[发明专利]一种基于表面肌电和肌音信号融合的人机接口系统

说明书

技术领域

本发明涉及生物医学工程与人机接口技术领域，尤其涉及一种基于表面肌电和肌音信号融合的人机接口系统。

背景技术

表面肌电信号描述了肌肉收缩时运动神经元的放电现象，是一种在体表无创检测肌肉活动的重要信息。肌电信号体现了人的动作意图，因此可以广泛的应用于人机接口技术，如遥操作、假肢控制等。然而肌电信号也存在着很多不足之处，如肌电传感器贴放前需要对皮肤清洁，肌电信号对皮肤阻抗变化、皮肤出汗较为敏感，抗干扰能力差，这些都严重影响了基于肌电信号的人机接口鲁棒性。

肌音信号，又名肌动图，是肌肉收缩时肌纤维产生的低频振动信号或发出的声音信号。肌音信号主要能量集中在5—50Hz，不用与皮肤直接接触也能测量，因此肌音信号能抵抗皮肤阻抗变化、皮肤出汗等干扰。肌音信号从肌肉的低频振动方面体现了人的运动意图，其用于人机接口控制假肢的可行性已被研究人员及文献证实。然而肌音信号易受环境噪声及肢体运动伪迹的干扰，整体信噪比较肌电信号低，因此肌音信号的解码率较肌电信号低10个百分点左右。

由于肌电信号体现了肌肉活动的电生理特性，肌音信号反映了肌肉活动的低频振动，综合二者的优势可以加深对肌肉活动的认识和理解。将两种信号源联合采集，进而融合解码，能够增强人机接口的鲁棒性。然而目前尚没有肌电信号与肌音信号联合采集的装置，也缺少融合肌电信号与肌音信号解码的人机接口技术。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种基于表面肌电和肌音信号融合的人机接口系统。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种肌电信号与肌音信号联合采集的装置和融合肌电信号与肌音信号解码的人机接口系统。

为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种基于表面肌电和肌音信号融合的人机接口系统，能够同时获取并解码肌电信号与肌音信号，加深对肌肉活动的认识和理解，增强人机接口的鲁棒性。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于表面肌电和肌音信号融合的人机接口系统，包括肌电与肌音信号联合采集装置和肌电与肌音信号融合解码装置；所述肌电与肌音信号联合采集装置用于同时采集单通道或多通道的表面肌电与肌音信号；所述肌电与肌音信号融合解码装置用于解码人的意图，将所述人的意图转化为外接设备的控制指令。

进一步地，所述肌电与肌音信号联合采集装置包括表面电极模块和肌音传感器模块；所述肌电与肌音信号联合采集装置通过所述表面电极模块采集肌电信号，通过所述肌音传感器模块采集肌音信号；在同一块肌肉上，所述肌电与肌音信号联合采集装置既可以采集到表面肌电信号又可以同时采集到肌音信号，从肌肉电生理学和肌肉振动两个方面反映肌肉活动。

进一步地，所述肌音传感器模块包括一对肌音传感器，通过差分滤波的方式采集肌音信号，用于消除环境噪声及肢体运动伪迹的干扰。

进一步地，所述表面电极模块包括干电极，所述干电极是镀金铜电极或氯化银电极。

进一步地，所述肌音传感器为微加速度传感器或压电加速度传感器或高灵敏度麦克风。

进一步地，所述肌电与肌音信号联合采集装置能够对采集到的表面肌电和肌音信号进行放大和滤波处理，以确保信号质量，提高信噪比。

进一步地，所述肌电与肌音信号融合解码装置，能够同时解码肌电和肌音信号，综合肌电信号和肌音信号的解码结果，分析出人的意图。

进一步地，所述肌电与肌音信号融合解码装置，通过对采集到的肌电和肌音信号进行时域及频域特征提取、模式分类，将得出的分类结果实时发送给所述外接设备，使所述外接设备按照所述人的意图完成相应的任务。

进一步地，所述肌电与肌音信号融合解码装置，能根据不同肌肉收缩产生的表面肌电和肌音信号对应的特征矩阵的不同，利用分类器或机器学习算法，得出模式分类结果。

进一步地，所述肌电与肌音信号融合解码装置的解码具体流程是：

(1)对采集到的肌电与肌音信号进行滑动分窗处理；

(2)提取每个时间窗的肌电与肌音信号的时域TD特征或频域PSD特征，得到信号的特征矩阵；

(3)利用特征矩阵训练线性LDA分类器；

(4)根据不同肌肉收缩产生的表面肌电和肌音信号对应的特征矩阵的不同，所述线性LDA分类器实时给出模式分类结果。

与现有技术相比，本发明提供的基于表面肌电和肌音信号融合的人机接口系统具有如下有益效果：