高通截止频率对sEMG估计握力的影响
上传者:程时瑞|上传时间:2015-04-26|密次下载
高通截止频率对sEMG估计握力的影响
27卷5期2008年10月
中国生物医学工程学报
Chinese
V01.270ctober
No.52008
JournalofBiomedical
Engineering
高通截止频率对sEMG估计握力的影响
侯文生”
马
丽1
吴小鹰1郑小林1
JiangYingta02
ZhengJun3
彭承琳1
。(重庆大学生物q-程学院,重庆4000“)
2(Departmem3(Computer
ofElectricalandComputerEngineering,Universityof
Nevada,LasVegas,NV
89154,USA)
Science
Department,QⅡeeⅢCollege,City
UniversityofNewYork,Flushing,NY11367。USA)
ResearchtheEffectofHighPassFilterin
sEMG
Preprocessing
HOU
Wen.Shen91
MALil
。(Bioengi,Mring蝴of
and
WUXiao.Yin91
ZHENGXiao.Linl
Chongqing
JIANGYing—Ta02
ZHENG
Jun3
PENGCheng-Linl
University,Chongqing400044,China)
Vegas,NV
’(Computer&如ⅢDepartmem,QM
摘
2(DepartmentofElectricalComputerEngi,mring,UnlversltyofNevada。Las
College.City
89154,USA)
University矿胁WYork。Hushing,NY11367,USA)
要:比较不同高通频率(,L)的滤波对sEMG估计力量的作用。采集9名大学生志愿者不同握力水平时的sEMG
信号,用不同高通截止频率(.^=20Hz、140—320Hz,步长30He)的滤波对sEMG信号进行预处理,利用回归分析建立归一化的RMS和握力水平的线性方程,通过对比不同预处理后回归模型的样本均方误差(MSE)、R2统计量、P值,评价滤波处理的效果,找出最优滤波器组。经过高通截止频率为140—260Hz滤波处理的拟和效果优于传统方法。不同力量段最优滤波截止频率不同。对不同握力水平采用不同高通截止频率的滤波,sEMG信号的归一化均方根与握力表现出良好的线性度。关键词:sEMG;高通滤波;握力
Keywords:sEMG;hishpassfilter;handgripforce中图分类号11318.08
文献标识码D
文章编号0258.8021(2008)05.0792.04
引言
表面肌电(surfaceelectmmyography,sEMG)信号是在皮肤表面记录的神经肌肉系统的生物电活动,反映神经、肌肉的功能状态¨J。在肌肉收缩程度不同或疲劳发生时,肌纤维的募集、运动单位的放电率、肌纤维的传导速度都会发生不同程度的改变心1,等长等张收缩时,随着力量水平的提高,sEMG信号的幅度也相应增加门J。HanneHo认为,可以用sEMG信号定量评价肌肉的活动水平及疲劳程度。
sEMG信号的处理方法有很多,如时域分析¨o、频域分析№】、小波分析n】、复杂度分析¨]、混沌分形归。等。由于sEMG信号频率范围为20—500I-Iz,因此传统方法使用高通截止频率(.厂I.)为10—30Hz,低通截止频率(厂H)为500Hz的带通滤波对sEMG进行
收稿日期:2007-07.17,修回日期:2008—05,11。
预处理。但是Potvin等人¨刮对这一假设提出了挑战,他们认为sEMG里的低频成分是由肌肉和电极间组织的滤波效应产生,并没有真实的反映出肌纤维产生的电位。他们使用l阶410Hz和6阶140Hz两种巴特沃斯高通滤波器,滤除肱二头肌原始肌电信号99%的频率成分,用经过处理的信号估计力量,其效果明显好于传统的处理方法。通过实验他们证明了如下假设:对于力量预测而言,只有很少一部分的sEMG高频成分与力量有关,剩余部分对力量预测的贡献不大。
