基于肌音信號的仿生手信號采集系統(tǒng)設(shè)計

0 引言

??? 安裝假肢是截肢者代償缺失的運動功能，回歸社會的有效手段。假肢研究的重點之一是假肢的仿生控制，尤其是如何采用使用者自身的信號靈活有效地控制上肢假肢。目前用于假肢控制的仿生控制信號主要有人體自身的肌電信號(Electromyogram，EMG)、腦電信號(Electr-oencephalogram，EEG)和聲音信號(Mechanomyography，MMG)等。其中，表面肌電信號由于滯后時間短和抗干擾能力強，仍然是假肢的主要仿生控制信號源。但是肌電信號仍然存在著一些不足之處，因為EMG通常非常微弱(僅μV級)，表面電極檢測出的肌電信息是一組肌群的募集信息，不能完全反映人腦對某一動作的運動指令，而人體感受到的外電場干擾(如手機(jī)信號等)又相對十分強大(達(dá)V級)，這些因素都影響到肌電信息控制假手的準(zhǔn)確性。

??? 與肌電信號相比，肌音信號在肌肉收縮疲勞時仍有更高的準(zhǔn)確率。由于肌音信號的傳播特性，傳感器不需要固定在某些特定的位置上，甚至可以不直接接觸皮膚，而且肌音信號還可以在運動肌肉的末梢采集到，盡管信號的幅度已經(jīng)衰減了。肌音信號受體表阻抗的影響小，受外電場的干擾小。最后，采集肌肉聲音信號的傳感器比肌電傳感器便宜很多，信號只需要簡單的數(shù)字處理硬件(如：DSP)就可以處理。

??? 肌肉收縮時發(fā)出的聲音可以通過一個簡單的實驗驗證，把拇指輕輕地按住一個耳孔，然后，一邊提起肘部一邊握起拳頭，你會聽到一種隆隆的聲音，就像遠(yuǎn)處傳來的雷聲?？茖W(xué)家開始研究肌肉聲音是從1810年開始的，英國物理學(xué)家W．H．Wollaston把肌肉發(fā)出的聲音和車輪在卵石街道上發(fā)出的隆隆聲響作比較，得到其頻率約為20～30 Hz的結(jié)論。對于肌音信號的研究是從1980年真正開始的，英國的生物物理學(xué)家Oster發(fā)現(xiàn)肌音信號強度與肌肉緊張程度成正比。Barry(1986)提出肌音信號可以用于假肢控制，并作出了嘗試。Bertrand Diemont等通過利用FFT和MESE對肌音信號進(jìn)行分析，證實了功率譜方法對分析肌音信號的有效性。Travis W．利用小波分析對非穩(wěn)定肌音信號進(jìn)行分析，驗證了肌肉進(jìn)行不同動作時肌音信號存在差異性。Jorge Silva(2005)等通過利用肌音信號模擬肌電信號對假肢進(jìn)行控制，張合假手正確率分別達(dá)到了88％和71％，基本達(dá)到了控制假肢的目的。

??? 本文主要從傳感器的選擇與測試，肌音信號采集電路的設(shè)計以及信號的初步處理來介紹實現(xiàn)肌音信號采集的方法，從而驗證通過肌音信號控制仿生手的可行性，并且為進(jìn)一步仿生手控制系統(tǒng)的研究奠定了基礎(chǔ)。

1 人體肌音信號的特點

??? 人體肌音信號屬于生物信號，主要特點有：

??? (1)信號弱。直接從人體中檢測到的肌音信號其幅值一般比較小。因此，在處理各種生理信號之前要配置各種高性能的放大器。

??? (2)頻率低。其頻率主要集中在20～30 Hz，一般認(rèn)為集中在O～50 Hz屬于低頻信號。因此在信號的獲取、放大、處理時要充分考慮對信號的頻率響應(yīng)特性。

