肌肉运动单元深度估计快速方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种面向人体四肢肌肉，基于表面肌电信号的肌肉运动单元深度估计 快速方法。
【背景技术】
[0002] 表面肌电信号（surfaceEMG,sEMG)是利用表面电极从人体体表检测肌电信 号，与针电极肌电信号（NeedleEMG,肥MG)相比，它具有无创性，操作简单的特点，易 于患者接受，因此应用前景广阔。sEMG的起源是运动单元活动电位（MUAP)，活动电位由给 定肌肉收缩过程中所激活的每一个运动单位所释放。在任何一个给定的募集模式，众多的 运动单位W非同步的模式被激活，运些运动单位活动的总和构成了肌电信号的强度。SEMG 信号实质上是多个运动单位活动电位差的总和，其波幅典型地在1~5000UV之间，频率范围 为10~400化。在临床上，通过SEMG可W较全面地了解神经肌肉的功能状态，鉴别神经源性 和肌源性疾病，判断神经损伤的部位、程度及恢复状况，并且SEMG信号的检测分析对康复 医学及运动医学也有具有重要意义。
[0003] 人体四肢肌肉是肌肉系统重要组成部分，通过多通道SEMG可W提取肌肉运动单 元的深度信息，有助于研究其特性，分析肌肉功能状态。国外学者针对上述问题，提出了相 应的重构数值算法。近几十年来，称为"等效偶极子源定位"方法在脑电源定位方面取得了 一定的成果，近来，该方法逐渐引入到SEMG领域。运种方法通常把表皮电位等效地看成由 皮层下一个或几个偶极子源产生的，通过非线性优化方法确定运些等效偶极子的位置和强 度参数，使其产生的头皮电位分布最佳匹配实际测得的表皮电位。通过数值计算，从而重构 得到偶极子分布。国内外学者经过多年的研究，发展了多种数值计算方法，典型的有：有限 差分法师M)、边界元方法度EM)、有限体方法（FVM)和有限元方法（FEM)等。但是，运些数 值算法理论抽象，数学计算复杂，求解困难，而且受制于人体模型的精度，耗费长，不适合于 临床上的肌肉运动单元快速深度估计的要求。
[0004] 综上，肌肉运动单元深度估计方法有了一定的发展，但是或多或少存在一些缺陷 与不足，主要包括人体组织不均质性和各向异性问题，W及计算开销大等，因此目前关于 SEMG信号的深度估计方法难W适应临床上快速要求，本发明专利正好为解决该问题而提出 的。
【发明内容】
[0005] 鉴于W上所述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供面向人体四肢肌肉的一种 基于多通道SEMG的肌肉运动单元的深度估计的快速方法。
[0006] -种基于多通道SEMG的肌肉运动单元的深度估计快速方法，其包括如下步骤： 1):将多通道电极沿肌肉纤维方向放置，对多通道SEMG信号进行预处理，采用带通滤 波器、带阻滤波器，消除干扰。
[0007] 2):采用梯度式卷积核补偿（GCKC)方法提取肌肉运动单元发放时刻，找出每个运 动单元的独立发放时刻； 3) :根据每个运动单元独立发放时刻，提取其波形，在每个通道上求其平均波形； 4) :找出在垂直于肌肉纤维方向上的电极所获得波形的峰峰值，获得最大峰峰值一半 的2个电极位置； 5) :利用人体四肢的几何特性，将四肢看成圆柱体，计算最大峰值电极到最大峰峰值一 半电极的弦长威，然后根据W下公式计算运动单元深度：
其中族起無朵均为常数，::?为垂直于肌肉纤维方向上的波形最大峰峰值，扛为运动单 元深度。将提取到的所有运动单元输入上述公式，拟合得到常数。Aa'. 6) 得到常数縛邀在后，由上述公式计算每个运动单元的深度b. 优化的措施，包括： 步骤1)将多通道电极沿肌肉纤维方向放置，对多通道SEMG信号进行预处理，具体步骤 如下：将多通道SEMG信号成44…，為进行带通滤波和带阻滤波，消除干扰，带通滤波器用 来保留甜Z--500化频段信号，然后采用陷波滤波器，滤除50化工频干扰。带通滤波器和带 阻滤波采用己特沃斯数字滤波器，设置参数包括阶数、3地截止频率、滤波器的通带、阻带截 止频率等。
[0008] 步骤2)采用梯度式卷积核补偿（GCKC)方法提取肌肉运动单元发放时刻，找出每 个运动单元的独立发放时刻。独立发放时刻的提取方法是：根据当前运动单元与其它所有 运动单元发放时刻比较，提取只有当前运动单元独有的发放时刻h.b，咕…拖;. 步骤3)根据每个运动单元独立发放时刻，提取其波形，在每个通道上求其平均波形。 将当前运动单元独有的发放时刻V2如…，S*所对应的原始波SEMG信号，提取一定长度的 原始波形，得到B段波形"1，町啊…馬，将上述矿段波形叠加平均，即得到当前运动单元发 放波形f。的+W;+巧+"-+V柄.重复上述方法，嘶个通道SEMG可W得到妒个发放波形 蘇'每'…，P/X. 步骤4)找出在垂直于肌肉纤维方向上的也个电极所获得波形的峰峰值 ，获得表处最大峰峰值一半的2个电极位置AS。由于多通道电极呈现阵列式均匀分 布，垂直于肌肉纤维方向上的电极上采集到的SEMG信号可W得到。在选取垂直于肌肉纤维 方向上的电极时，尽可能选择肌肉运动单元终板区所对应的一排电极，运些电极上波形显 著，有利于峰峰值提取。
[0009] 步骤5)利用人体四肢的几何特性，将四肢看成圆柱体，计算最大峰值电极去,到最 大峰峰值一半电极:#的弦长對^:，然后根据W下公式计算运动单元深度：
其中岩捏叛S;均为常数，f碼为左处的波形最大峰峰值，弗为运动单元深度。将提取到 的所有运动单元输入上述公式，拟合得到常数点.对弦长;破来说，采用线性拟合；对 ^摄:来说，采用非线性拟合。由于运动单元数未知，采用拟合的方法比较合适。
[0010] 步骤6)得到常数4掠絲后，由上述公式计算每个运动单元的深度电,. 采用上述方法估计肌肉运动单元深度，估计准确快捷。首先采用独立发放时刻的平均 值大大提高了波形的准确性，为后续波形峰峰值的提取奠定基础。接着弦长的计算也十分 简便，完全利用几何知识即可实现。然后采用弦长的线性关系W及峰峰值的幕函数关系，为 估计肌肉运动单元深度提供了依据。在确定常数的过程中，由于已知量个数不定，很可能出 现方程个数与未知量个数不匹配，采用拟合的方法十分有利于提高常数的合理性，有效避 免了参数计算的不稳定性，提升了结果的健壮性。本发明提出的方法简化了计算，提高了运 算速度，而且实现简单，十分适合临床的肌肉运动单元深度快速估计。
【附图说明