本研究采用带通滤波(.厂H=500Hz、.厂I.=20Hz、140。320Hzl)、全波整流、平滑对不同握力水平的sEMG信号进行预处理,计算其均方根(RMS)¨¨,对归一化的RMS和握力水平进行线性回归,通过比较高通截止频率.^.=20Hz、140—320Hz(步长30Hz)、
基金项目:国家自然科学基金资助项目(30770546);重庆市自然科学基金(2006BB2043,2007BB5148)。*通讯作者。
E—mail:hws21en@yahoo.COrn.ca
内容需要下载文档才能查看
5期侯文生等:高通截止频率对sEMG估计握力的影响
793
低通截止频率.厂H=500Hz的带通滤波处理后回归模型的样本均方误差(MsE)、R2统计量、P值,评价不同滤波器对sEMG信号的作用效果。结果表明,对不同握力水平采用不同频率的高通滤波,sEMG信号的归一化RMS与握力表现出良好的线性度。
采样率为1000Hz。
1.2数据处理
本研究对sEMG信号的处理、回归分析均在Matlab7.0软件上进行。基本思路是采用不同的滤波器处理原始sEMG,再通过回归分析建立sEMG和握力水平间的线性方程,最后通过对比分析不同预处理后回归模型的样本均方误差(MSE)、R2统计量、P值,以评价不同滤波器对sEMG的作用效果。数据处理及滤波效果比较的具体过程如下:
(1)原始肌电信号带通滤波^=500Hz、^=20Hz、140—320Hz(步长为30Hz),力量信号平滑处理。
(2)对经不同高通截止频率处理过的信号均进行全波整流,平滑处理。
(3)用力量信号对肌电信号分段,计算处理后各力量水平sEMG信号的归一化RMS(NRMS)。
(4)对归一化力量水平(NForce)与NRMS进行线性回归分析。
(5)由回归分析的MSE、R2统计量、P值比较不同滤波器处理的效果。2
1对象和方法
1.1实验对象和实验过程
实验对象为9名大学生志愿者,身体健康,实验前两天没有进行高强度的运动,实验前6个月上肢没有出现扭伤、运动损伤、断裂等影响运动功能的伤病,受试者没有运动神经类疾病。测试中受试者保持坐姿,保证身体在测试过程中不移动,前臂水平置于实验台上,掌心向内,腕处于中立位置,手握握力计。首先测出受试者最大随意收缩(maximal
voluntary
contraction,MVC)的力量,然后依次完成以
下实验任务:①受试者跟踪20%、50%或75%MVC的目标力量;②受试者随意的完成弱、中、强3个力量水平的动作。完成实验动作的同时记录下相应的肌电信号。在实验前有一个让受试者熟悉实验过程的训练环节。在实验过程中要避免受试者肌疲劳的发生。MVC测3次,取3次的最大值。每次测试间隔为2min。不同力量水平交错进行实验。
实验采用Ag/AgCl电极记录sEMG,本实验选择将电极贴于指浅屈肌¨20(flexdigitorumsublimes,rDS),电极间距为2cmu到。为保证电极记录的效果,需要对受试者待测部位的皮肤进行处理,用磨砂膏及75%酒精去角质及皮脂。本实验采用握力计测量手的握力,LabVlEW编写的握力检测软件提供目标力量和显示受试者实际握力,RM6280C多道生理记录仪(成都仪器厂)记录肌电信号及握力,信号
结果
2.1回归分析结果
以NForce为自变量,NRMS为因变量进行一元线性回归¨引。经过.^,=20Hz、140—320Hz滤波处理,其回归的p值、R2统计量如表1所示。各处理方法回归的P值均小于0.O乳.厂I.=140Hz.260Hz的R2统计量较传统带通滤波(20。500Hz)的高,.^.=290Hz,320Hz时R2统计量的值下降,且低于传统带通滤波带通的值。
表1不同截止频率高通滤波回归的置2统计量和P值
Tab.1置2andP
value
of
nF洳稍m
differenthi【ghpasscutoffs
2.2高通截止频率对不同握力水平下sEMG处理
结果的影响
30%一65%MVC时为^=230Hz,65%一85%MVC
时为^=260Hz。图2比较了5%一30%、30%一65%、65%。85%MVC三段力量水平时,用不同处理方法进行回归分析其MSE。结果表明5%一30%MVC力量段,经^=170Hz滤波MSE最小,30%一
