一种反映人体运动意图的信号处理方法与流程

1.本发明涉及信息处理领域，具体涉及一种反映人体运动意图的信号处理方法。


背景技术：

2.当人体有运动意图时，大脑会产生相应的神经冲动，此神经冲动通过大脑-脊髓-脊神经-运动神经这条通路到达运动神经末梢，运动神经末梢释放神经递质，递质与肌细胞膜上的相应受体结合，产生肌肉电信号，并传播至整个肌细胞膜。肌细胞膜兴奋时经兴奋-收缩耦联，肌肉组织内部发生生物化学变化，将电能转变为机械能，肌纤维缩短，发生肌肉形变，产生动作。
3.人体各种动作是人体运动意图的外在体现，如果想识别人体运动意图，需要把上述的过程逆转过来：通过已经做出的各种动作，首先找出肌肉群中那些负责产生这些动作的肌肉，再采集出这些肌肉的肌电信号或形变信号或者两者，然后找出这些信号和各种动作之间的对应关系，最终，通过这些信号就可以反映出人体的运动意图。理论上有三个可能的途径来采集这些信号：一个是神经冲动信号，一个是肌电信号，一个是肌肉形变信号。
4.目前，我们对大脑的探索刚刚开始，直接获取相应运动的神经冲动信号还没有办法完成。但肌电信号或肌肉形变信号的获取已完全实现，并在实际中开始运用到智能假肢控制领域。
5.肌电信号和肌肉形变信号的获取分为人体皮肤表面采集和皮肤下采集两种方式。在人体皮肤表面采集的信号称为表面肌电信号和表面肌肉形变信号；在人体皮肤下采集的信号称为体内肌电信号和体内肌肉形变信号。
6.表面肌电信号是指放置在皮肤表面通过电极引导、记录下来的肌肉系统活动时的生物电信号。无论电极贴在体表能摸到的哪块靶肌肉上，当人体做动作时，肌电信号在经过脂肪、体液、皮肤等组织传到体表时，受到了组织容积传导的作用，周围所有肌电信号都会相互叠加在一起，实际采集到的是体表那个区域的表面肌电信号，而不是靶肌肉的表面肌电信号，所以表面肌电信号只可反映极少数量的总体性运动动作（比如伸腕、曲腕）意图。
7.表面形变信号是反映肢体局部皮肤表面形态变化的一种人体信号。通过手术的肌肉再分布技术（muscle redistribution technique，mrt），可以选择把采集区域功能性指向明确的靶肌肉-肌腱找出并固定于皮下的不同区域；当人体做动作时，可采集到的靶肌肉表面形变信号越多，可以反映的人体运动意图就越多。但如果遇到体表采集区靶肌肉数量不足（比如手臂的中上部截肢，直接反映手指运动靶肌肉不存在了）或因为皮肤的影响而导致皮肤表面形变信号相互干扰从而无法采集到独立的表面形变信号时，通常也就意味着只有1到2个的靶肌肉表面形变信号可以使用，从而也就只能反映极少数量的人体运动意图。
8.体内肌电信号是把肌电传感器电极直接植入在靶肌肉上来获取，体内肌肉形变信号是把形变传感器直接植入在靶肌肉上来获取，体内信号的优势是外界的干扰少，信号质量高；可采集的靶肌肉信号越多，可以反映的人体运动意图就越多。但在只有1到2个的靶肌肉信号可用的情况下（比如手臂的中上部截肢，直接反映手指运动靶肌肉信号不存在了），
也只能反映极少数量的人体运动意图。
9.综上所述，无论体内还是表面的肌电信号或形变信号，在只有1到2个的靶肌肉信号的情况下，都只能反映极少数量的人体运动意图。如何在靶肌肉信号数量不足的情况下，还可以反映适量的人体运动意图，是摆在我们面前一个急需解决的问题。


技术实现要素：

10.要解决的技术问题：本发明要解决利用少量人体信号反映适量的人体运动意图的技术问题。
11.发明技术方案：本发明揭示了一种信号处理方法：利用电报原理，以少量人体信号为载体主动反映适量的人体运动意图。
