發(fā)布時(shí)間：2020-08-01 20:23

【摘要】：肌力估計(jì)能夠反映人體的運(yùn)動意圖、肢體運(yùn)動參數(shù)、肌肉健康狀態(tài)以及疲勞程度,在運(yùn)動指導(dǎo)、肌肉疾病診斷、康復(fù)狀態(tài)評價(jià)以及人機(jī)交互等諸多領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用價(jià)值和重要理論意義。論文以膝關(guān)節(jié)股四頭肌為研究對象,圍繞肌動(mechanomyogram,MMG)信號獲取、信號處理、特征提取以及回歸模型構(gòu)建四個(gè)方面開展研究工作,提出了一種基于多通道肌動信號的人體肌力估計(jì)方法,解決了膝關(guān)節(jié)運(yùn)動的肌力估計(jì)問題,研究成果可以進(jìn)一步提高肌力估計(jì)準(zhǔn)確度,促進(jìn)肌力估計(jì)在工程實(shí)踐中的應(yīng)用。論文主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下:(1)探討了MMG信號的產(chǎn)生原理及與肌力的關(guān)聯(lián)性,分析了決定肌肉力量的主要因素,設(shè)計(jì)了多通道MMG信號的采集設(shè)備,改進(jìn)了MMG傳感器的安裝方式,該方式具有隔著衣服可以獲取股四頭肌收縮時(shí)MMG原始信號的優(yōu)點(diǎn),相比較肌電、腦電信號對皮膚阻抗等干擾具有更好的魯棒性,使得MMG信號的采集更加靈活、便捷。(2)分析了MMG信號的噪聲和偽跡來源,提出了一種基于本征模態(tài)函數(shù)的信號處理方法,該方法利用多元經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解算法對多通道MMG信號進(jìn)行分解,得到一系列本征模態(tài)函數(shù),再根據(jù)本征模態(tài)函數(shù)的自相關(guān)函數(shù)和能量分布特性,去除白噪聲與運(yùn)動偽跡,獲得較為純凈的MMG信息。該方法在去除白噪聲和運(yùn)動偽跡的基礎(chǔ)上,可以最大程度的獲取MMG信號中的有用信息,對不同人群采集到的MMG信號具有更好的自適應(yīng)能力。(3)研究了MMG信號的時(shí)域、頻域、熵、相關(guān)性和瞬時(shí)頻率等特性,提出了一種基于自適應(yīng)滑動窗長度的特征提取方法,提高了MMG信號特征表達(dá)的準(zhǔn)確度。該方法首先通過希爾伯特-黃變換獲取MMG信號的瞬時(shí)頻率和瞬時(shí)能量信息,然后根據(jù)MMG信號的瞬時(shí)能量與肌力之間的關(guān)聯(lián)性,利用瞬時(shí)能量的變化情況調(diào)整特征提取時(shí)的滑動窗長度,使滑動窗能夠更好地適應(yīng)肌力變化,進(jìn)一步提高所構(gòu)建模型的精度。(4)構(gòu)建了基于多通道MMG信號的肌力估計(jì)回歸模型,實(shí)現(xiàn)了對股四頭肌收縮力量的連續(xù)估計(jì)。基于MMG信號的肌力估計(jì)回歸模型的輸入由3個(gè)MMG信號通道的平均整流值(mean absolute value,MAV)、平均功率譜強(qiáng)度(mean power frequency,MPF)、樣本熵(sample entropy,SampEn)和通道間的相關(guān)系數(shù)等12個(gè)特征構(gòu)成,然后利用稀疏貝葉斯模型的相關(guān)向量機(jī)算法建立MMG-肌力回歸模型,最后通過股四頭肌的等長收縮實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了肌力估計(jì)回歸模型的準(zhǔn)確度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文所提肌力估計(jì)方法實(shí)現(xiàn)了對肌力的連續(xù)估計(jì),估計(jì)力值和實(shí)際力值的均方根誤差(root mean square error,RMSE)為8.7%MVC(maximum voluntary contraction),決定系數(shù)(coefficient of determination,R2)為0.817,優(yōu)于大部分基于肌電和MMG信號的肌力估計(jì)研究。該方法在采集信號硬件要求、安裝方式和對皮膚阻抗的魯棒性等方面具有優(yōu)勢。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：R318;TN911.7
【圖文】：