内容需要下载文档才能查看图1为经^=20Hz、170Hz、230I-Iz、260Hz滤波处理的回归曲线。由图看出5%。30%MVC力量段时与回归线拟和最好的为^=170Hz滤波的结果,
中国生物医学工程学报
27卷
65%MVC力量段,经^=230Hz滤波MSE最小,65%。85%MVC力量段,经^=260Hz滤波MSE最小。另外同一截止频率在不同的力量段时其MSE也不同。
图1不同滤波处理的回归曲线。(a)^=20I-Iz;(b),L=170Hz;(c),L=230Hz;(d)^=260Hz
Fig.I
The
re罂礤Ised
representationsbetween
ilorms]ized
RMSandhandgripforceunderhighpamfilterswithdifferentcutofffrequencies.(a),L=20Hz;【b),L=170Hz;(c),L=230Hz;Id),L=260Hz
0.008
0.0070.006
粕0.005
饕o.004
露0.003
0.002O.00l
0
20140170
200230
260
290320
f/Hz
图2商通截止频率对握力水平-sEMG回归分析MSE影响
Fig.2
The
comparison
of
MESsforhandgdp
VS
sEMG
underfilterswithdifferentmghpasscutofffrequencies
2.3高通滤波器组的处理效果
根据图2的MSE比较结果,对5%一30%、30%一65%、65%。85%MVC三个力量段分别选用厂L=170Hz、230Hz、260Hz滤波的NRMS值,将其组合做为混合滤波的NRMS。传统带通和混合滤波处理后信号的回归曲线如图3所示,图3(a)为传统带通的回归曲线,(b)为混合滤波的回归曲线,其MSE如图4所示。结果表明,经过混合处理的MSE明显低予仅经传统过带通处理的MSE,这也说明了经过混合处理的信号,其NForce—NRMS的线性程度高于对所有力量水平只做单一高通截止频率的带通处理的结果。
醛极露皋皿I
璐椒露摹I丑
内容需要下载文档才能查看图3回归曲线。(a)20一5001tz带通;(b)混合滤波
Fig.3
Theregressedrepresentations
between
normalized
RIMSandhandgripforce硼mconventionalbandpass坷ter
andmixed
highpass伺ter.(a)bandpass厢ter;(b)mixed
mghpassfilter
0.005
0.004
装o.003蠹㈣2
O.001
0
豳
.翻
带通
混合
图4均方误差比较
Fig.4
Thecomparisonof
MESsforhandgrip
Vs
sEMG
withconventional
bandpass同terandmixedmghpassfilter
3
结论
P值用于检验线性回归方程的显著性,若P<
a(口=0.05)则表示回归线性关系显著。拟和优度(R2统计量)用于检验模型对样本观测值的拟和程度,其值越接近于1,意味着模型的拟和优度越高¨引。由表l知,各处理方法回归的P值均小于0.05,说明指浅屈肌上记录的sEMG信号的NRMS,与力量水平NForce间线性关系显著。sEMG信号记录的不仅有MUAPs,还包括其他肌肉肌电信号的串扰n引,另外还会受电极的影响n引,如果不对其进行处理而使用原始的sEMG信号去估计力量,会使估计的效果大打折扣。实验结果表明,采用高通滤波滤除原始sEMG信号低频部分的能量,可以降低线性回归残差的方差,提高线性度,使得建立的力.电模型更加可靠。将各个力量水平采用不同的高通滤波可以得到最优的回归结果,对5%.30%MVC,选择.^.=170Hz处理,对30%一65%MVC,选择^.=230Hz处理,对65%一85%MVC,选择.厂I.=260I-Iz处
5期
侯文生等:高通截止频率对sEMG估计握力的影响
795
理,得到的NRMS拟和效果最佳。未来将在实验设计上加以改进,选取更多的力量等级,数据处理上将使用更多的滤波器,比较滤波效果,找出最优的滤波器设计。
参考文献
丁海曙,容观澳,王广志.体运动信息检测与处理[M].北京:宇航出版社,1992.94—123.
