基于肌电信号时频分析的腰背部肌肉功能评价方法研究.pdf
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1、基于肌电信号时频分析的腰背部肌肉功能 评价方法研究 曹玉珍1 陈成1胡勇2靳世久1 1(天津大学 精密仪器与光电子工程学院,天津3 0 0 0 7 2 ) 2(香港大学 骨科学系,香港) 摘要肌电信号在评价下腰痛病人背部肌肉功能的研究中得到广泛应用,但是由于肌电信号本身的个体差异 很大,往往掩盖被测对象真正的生理差异。本文对采集自腰背部的8通道肌电信号进行研究,对时-频域计算瞬时 中频的算法做了改进。并根据正常组和病人组肌电信号的时频谱能量聚集程度不同这一发现提出了一种以能量离 散度为指标的区分方法。 关键词肌电下腰痛瞬时中频谱图 E v a l u a t i o no f B a c kM
2、u s c l eF u n c t i o nB a s e do nE MGT i me - f r e q u e n c y S p e c t r o g r a m A n a l y s i s C a oY u z h e n 1 C h e nC h e n g 1 HuY o n g 2 J i nS h i j i u 1 1( C o l l e g e o fP r e c i s i o nI n s t r u me n t 2 3 ( 2 ) :2 7 1 2 7 4 2 肌电特征参数提取 基于动态肌电信号的非平稳特性,采用时频分 析方法。在时-频域我们使用短时
3、F o u r i e r变换对 采集的肌电信号进行处理。虽然短时F o u r i e r变换 的时频谱不具有Wi g n e r或C o h e n类时频分布那样 较好的时-频谱分辨率,也不具有小波变换那样分 辨率尺度可变的优点。但是本文出于以下3点考虑 使用短时F o u r i e r变换计算时频谱。 ( 1 )肌电信号不同于脑电信号,需要对一些瞬 态波形进行提取和分析。肌电信号本身的特征信号 段与被测对象所作动作有关,一般来说时间较长,所 以并没有对时频分析的分辨率提出太高要求。 ( 2 )用其它时频分布计算出来时频谱可能会有 负值出现,给一些特征参数(如瞬时中频)的计算带 来一定困
4、难。 ( 3 )短时F o u r i e r变换计算相对简单,运算速度 很快。 2 . 1 瞬时中频( I n s t a n t a n e o u s me d i a nf r e q u e n c y ) 瞬时中频的定义式为 5 : f i mf( t ) 0 T F D( t , f ) d f = f0 f i n f( t ) T F D( t , f ) d f = 1 2 f0 0T F D( t , f ) d f ( 1 ) 其中: T F D( t , f )为肌电信号的时频谱分布函数; f i n f ( t )为肌电信号的瞬时中频; t为时间; f为肌电信号 的
5、频率; f 0为功率谱密度的上限频率, 即为采样频率 的一半。 所有时频谱分布函数都可以用来计算瞬时中 频。本文使用的是短时F o u r i e r变换的时频谱,即: T F D( t , f ) =| S T F T( t , f ) | 2 ( 2 ) 其中: S T F T( t , f )为短时F o u r i e r变换。 此外,肌电信号在时频谱上有很多背景噪声,瞬 时中频对噪声干扰非常敏感,在没有动作的静息期 间尤为如此,这使得理论计算与实际情况有很大差 距。通常的解决方法是用某种算法忽略肌电信号的 某些高频成份或用一个滑动窗函数对瞬时中频作平 均。但是这会造成中频计算过于复杂
6、,加长了计算时 间,而且忽略了肌电信号的高频成份会使瞬时中频 在一定程度上向低频方向压缩;用滑动窗函数对瞬 时中频作平均也有其自身的弊端:如果滑动窗过短, 则起不到稳定瞬时中频的作用;过长则瞬时中频将 失去其“瞬时“的意义。我们在计算瞬时中频的过程 中尝试用一种简单快捷的方法消除背景噪声对瞬时 中频值的干扰。具体做法如下: 因为利用短时F o u r i e r变换计算出的时频谱都 是 正值,如果设定一个阈值(例如最大能量值的 1 %)而将该阈值以下的时频谱值完全去除,这样就 达到了消除背景噪声干扰的目的,同时也突出了有 动作起伏时我们感兴趣的有用肌电信号的时频特 征。 2 . 2 时频谱高能
7、量点的离散度 在对正常人组和L B P病人组肌电信号的时频 谱进行比较时,我们发现L B P病人的时频谱能量较 正常人分散。因此,可以通过计算时频谱能量的离散 程度来对两组加以量化分析。 时频谱能量离散度有时间轴和频率轴两个方 向。但是,即使做出严格规定,每个被测对象完成同 一规定动作的时间也不尽相同。对于时频谱能量在 时间轴上的离散度,我们很难判断是由于被测对象 腰部病痛造成的,还是由于完成规定动作所需时间 与常人有异造成的。因此并没有太多的实际意义。 对于时频谱能量在频率轴的离散度可以通过以 下方法加以计算:统计二维时频谱平面上能量值高 于一定阈值(如最高能量值的2 0 %)点的频率值,并
8、 计算这些值的标准偏差。这样可以排除背景噪声以 及一些其它较高能量噪声的干扰。 3 实验及数据处理 实验中采用的信号放大器带宽为2 0 5 0 0Hz , 采样率10 0 0Hz 。8对测量电极放置在人体腰背部, 左侧4个通道(通道1 4 ) ,右侧4个通道(通道5 8 ) ,分别测量斜方肌、背最长肌、竖脊肌、后锯肌的肌 电信号。被测对象由正常组5人, L B P组5人所组 成。设计动作为将重物搬起而后放下。每人重复测 量3次,两次测量间隔时间为1 0mi n 。 在时频域,我们利用短时 F o u r i e r变换计算了 两组被测对象在将重物搬起而后放下这一动作过程 中各通道肌电信号的时频
9、谱。短时F o u r i e r变换具 体参数为:分析窗, Ha mmi n g ;窗宽, 5 1 3点;窗每次 移动长度, 1 6点;所得频率点数, 1 0 2 4点;阈值,最大 值的1 %。并且,在此基础上计算了肌电信号的瞬时 中频。如图1 、图2分别为一正常人和一病人在重复 2次搬起重物而后放下动作过程中位于腰部的通道 的肌电信号、时频谱及其中频曲线。 272 生 物 医 学 工 程 学 杂 志第2 3 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =
10、= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 卷 图1正常人在搬起重物而后放下动作过程中( a )肌电信号时频谱及中频曲线( b )肌电信号 F i g1 ( a )T h et i me - f r e q u e n c yd i s t r i b u t i o no ft h ep r o c e s sb yc o n t o u rc u r v e sw i t ht h ei n s t a n t a n e o u sme d i a nf r e q u e n c ys u p e r i mp o s e d , ( b ) T h
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