[发明专利]肌肉运动单元空间位置估计方法

说明书

本发明提供一种面向人体四肢，基于多通道表面肌电信号的肌肉运动单元空间位置估计方法。该方法首先通过表面肌电信号提取运动单元发放时刻，然后提取运动单元发放波形，最后利用人体四肢几何特征，估计运动单元深度。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。然后将四肢看作圆柱体，根据弧长与运动单元深度的线性关系，以及峰峰值与深度的幂函数关系，拟合确定常数。最后有运动单元平面位置和深度确定其空间位置。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，实现简单，十分适合临床的肌肉运动单元空间位置估计。

技术领域

本发明涉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空间位置估计方法。

背景技术

表面肌电信号(surface EMG,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(Needle EMG,NEMG)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。在临床上，通过sEMG可以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。

人体四肢肌肉是肌肉系统重要组成部分，通过多通道sEMG可以提取肌肉运动单元的空间位置信息，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。这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这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(FDM)、边界元方法(BEM)、有限体方法(FVM)和有限元方法(FEM)等。但是，这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，不适合于肌肉运动单元空间位置快速估计的需求。

综上，肌肉运动单元空间位置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，以及计算开销大等，因此目前关于sEMG信号的空间位置估计方法难以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

鉴于以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的肌肉运动单元空间位置估计方法，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，削弱干扰；

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)对每个运动单元，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，该处电极为运动单元的平面位置，即运动单元在该电极下方；

5)找到在垂直于肌肉纤维方向上的最大峰峰值一半的2个电极位置，测量最大峰峰值电极到最大峰峰值一半电极的弧长AL；

6)利用人体四肢的几何特性，将四肢看成圆柱体，然后根据以下公式计算运动单元深度：

AL＝a·h+b；PTP_L＝α/h^β

其中a、b、α、β均为常数，PTP_L为垂直于肌肉纤维方向上的波形最大峰峰值，h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a、b、α、β后，由上述公式计算每个运动单元的深度h；