[2]
余洪俊.表面肌电图评价肌肉的功能状况[J].中国f临床康复,2002,23(6):3514—3515.
【3]
Clancy
EA,Hogan
N.Single
site
eleetromyograph
amplitude
estimation[J].1EEE
TransBiomed
Eng,1994,41(2):159—167.
[4]
Christenscn
H.EMG Analysis[A].In:IEEE.IEEEEngineering
inMedicine&BiologySociety1lthAnnualInternational
eonfereM
[C].Seattle:IEEE,1989.1468—1469.
[5]
Charles
T.Leonard,Jason
S.Brown,TimothyR.Price,耵a/.Comparison
of
surface
electromyography
and
myotonometric
meamLrement6duringvoluntaryisometric
contractions[J].Journal
of
Electromyography
and
Kinesiology,2004,14:709—714.
[6]SbriccoliP,BazzucehiI,RosponiA,eta/.Amplitudeandspectralcharacteristicsof
biceps
BrachiisEMG
dependuponspbed
ofisometric
force
generation[J].Journal
of
Electromyography
and
Kinesiology.2003。13:139—147.
[7]
Cui
Jianguo,Wang
Xu.Theapplicationofwavelettrsnsformand
neural
network
to
surface
electromyographic
signalsforpatternrecognition[A].In:IEEE.Proceedings
of
the
2005
IEEE
EngineeringinMedicine
andBiology27th
Annual
Conference[C].Shanghai:IEEE,2005.9:5009—5012.
[8】刘加海,王丽,王健.基于相空间、熵和复杂度变化的表面肌
电信号分析[J].浙江大学学报(理学版),2006,33(2):182—
186.
[9]
PadmanabhanP,PIInlu蹋既ypadyS.NonlinearAnalysis
ofEMGSignah-A
Chaotic
Approach[A].In:IEEE.Proceedings
of
the
26thAnnualInternational
Conference0ftheIEEEEMBS
Cc].Sea
Francisco:IEEE。2004,9:608—611.[10]
Potvin
JR,BrownSHM.1essis
rare:high
passfiltering,to
ItInove
up
to
99%ofthe[;ul'face
EMG啦柚power,improves
EMG—based
biceps
braehiimuscleforce
estimates[J].Journal
of
ElectromyogTaphyand
Kinesiology,2004,14:389—399.
胡晓,王志中,任小梅.小波变换和非线性分析在表面肌电信号中的应用及进展[J].北京生物医学工程,2006,25(1):
105—108.
[12]
ShierD,ButlerJ.LewisR.Hole’s
HumanAnatomy&physiology
[M].New
York:McGraw.Hill
Higher
Education。2004.261—
336.
[13】
HermieJ.Hermens,Ban
F,et
a/.Development
of
recommendationsforSEMG
f℃lISOr8
and
scrlsor
placement
procedures
[J].Journal
ofElectromyography
andKinesiology,2000,10:361
—374.
[14】
苏金明,阮沈勇,王永利.MATLAB工程数学[M].北京:电子工业出版社,2005.50—75.
[15]
向东进。李宏伟,刘小雅.实用多元统计分析[M].武汉:中国地质大学出版社,2005.33—54.
[16]
DeLucaCJ.The
u8eof
8urfi∞electromyography
inbiomechanics
[J].Journal
ofApplledBiomechanics,1997,13(2):135—163.
[17]
NilssonJ,PanizzaM,Hal]etM.Principlesof
digitalsampling
of
a
physiologic
8i酬[J].Electro
ClinNeurophys,1993。89:349—
358.