12.电报是利用电流的“通断”和“长短”来代替了人类的文字进行传送的一种信息传输方法。电报摩尔斯编码技术是电报传输的核心技术。摩尔斯编码是一种时通时断的信号代码，通过不同的排列顺序来表达不同的英文字母、数字和标点符号。摩尔斯电码只使用零和一两种状态的二进制代码，它的代码包括五种：短促的点信号
“・”
，读“滴”（di）、保持一定时间的长信号“—”，读“嗒”（da）、表示点和划之间的停顿、每个词之间中等的停顿，以及句子之间长的停顿。在这当中，一点
“・”
作为一个基本的信号单位，一划“—”的长度就相当于是3点的时间长度；在一个字母或是数字之内，每个点、划之间的间隔就应该是2点的时间长度；每个词之间中等的停顿5点的时间长度；句子之间长的停顿是7点的时间长度。
13.无论肌电信号或肌肉形变信号，都是一种时域内的连续信号。在人体无动作时，靶肌肉处于放松态，其信号为基本态值；在有动作时，靶肌肉处于紧绷态，其信号为动作态值；而当动作完成后，靶肌肉重新处于放松态，其信号又回归基本值。其信号状态如图1所示。因其信号状态从本质上来说和用来传送电报的时通时断的电流信号是一致的，所以也可以利用人体动作主动发出的肌电信号或肌肉形变信号来传送代表人体运动意图的“电报”信息。并且不止肌电信号和肌肉形变信号，只要人体信号符合时通时断的这一本质特征，都可用来进行传送代表人体运动意图的“电报”信息。
14.理论上，即使对于最复杂的上肢手部运动来说，20个动作模式也足以应付生活中的各种场景，所以需要识别的人体动作模式的数量并不太多，利用类似摩尔斯电码中的短促的点信号
“・”
、保持一定时间的长信号“—”、每个点、划之间的间隔、句子之间长的停顿这4种信号的排列组合，就完全可以应对这20个动作模式。
15.处理过程如下：a) 把各种人体动作模式按一定规则进行动作模式编码；b) 把动作模式编码赋予电报编码；c)以人体信号为载体，发出电报编码；d)接收装置接收这些编码，还原成动作模式编码并发送给执行机构。
16.在一些实施方案中，所述人体动作模式包括肢体动作；优选地，包括上肢动作和下肢动作。
17.在一些实施方案中，所述上肢动作包括但不限于：握拳、张开手掌、抓握、拇示指侧捏、三指对捏，拇指单独指示、示指单独指示。
18.在一些实施方案中，所述下肢动作包括但不限于：抬腿、抬脚、迈腿、下蹲。
19.在一些实施方案中，所述动作模式编码按照自然整数从1开始从小到大排列。
20.在一些实施方案中，所述动作模式编码按照字母从a到z顺序排列。
21.在一些实施方案中，所述动作模式编码排序规则是按照动作的使用频率来排序，使用频率越高，编码顺序越靠前。
22.在一些实施方案中，所述动作模式编码排序规则是按照用户的喜欢程度来排序，喜欢程度越高，编码顺序越靠前。
23.在一些实施方案中，所述电报编码只使用通和断两种状态的信号源。
24.在一些实施方案中，所述电报编码代码包括四种：短促的点信号
“・”
读“滴”（di）、保持一定时间的长信号“—”，读“嗒”（da）、表示点或划之间短停顿、每个电报编码之间长停顿；一点
“・”
作为一个基本的信号单位，一划“—”的长度就相当于是2点的时间长度；在一个字母或是数字之内，每个点或划之间短停顿的间隔是1点的时间长度；每个电报编码之间长停顿的间隔是至少3点的时间长度。
25.在一些实施方案中，所述一点
“・”
基本信号单位的时间长度是根据每个人体个体按自己的习惯做节律性动作时每个节律性动作的时间来确定的；时间长度因人而异，是个性化的。
