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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(如手機信號等)又相對十分強大(達V級)，這些因素都影響到肌電信息控制假手的準確性。 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字處理硬件(如：DSP)就可以處理。 肌肉收縮時發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，就像遠處傳來的雷聲。科學家開始研究肌肉聲音是從1810年開始的，英國物理學家W．H．Wollaston把肌肉發出的聲音和車輪在卵石街道上發出的隆隆聲響作比較，得到其頻率約為20～30 Hz的結論。對于肌音信號的研究是從1980年真正開始的，英國的生物物理學家Oster發現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定肌音信號進行分析，驗證了肌肉進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行控制，張合假手正確率分別達到了88％和71％，基本達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計以及信號的初步處理來介紹實現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，并且為進一步仿生手控制系統的研究奠定了基礎。 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特性。 (3)干擾特別強。干擾既來自生物體內，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擾等。 (4)隨機性強。生物醫學信號是隨機信號，一般不能用確定的數學函數來描述。它的規律主要從大量統計結果中呈現出來，必須借助統計處理技術來檢測、辨識隨機信號和估計它的特征；它往往是非平穩的，即信號的統計特征(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行相應的理想化和簡化。 2 采集電路的設計要求 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學聲音傳感器入手。 (2)信號放大是必備環節，而且應將信號提升至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，但應考慮輸入阻抗、線性、低噪聲等因素。 3 信號采集系統的設計 3．1 傳感器的選擇 傳感器是整個硬件系統中最為核心的器件。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，不利于后續的信號處理。合適的頻率響應特性。一般聲音方面的傳感器能夠響應的最小頻率大概在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到要求；適當的價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入數字示波器進行分析。對該傳感器的測試結果如下：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果如下：分辨率、靈敏度等各項指標均符合要求，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。經過實驗測試，對該傳感器的測試結果如下：分辨率、靈敏度等指標均符合要求，而且得到的信號波形經分析質量優于MB-4A，因此，最終的采集傳感器定為TD-3。 |