内容需要下载文档才能查看下载文档
热门试卷
- 2016年四川省内江市中考化学试卷
- 广西钦州市高新区2017届高三11月月考政治试卷
- 浙江省湖州市2016-2017学年高一上学期期中考试政治试卷
- 浙江省湖州市2016-2017学年高二上学期期中考试政治试卷
- 辽宁省铁岭市协作体2017届高三上学期第三次联考政治试卷
- 广西钦州市钦州港区2016-2017学年高二11月月考政治试卷
- 广西钦州市钦州港区2017届高三11月月考政治试卷
- 广西钦州市钦州港区2016-2017学年高一11月月考政治试卷
- 广西钦州市高新区2016-2017学年高二11月月考政治试卷
- 广西钦州市高新区2016-2017学年高一11月月考政治试卷
- 山东省滨州市三校2017届第一学期阶段测试初三英语试题
- 四川省成都七中2017届高三一诊模拟考试文科综合试卷
- 2017届普通高等学校招生全国统一考试模拟试题(附答案)
- 重庆市永川中学高2017级上期12月月考语文试题
- 江西宜春三中2017届高三第一学期第二次月考文科综合试题
- 内蒙古赤峰二中2017届高三上学期第三次月考英语试题
- 2017年六年级(上)数学期末考试卷
- 2017人教版小学英语三年级上期末笔试题
- 江苏省常州西藏民族中学2016-2017学年九年级思想品德第一学期第二次阶段测试试卷
- 重庆市九龙坡区七校2016-2017学年上期八年级素质测查(二)语文学科试题卷
- 江苏省无锡市钱桥中学2016年12月八年级语文阶段性测试卷
- 江苏省无锡市钱桥中学2016-2017学年七年级英语12月阶段检测试卷
- 山东省邹城市第八中学2016-2017学年八年级12月物理第4章试题(无答案)
- 【人教版】河北省2015-2016学年度九年级上期末语文试题卷(附答案)
- 四川省简阳市阳安中学2016年12月高二月考英语试卷
- 四川省成都龙泉中学高三上学期2016年12月月考试题文科综合能力测试
- 安徽省滁州中学2016—2017学年度第一学期12月月考高三英语试卷
- 山东省武城县第二中学2016.12高一年级上学期第二次月考历史试题(必修一第四、五单元)
- 福建省四地六校联考2016-2017学年上学期第三次月考高三化学试卷
- 甘肃省武威第二十三中学2016—2017学年度八年级第一学期12月月考生物试卷
网友关注
- 怎么自如地运用比较句型
- 中班科学:各种各样的梯子
- 中班美工:瓶底画
- 2017初级会计实务第一章资产(内容全部,重点清晰,绝对良心之作)Word
- 包装装潢与造型设计1Word
- 游览保山公园
- 植物形态结构6花(高中生物竞赛辅导课件)Word
- 揭秘:古代男人为何喜欢去青楼
- 广州到九江物流公司货运Word
- 后备干部报名推荐表
- 厦门理工-数据结构c语言版期末考试复习试题答案
- 中国菜籽油植物油食用产品市场研究分析报告
- 中国手机品牌竞争力策略研究
- 中国历史上最荒淫无度的七个皇帝
- 小学安全教育主题班会课件Word
- 极光大数据:O2O下半场研究报告
- Distributed-Temperature-Sensor分布式温度传感器大学毕业论文外文文献翻译及原文
- 销售人员自我分析Word
- 26个英语字母手写体示范Word
- 专题三 电子商务的应用Word
- 第1课时 直接开平方法Word
- 2017二建《机电》模考(一)参考答案
- 中国手机直播视频APP网站市场研究分析报告
- 洋河蓝色经典案例
- Solar System Orbit Diagrams
- 《毛泽东思想与中国特色社会主义理论概论》课程实践报告----评教
- 不动产统一登记要点20160321Word
- 学校是社会主义精神文明建设的重要阵地
- 考虑相对流量影响的交通流合作驾驶格子模型_庹满先
- 教工幼儿园人员资格情况分析
网友关注视频
- 【部编】人教版语文七年级下册《逢入京使》优质课教学视频+PPT课件+教案,安徽省