26.在一些实施方案中，所述节律性动作包括但不限于：敲击、握拳、伸腕、曲腕、踮脚、眨眼、摇头。
27.在一些实施方案中，所述电报编码规则：最少包含1个点或划，最多包含5个点或划；使用点、划以及点和划之间的停顿来给动作模式编码赋值；优先使用点来给动作模式编码赋值；优先使用具有较少数量的点或划来给动作模式编码赋值。
28.在一些实施方案中，所述人体信号的数量不少于1个。
29.在一些实施方案中，所述人体信号为肌肉信号；优选地，包括肌肉电信号和肌肉形体信号。
30.在一些实施方案中，所述肌电信号或形变信号是由人体主动的靶肌肉节律性动作产生的。
31.在一些实施方案中，所述靶肌肉节律性动作是按电报编码的规定来进行的。
32.在一些实施方案中，所述肌电信号是由肌电传感器来采集；肌肉形变信号是由形变传感器来采集。
33.在一些实施方案中，所述肌电传感器或形变传感器放置于肌肉靶点采集点处。
34.在一些实施方案中，所述接收装置以一定的数据采样率采集肌电信号或形变信号。
35.在一些实施方案中，所述接收装置处理方式为: 当肌电信号或形变信号由基本态值变为动作态值时，接收装置开始接收电报编码，当肌电信号或形变信号由动作态值变为基本态值时间大于等于3点的时间长度时，接收装置接收电报编码结束；接收程序通过点和划的排列顺序来确定电报编码，然后转变为相应的动作模式编码并发送给执行机构。
36.在一些实施方案中，所述接收装置处理方式为: 当肌电信号或形变信号由基本态值变为动作态值时，接收装置开启一个定时装置并同时计数点和划的个数，当定时装置到时时，接收装置接收电报编码结束；接收程序通过统计点和划的个数来确定电报编码，然后转变为相应的动作模式编码并发送给执行机构。
37.技术有益效果：
本发明通过少量人体信号就可反映适量的人体运动意图。使得缺少人体信号的患者也可以适量的表达人体运动意图，从而驱动执行机构按人体运动意图而动作，帮助患者改善生活状况。
38.附图及附图说明：图1 肌电或形变信号状态图图2 各种编码对照表图3 电报代码波形示意图图4 每种电报编码波形图图5 接收装置一种信号处理方法图6 接收装置另一种信号处理方法具体实施方式：下面详细描述本发明的实施相同或类似的示例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示具有相同或类似功能的处理步骤。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
39.本发明揭示了一种信号处理方法：利用电报原理，以少量人体信号为载体主动反映适量的人体运动意图。首先，我们把人体动作进行动作模式编码，然后把这个动作模式编码赋予电报编码，通过人体信号进行类似电报的发送，接收装置接收并还原为动作模式编码定传送到执行机构。
40.本发明以肌肉形变信号为例来进行说明，但其他人体信号模式例如眨眼、摇头等也可能适用于本发明，只要适用于本发明的皆在本发明的保护范围内。
41.本具体实施方式以上臂中下部截肢患者肌肉形变信号为例来进行说明。上臂中下部截肢后，由于截肢平面距离原来手的距离远，所以控制各个手指运动的靶肌肉已经没有了，主要只有肱二头肌和肱三头肌。肱二头肌原来的主要作用是弯曲肘关节，肱三头肌原来的主要作用是伸直肘关节。从这两块靶肌肉处可以采集到两路肌肉形变信号。如果按靶肌肉原有的人体运动意图来表达，这两组靶肌肉信号只能反映肘关节弯曲和伸直这两个动作。
