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高通截止频率对sEMG估计握力的影响

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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”

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

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

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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

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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

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

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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

.翻

带通

混合

图4均方误差比较

Fig.4

Thecomparisonof

MESsforhandgrip

Vs

sEMG

withconventional

bandpass同terandmixedmghpassfilter

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。

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