8N、10N、12N四個力量水平組成,組合模式的由8N、12N、16N組成。在任務手指匹配目標力量的過程中,6通道指淺屈肌的sEMG信號利用兩維電極陣列被同步采集。根據有效的力量輸出段提取相應通道的sEMG信號,對提取的肌電信號進行20-500Hz的帶通濾波,然后計算各通道sEMG信號的RMS,Ptotal,Pmax,并構建了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、下三點結果:①指淺屈肌激活區(qū)域和激活強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的位置向橈側轉移;②不同電極位置處RMS對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模式的影響,FDS的激活強度和區(qū)域要顯著的高于本文設計的其他兩種手指活動模式。這些初步的實驗結果表明,sEMG信號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模式。目前的工作提示手指力量輸出水平和手指