42.按照现有的信号处理方式，会把两路信号进行组合，共有4种组合方式：肱二头肌和肱三头肌都无信号、肱二头肌有信号而肱三头肌无信号、肱二头肌无信号而肱三头肌有信号、肱二头肌和肱三头肌都有信号。对于第一种组合肱二头肌和肱三头肌都无信号没有实际意义，所以有用的信号只有后三种，一般来说，会给这3种信号组合赋予最基本的3种运动意图：肱二头肌有信号而肱三头肌无信号赋予抓握的运动意图、肱二头肌无信号而肱三头肌有信号赋予张开手掌的运动意图、肱二头肌和肱三头肌都有信号赋予弯曲/伸直肘关节的运动意图。这3种运动意图可保证上臂中下部截肢患者驱动智能假肢做出最基本的抓握、张开手掌、弯曲/伸直肘关节这3个动作。
43.本发明的信号处理方式至少可以反映10种人体运动意图。处理方式如下：首先，找出10种人体动作模式，并根据使用频率的高低来进行排序，使用频率越高顺序越靠前，然后使用自然整数从1开始进行编码。人体动作模式编码的结果如下：1.抓握、2.张开手掌、3.弯曲肘关节、4.伸直肘关节、5.三指对捏、6.拇指侧捏、7.拇指指示、8.食指指示、9、曲腕、10.伸腕。
44.再者，使用四种电报编码代码：短促的点信号
“・”
、保持一定时间的长信号“—”、表示点或划之间短停顿、每个电报编码之间长停顿来给10种人体动作模式进行电报编码。规则如下:如图2所示：210一点
“・”
作为一个基本的信号单位；220每个点或划之间短停顿的间隔是1点的时间长度；230一划“—”的长度就相当于是2点的时间长度；240每个电报编码之间长停顿的间隔是至少3点的时间长度。电报编码包含最多包含5个点或划；优先使用点并且优先使用具有较少数量的点或划来给动作模式赋予电报编码，最终的编码如图3所示。
45.再者，选择肱二头肌作为靶肌肉，把形变传感器贴在肱二头肌的信号采集点上,以一定的频率采集肌肉形变信号值，记录靶肌肉处于放松态时，其肌肉形变信号基本态值v0；记录靶肌肉处于紧绷态时，其肌肉形变信号动作态值v1；患者以自然的状态用意念假想肘关节有节律的弯曲时，每一次肌电信号动作态值的平均保持时间为t，并作为电报编码一点的信号时间单位(如图2所示)。
46.培训患者按照电报编码波形图（如图4所示）的要求进行节律性的肌肉运动从而产生肌肉形变信号。
47.图5展示了一种根据本发明实施例的接收装置接收到肌肉形变信号后还原成动作模式编码的信号处理方法。
48.首先，设置5个变量值：1.变量值s,s是有5个数据位的整数型数组，2.变量值p，p是这个s数组的指针；3.变量值v,用来记录实时肌肉形变信号值；4.变量值t,用来记录计时器中的时间值；变量值w，整数型变量，用来接收s数组中的数。
49.图5所示的信号处理方法包含了下列步骤：步骤501:程序开始时，首先给s数组赋予初值00000，并把数组指针p指向s数组最左一位。
50.步骤502:开始进入判别程序。因肱二头肌靶肌肉处于放松态，其肌肉实时形变信号值在v0附件窄幅波动；肱二头肌靶肌肉处于紧绷态，其肌肉实时形变信号值在v1附件窄幅波动。所以程序以一定的频率采集肌肉形变信号值并判别处在v1态还是v0态，判别条件是看肌肉实时形变信号值t是否在v1附件窄幅波动；ratio1值是一预定比例值，可视实际情况确定，优选地，ratio1取0.1。
51.步骤503、504、505:完成对一个电报代码维持在v1态的时间长度采集。当检测到处在v1态时，计数器清零并开始计时，然后判别是否一直在v1态中；如果肌肉实时形变信号值v已经不在v1附件窄幅波动，则计数器停止计时，并把时间赋予变量t。
52.步骤506、507、508:判别已经完成的电报代码是点
“・”