??? (3)干擾特別強。干擾既來自生物體內(nèi)，如呼吸干擾等；也來自生物體外，如工頻干擾、信號拾取時因不良接地等引入的其他外來串?dāng)_等。

??? (4)隨機(jī)性強。生物醫(yī)學(xué)信號是隨機(jī)信號，一般不能用確定的數(shù)學(xué)函數(shù)來描述。它的規(guī)律主要從大量統(tǒng)計結(jié)果中呈現(xiàn)出來，必須借助統(tǒng)計處理技術(shù)來檢測、辨識隨機(jī)信號和估計它的特征；它往往是非平穩(wěn)的，即信號的統(tǒng)計特征(如均值、方差等)隨時間的變化而改變。因此在信號處理時往往進(jìn)行相應(yīng)的理想化和簡化。

2 采集電路的設(shè)計要求

??? 針對肌音信號的上述特點，對信號采集電路的分析如下：

??? (1)找到能夠較好地采集肌音信號的傳感器，考慮從心音傳感器、腿動信號傳感器等醫(yī)學(xué)聲音傳感器入手。

??? (2)信號放大是必備環(huán)節(jié)，而且應(yīng)將信號提升至A／D輸入口的幅度要求，即至少為“V”的量級。

??? (3)考慮通過濾波電路來過濾噪音信號。

??? (4)信號頻率不高，通頻帶通常是滿足要求的，但應(yīng)考慮輸入阻抗、線性、低噪聲等因素。

3 信號采集系統(tǒng)的設(shè)計

3．1 傳感器的選擇

??? 傳感器是整個硬件系統(tǒng)中最為核心的器件。感受肌肉聲音信號最終可以理解為感受肌肉的微震動信號，即將肌肉的震動信號轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器。傳感器的選擇遵循以下幾點原則：足夠的靈敏度和分辨力。肌肉震動為微震動信號，若分辨力不夠，則無法捕捉到這個有用信號；若靈敏度不夠，則得到的信號會非常微小，不利于后續(xù)的信號處理。合適的頻率響應(yīng)特性。一般聲音方面的傳感器能夠響應(yīng)的最小頻率大概在200 Hz左右，而肌音信號的主要頻段為0～50 Hz，因此一般的傳感器無法達(dá)到要求；適當(dāng)?shù)膬r格以及盡量簡單的外圍電路。

3．2 傳感器選擇與測試過程

??? (1)心音傳感器的實驗

??? 對購買的HKY0681K5心音傳感器進(jìn)行實驗，通過腕帶將傳感器固定在實驗者的手前臂，如圖1所示。讓實驗者手部不停地做抓和握兩個動作，將采集到的肌音信號導(dǎo)入數(shù)字示波器進(jìn)行分析。對該傳感器的測試結(jié)果如下：分辨率足夠，而且足夠靈敏，輸出信號幅值相對較高，但是頻率響應(yīng)范圍太寬，而且傳感器雙面都敏感，噪音很大，對有用信號的影響非常明顯。

??? (2)壓力傳感器

??? 北京頤松公司的MB-4A壓電式傳感器具有靈敏度高、敏感面大、使用方便、抗過載能力強、抗干擾性好等特點。該傳感器已經(jīng)集成了放大器和輸出阻抗變換器，因此簡化了外圍電路。由于傳感器集成的放大器放大倍數(shù)并不符合采集模塊的采集要求，因此在傳感器外圍還得做一級放大。對該傳感器的測試結(jié)果如下：分辨率、靈敏度等各項指標(biāo)均符合要求，得到的信號波形也較好，可以采用。

??? (3)加速度傳感器

???? 北京頤松公司的TD-3型壓電式腿動信號微加速度信號傳感器。TD-3型傳感器為壓電式傳感器，響應(yīng)頻率范圍為O．5～1 000 Hz，靈敏度為150 mV／g，重量小于20 g，該傳感器本用于睡眠過程中檢測腿動信號波形。經(jīng)過實驗測試，對該傳感器的測試結(jié)果如下：分辨率、靈敏度等指標(biāo)均符合要求，而且得到的信號波形經(jīng)分析質(zhì)量優(yōu)于MB-4A，因此，最終的采集傳感器定為TD-3。