- 沪教版牛津小学英语(深圳用) 四年级下册 Unit 8
- 化学九年级下册全册同步 人教版 第22集 酸和碱的中和反应(一)
- 外研版英语三起6年级下册(14版)Module3 Unit1
- 【部编】人教版语文七年级下册《老山界》优质课教学视频+PPT课件+教案,安徽省
- 外研版英语三起6年级下册(14版)Module3 Unit2
- 19 爱护鸟类_第一课时(二等奖)(桂美版二年级下册)_T502436
- 沪教版牛津小学英语(深圳用) 四年级下册 Unit 4
- 【部编】人教版语文七年级下册《过松源晨炊漆公店(其五)》优质课教学视频+PPT课件+教案,江苏省
- 【部编】人教版语文七年级下册《泊秦淮》优质课教学视频+PPT课件+教案,天津市
- 8.练习八_第一课时(特等奖)(苏教版三年级上册)_T142692
- 沪教版八年级下册数学练习册21.3(2)分式方程P15
- 【获奖】科粤版初三九年级化学下册第七章7.3浓稀的表示
- 第12章 圆锥曲线_12.7 抛物线的标准方程_第一课时(特等奖)(沪教版高二下册)_T274713
- 【部编】人教版语文七年级下册《泊秦淮》优质课教学视频+PPT课件+教案,广东省
- 冀教版小学英语五年级下册lesson2教学视频(2)
- 外研版英语三起5年级下册(14版)Module3 Unit2
- 沪教版八年级下次数学练习册21.4(2)无理方程P19
- 七年级英语下册 上海牛津版 Unit5
- 外研版英语七年级下册module3 unit2第一课时
- 冀教版小学数学二年级下册第二单元《有余数除法的整理与复习》
- 冀教版英语五年级下册第二课课程解读
- 六年级英语下册上海牛津版教材讲解 U1单词
- 外研版八年级英语下学期 Module3
- 【部编】人教版语文七年级下册《逢入京使》优质课教学视频+PPT课件+教案,辽宁省
- 北师大版数学 四年级下册 第三单元 第二节 小数点搬家
- 七年级英语下册 上海牛津版 Unit9
- 苏科版数学 八年级下册 第八章第二节 可能性的大小
- 8 随形想象_第一课时(二等奖)(沪教版二年级上册)_T3786594
- 冀教版英语三年级下册第二课
精品推荐
- 2016-2017学年高一语文人教版必修一+模块学业水平检测试题(含答案)
- 广西钦州市高新区2017届高三11月月考政治试卷
- 浙江省湖州市2016-2017学年高一上学期期中考试政治试卷
- 浙江省湖州市2016-2017学年高二上学期期中考试政治试卷
- 辽宁省铁岭市协作体2017届高三上学期第三次联考政治试卷
- 广西钦州市钦州港区2016-2017学年高二11月月考政治试卷
- 广西钦州市钦州港区2017届高三11月月考政治试卷
- 广西钦州市钦州港区2016-2017学年高一11月月考政治试卷
- 广西钦州市高新区2016-2017学年高二11月月考政治试卷
- 广西钦州市高新区2016-2017学年高一11月月考政治试卷
分类导航
- 互联网
- 电脑基础知识
- 计算机软件及应用
- 计算机硬件及网络
- 计算机应用/办公自动化
- .NET
- 数据结构与算法
- Java
- SEO
- C/C++资料
- linux/Unix相关
- 手机开发
- UML理论/建模
- 并行计算/云计算
- 嵌入式开发
- windows相关
- 软件工程
- 管理信息系统
- 开发文档
- 图形图像
- 网络与通信
- 网络信息安全
- 电子支付
- Labview
- matlab
- 网络资源
- Python
- Delphi/Perl
- 评测
- Flash/Flex
- CSS/Script
- 计算机原理
- PHP资料
- 数据挖掘与模式识别
- Web服务
- 数据库
- Visual Basic
- 电子商务
- 服务器
- 搜索引擎优化
- 存储
- 架构
- 行业软件
- 人工智能
- 计算机辅助设计
- 多媒体
- 软件测试
- 计算机硬件与维护
- 网站策划/UE
- 网页设计/UI
- 网吧管理