力量的檢測方法。如吳翊馨等人使用Ｃｙｂｅｘ－Ｎｏｒｍ等速測力系統(tǒng)對足球運(yùn)動員的逡逑髖、膝關(guān)節(jié)屈伸進(jìn)行力量測試，分析其力學(xué)特征規(guī)律［＠。逡逑但是另一方面，如圖１．２，等速裝置的使用不夠便利，只能應(yīng)用于特定的肌逡逑力估計(jì)場合，無法在類似可穿戴設(shè)備和實(shí)際的運(yùn)動過程中進(jìn)行肌力估計(jì)，同時(shí)等逡逑速測力裝置往往價(jià)格不菲。逡逑（ｂ）邋Ｋｉｎ－ｃｏｍ邋Ｉｓｏｋｉｎｅｔｉｃ邋Ｄｙｎａｍｏｍｅｔｅｒ逡逑（ａ）邋Ｂｉｏｄｅｘ邋Ｓｙｓｔｅｍ邋４邋Ｐｒｏ邐邐逡逑}0邋＿�！诲义希ǎ悖╁澹龋眨停粒缅澹危希遥瓦姡ǎ洌╁澹蹋椋洌镥澹粒悖簦椋觯邋澹停酰欤簦椋剩铮椋睿翦澹模睿幔恚铮恚澹簦澹蝈义蠄D１．２常見的等速測力裝置逡逑因此，越來越多的研宄人員開始把目光投向了人體本身，希望能夠不借助于逡逑外部測力裝置來實(shí)現(xiàn)肌肉力量的估計(jì)，如Ｄｅｎｎｅｒｌｅｉｎ等人將肌腱力傳感器放置在逡逑指淺屈�。ǎ妫欤澹铮颍洌椋纾椋簦铮颍酰恚螅酰穑澹颍妫椋悖椋幔欤椋螅疲模樱┘‰焯�，直接將肌肉收縮量的大逡逑小進(jìn)行量化，用以測量手指完成各種動作時(shí)，肌腱處的力量大小（圖１．３）。結(jié)果逡逑顯示指淺屈肌肌腱處的力與指尖力之間的相關(guān)系數(shù)高達(dá)０．９１，從而實(shí)現(xiàn)指尖力逡逑的估計(jì)［２６】。盡管這種直接侵入性測量方式的結(jié)果可能較為準(zhǔn)確，但很顯然這是逡逑有創(chuàng)的測量方式

力量的檢測方法。如吳翊馨等人使用Ｃｙｂｅｘ－Ｎｏｒｍ等速測力系統(tǒng)對足球運(yùn)動員的逡逑髖、膝關(guān)節(jié)屈伸進(jìn)行力量測試，分析其力學(xué)特征規(guī)律［＠。逡逑但是另一方面，如圖１．２，等速裝置的使用不夠便利，只能應(yīng)用于特定的肌逡逑力估計(jì)場合，無法在類似可穿戴設(shè)備和實(shí)際的運(yùn)動過程中進(jìn)行肌力估計(jì)，同時(shí)等逡逑速測力裝置往往價(jià)格不菲。逡逑（ｂ）邋Ｋｉｎ－ｃｏｍ邋Ｉｓｏｋｉｎｅｔｉｃ邋Ｄｙｎａｍｏｍｅｔｅｒ逡逑（ａ）邋Ｂｉｏｄｅｘ邋Ｓｙｓｔｅｍ邋４邋Ｐｒｏ邐邐逡逑}0邋＿�！诲义希ǎ悖╁澹龋眨停粒缅澹危希遥瓦姡ǎ洌╁澹蹋椋洌镥澹粒悖簦椋觯邋澹停酰欤簦椋剩铮椋睿翦澹模睿幔恚铮恚澹簦澹蝈义蠄D１．２常見的等速測力裝置逡逑因此，越來越多的研宄人員開始把目光投向了人體本身，希望能夠不借助于逡逑外部測力裝置來實(shí)現(xiàn)肌肉力量的估計(jì)，如Ｄｅｎｎｅｒｌｅｉｎ等人將肌腱力傳感器放置在逡逑指淺屈�。ǎ妫欤澹铮颍洌椋纾椋簦铮颍酰恚螅酰穑澹颍妫椋悖椋幔欤椋螅疲模樱┘‰焯�，直接將肌肉收縮量的大逡逑小進(jìn)行量化，用以測量手指完成各種動作時(shí)，肌腱處的力量大小（圖１．３）。結(jié)果逡逑顯示指淺屈肌肌腱處的力與指尖力之間的相關(guān)系數(shù)高達(dá)０．９１，從而實(shí)現(xiàn)指尖力逡逑的估計(jì)［２６】。盡管這種直接侵入性測量方式的結(jié)果可能較為準(zhǔn)確，但很顯然這是逡逑有創(chuàng)的測量方式

圖１．４邋ＨＨＩ彈性肌力模型（Ｆ：力；ＣＥ：收縮元；ＳＥ：串聯(lián)彈性元；ＰＥ：并聯(lián)彈性元）逡逑

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 肖文健;陳志斌;馬東璽;張勇;劉先紅;;光纖陀螺基于本征模態(tài)函數(shù)篩選的閾值濾波算法[J];中國慣性技術(shù)學(xué)報(bào);2015年05期