还是划“—”。对t进行判别看是否处在电报编码代码点的基本时间长度t的允差范围内，如果在，说明是代码点，给数组s指针p所指向的数据位赋值1，并且把指针向右挪一位；如果不在，因为只有两种电报代码其v值在v1附近波动，所以那个电报编码代码只能是划，给数组s指针p所指向的数据位赋值2，并且把指针向右挪一位。此处ratio2值是一预定比例值，可视实际情况确定，优选地，ratio2取0.1。
53.步骤509、510、511、512: 判别电报代码维持在v0态的时间是否超过3t。把计时器清0开始计时，然后判别在v0状态中，t值是否已经大于3t；如果是，则完成电报编码的接收。如果否，则转入502处接收下一个代码。
54.步骤513、514、515: 对完成的电报编码进行后期处理。把数组中的数赋予w，并把w
中的数和程序判别码（如图3所示）进行对比，如果有能匹配的，就把和程序判别码相对应的动作模式编码（如图3所示）发送到执行机构；如果没有能匹配的，说明电报发送有问题，回到501处重新开始下一个电报编码采集。
55.图6展示了另一种根据本发明实施例的接收装置接收到肌肉形变信号后还原成动作模式编码的信号处理方法。
56.首先，设置4个变量值：1.变量值s,s是2个数据位的整数型数组；2.变量值v,用来记录实时肌肉形变信号值；3.变量值t,用来记录计时器中的时间值；4.变量值w，整数型变量，用来接收s数组中的数。设置1个常量wt,用来表示一个定长的信号采集周期。
57.图6所示的信号处理方法包含了下列步骤：步骤601:程序开始时，首先给s数组赋予初值00。
58.步骤602:开始进入判别程序。因肱二头肌靶肌肉处于放松态，其肌肉实时形变信号值在v0附件窄幅波动；肱二头肌靶肌肉处于紧绷态，其肌肉实时形变信号值在v1附件窄幅波动。所以程序以一定的频率采集肌肉形变信号值并判别处在v1态还是v0态，判别条件是看肌肉实时形变信号值t是否在v1附件窄幅波动；ratio1值是一预定比例值，可视实际情况确定，优选地，ratio1取0.1。
59.步骤603、604、605:完成对一个电报代码维持在v1态的时间长度采集并开始采样周期倒计时。当检测到处在v1态时，计数器1清零并开始计时，然后判别是否一直在v1态中；计数器2设置wt值，并开始倒计时；如果肌肉实时形变信号值v已经不在v1附件窄幅波动，则计数器1停止计时，并把时间赋予变量t。
60.步骤606、607、608:判别已经完成的电报代码是
“・”
还是划“—”。对t进行判别看是否处在电报编码代码点的基本时间长度t的允差范围内，如果在，说明是代码点，给s数组十位自动加1；如果不在，因为只有两种电报代码其v值在v1附近波动，所以那个电报编码代码只能是划，给s数组个位自动加1。此处ratio2值是一预定比例值，可视实际情况确定，优选地，ratio2取0.1。
61.步骤609、610、611:对一个电报代码是否维持在v0态进行监控并且监控计时器2是否到时。如果在v0态，那就看监控计时器2是否到时；如果没到，保持监控，如果监控计时器2已经到时，那就跳到612处，对完成的电报编码进行后期处理。如果不在v0态，把计时器1清0重新开始计时，开始新的一次代码采集。
62.步骤612、613、614:判别已经完成的电报代码点
“・”
和划“—”的数量并对完成的电报编码进行后期处理。把数组s的值赋予变量w；把w中的数和代码统计码（如图3所示）进行对比，如果有能匹配的，就把和代码统计码相对应的动作模式编码（如图3所示）发送到执行机构；如果没有能匹配的，说明电报发送有问题，回到601处重新开始下一个电报编码采集。