2 張立振;劉懷山;魏恩泊;;利用正交本征模態(tài)函數(shù)分析日長變化的主要激發(fā)源[J];中國海洋大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2008年01期

3 黃世奇;黃文準(zhǔn);劉哲;;基于二維本征模態(tài)函數(shù)的SAR圖像目標(biāo)檢測[J];兵器裝備工程學(xué)報(bào);2016年08期

4 趙化彬;張志杰;;基于本征模態(tài)函數(shù)最優(yōu)配比的沖擊波信號經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解降噪方法[J];科學(xué)技術(shù)與工程;2017年18期

5 胡維平;莫家玲;杜明輝;;經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解中的頻域分辨率及其改進(jìn)方法[J];華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2007年05期

6 張立振;;分解信號為正交本征模態(tài)函數(shù)的方法[J];振動與沖擊;2007年05期

7 黃建招;謝建;李良;許建國;;一種EMD閾值尋優(yōu)降噪方法[J];噪聲與振動控制;2013年02期

8 張立振;劉鑫;;快速濾波本征模態(tài)函數(shù)分解中的邊界處理[J];中國海洋大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2012年S1期

9 李卿;張國平;劉洋;;Hilbert-Huang變換及其濾波特性研究[J];華中師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2009年02期

10 張平;孫衛(wèi);惠曉濱;方翔宇;;一種改進(jìn)的基于EMD和SVM的滾動軸承故障診斷方法[J];航空維修與工程;2009年02期

相關(guān)會議論文 前4條

1 秦毅;秦樹人;毛永芳;;正交經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解及其快速實(shí)現(xiàn)[A];第九屆全國振動理論及應(yīng)用學(xué)術(shù)會議論文摘要集[C];2007年

2 秦毅;秦樹人;毛永芳;;正交經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解及其快速實(shí)現(xiàn)[A];第九屆全國振動理論及應(yīng)用學(xué)術(shù)會議論文集[C];2007年

3 龍丹;牛聰;周懷來;張益明;周慰;;基于VMD的時(shí)頻分析方法研究及應(yīng)用[A];2018年中國地球科學(xué)聯(lián)合學(xué)術(shù)年會論文集（二十三）——專題47：油氣田與煤田地球物理勘探[C];2018年

4 劉婷婷;陳小宏;李景葉;;基于f-x域CEEMD與小波閾值結(jié)合法去除相干和隨機(jī)噪聲[A];中國地球物理2013——第二十專題論文集[C];2013年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前6條

1 王大慶;基于肌動信號的人體股四頭肌肌力估計(jì)方法研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2019年

2 朱正;Hilbert-Huang變換及其在目標(biāo)方位估計(jì)和水聲通信中的應(yīng)用研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2013年

3 劉洋;配電網(wǎng)電纜線路故障檢測與故障源定位方法研究[D];沈陽工業(yè)大學(xué);2015年

4 趙朝君;低功耗心電處理算法及存儲架構(gòu)研究[D];浙江大學(xué);2015年

5 高暢;時(shí)變信號處理關(guān)鍵技術(shù)研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2016年

6 張承釗;一種金融市場預(yù)測的深度學(xué)習(xí)模型：FEPA模型[D];電子科技大學(xué);2016年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 劉鑫;本征模態(tài)函數(shù)分解中的邊界問題及信號的預(yù)測方法研究[D];中國海洋大學(xué);2012年

2 郭一粟;基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的動平衡測量系統(tǒng)信號處理方法研究[D];吉林大學(xué);2015年

3 樊迎迎;基于HHT算法的EEG信號分析與研究[D];哈爾濱理工大學(xué);2012年

4 劉子豪;高層建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的動力參數(shù)識別及水平側(cè)移監(jiān)測算法改進(jìn)研究[D];廣州大學(xué);2017年

5 胡小林;Hilbert-Huang變換的改進(jìn)及其在機(jī)械故障特征提取中的應(yīng)用[D];重慶大學(xué);2010年

6 王加祥;風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵機(jī)械部件故障診斷方法研究[D];上海電機(jī)學(xué)院;2016年

7 趙明;基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的語音端點(diǎn)檢測算法研究[D];安徽大學(xué);2010年

8 張春蘭;主頻占優(yōu)鑲邊濾波器分解信號為本征模態(tài)函數(shù)的方法[D];中國海洋大學(xué);2012年

9 李書興;外彈道跟蹤數(shù)據(jù)的EMD處理方法研究[D];國防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2012年

10 許人杰;信號二次相位耦合識別在機(jī)車故障診斷中的應(yīng)用研究[D];北京交通大學(xué);2012年

本文編號：2777956