肢体动作时表面肌电信号的复杂度特征分析*

王 丹 姬 军 刘宇静 王义辉 王云龙

肢体动作时表面肌电信号的复杂度特征分析*

王 丹①*姬 军②刘宇静③王义辉④王云龙②

目的：利用C0复杂度分析手指动作时前臂肌肉表面肌电信号的特征。方法：记录指浅屈肌(FDS)、指伸肌(ED)的肌电信号及食指或中指在4N、6N和8N力量水平下相对应的电压。截取第3通道得到的食指或中指力量平稳段并找到对应的肌电信号段，采用改进的C0复杂度算法，对FDS和ED上记录的肌电信号均截取力量稳定时的2000个点计算其C0复杂度。结果：对于4N、6N及8N3个力量等级，食指动作时FDS、ED两块肌肉的C0平均值均大于中指的C0平均值。结论：食指、中指产生相同的力量时，其相应的表面肌电信号C0复杂度存在差异，表明C0复杂度可用于描述手指活动时前臂肌肉的活动状态。

手指活动；肌电；指浅屈肌；指伸肌；C0复杂度

[First-author’s address]Purchasing Management Office, PLA 305 Hospital, Bejing 100017,China.

表面肌电信号(surface electromyography，sEMG)是在皮肤表面记录的运动单位动作电位(motor unit action potential，MUAP)在时间和空间上进行叠加所形成的综合电生理信号，是反映神经、肌肉的功能状态的重要参数[1-3]。sEMG信号的频率在10～500 Hz之间，主要能量集中在100 Hz以内。由于神经肌肉运动单元发放的不规则性及运动单元动作电位的变异性，sEMG表现出明显的非平稳特性，因此尝试用不同的时频域方法分析sEMG的特征[4-8]。

1 C0复杂性原理

复杂性测度是描述信号随机性的一种重要参数，并成功应用于脑电信号的特征分析，其基本思想是复杂时间序列是由规则运动部分时间序列及随机运动部分时间序列组成，C0复杂性被定义为随机运动部分时序与时间轴所围区域的面积和整个复杂运动时序与时间轴所围区域面积之比[9-12]。C0是介于0和1之间的数，对于常数或周期序列而言，C0值趋于0；对于满足一定条件的随机序列而言，其C0值以概率1收敛于1，因此可以认为C0复杂度是一种随机性复杂度[13]。对于具有非平稳性的肌电信号，有研究者采用Lempel-Ziv复杂度对其特征进行分析，但Lempel-Ziv复杂度存在需要对原始信号粗粒化，即将原始信号变成某种二值信号，可能导致过分的粗粒化，从而改变信号的动力学特性的问题[14-16]。与采用快速傅里叶变换相比较而言，C0复杂度具有计算量小的优点。因此，本研究将利用C0复杂度分析手指动作时前臂肌肉表面肌电信号的特征。

2 实验数据采集

2.1 试验对象

试验对象为11名大学生志愿者，其中男生8名，女生3名，年龄22～24岁，身体健康，试验前未参加高强度的运动，试验前6个月上肢未出现扭伤或运动损伤。受试者试验开始前签署知情同意书。

2.2 实验器材及材料

实验器材为成都仪器厂RM6280C多道生理参数记录仪；指力传感装置、NI USB6008数据采集卡；LabVIEW指力检测软件；笔记本电脑1台；材料为酒精、磨砂膏及导电膏等。

2.3 肌电及指力信号的采集

实验采用两对Ag/AgCl电极记录sEMG，根据上肢解剖常识可知，前臂上有控制手部活动的肌肉，如指浅屈肌肌腱、指伸肌肌腱延伸至手指关节，控制手指的屈伸，实验中选择记录指浅屈肌(flexor digitorum superficialis，FDS)、指伸肌(extensor digitorium，ED)，其中活动电极贴于肌腹，参考电极贴于非活动端，活动电极与参考电极之间的间距为2 cm。贴电极前对受试者待测部位的皮肤用磨砂膏及75%酒精去角质及皮脂。采用RM6280C多道生理记录仪的1、2通道分别记录FDS、ED的肌电信号；为了在数据处理中截取有效数据，用多道生理记录仪的3通道记录测量食指或中指力量的力量传感器输出电压，记录仪信号采样频率设为2000 Hz。

2.4 实验设计

受试者坐于椅上，保证身体在测试过程中不移动，用尼龙带将测试的腕部和前臂固定在搁板上，掌心向下，拇指内收，1～4指微屈，轻放于指力计上，测试指按要求完成按压指力计的动作。测试中分别设置4 N、6 N和8 N的3个不同的力量水平，实验中受试者用食指或中指按压传感器以达到3种目标力量水平的力量，时间持续5 s；实验中食指、中指分别测试，尽量保持用力平稳；以完成一轮的指力测试为一组，重复5组，每组间隔1 min，以避免受试者肌疲劳的发生。为避免实验中受试者产生适应性，测试中完成动作的顺序为随机。

3 数据处理

3.1 有效数据截取

在Matlab 7.0中，根据实验前的标定结果，将多道生理记录仪第3通道记录的指力传感器的输出电压转换为力量曲线。找出力量曲线中长度为1 s，幅度在恒定目标力量±0.25 N范围内波动的力量平稳段。由于多道生理记录仪3个通道是同时记录，可以由第3通道得到的食指或中指力量平稳段找到对应的肌电信号段，并将该段肌电信号用于分析。

3.2 肌电信号滤波处理

由于肌电信号的频率范围介于20～500 Hz，在Matlab 7.0中用椭圆滤波函数ELLIP对肌电信号进行带通滤波，其中设ELLIP的参数wp=[0.02 0.5]，ws=[0.01 0.55]，由此得到经带通滤波后的肌电信号。

3.3 表面肌电信号的C0复杂度计算

本研究采用改进了的C0复杂度算法，对指浅屈肌FDS和指伸肌ED上记录的的肌电信号均截取力量稳定时的2000个点计算其C0复杂度，分别记为FDS C0，ED C0。

FDS上记录的某一指力量水平的肌电信号记为FDS(n)，n=1，2，……，2000。

(1)对FDS(n)作快速傅立叶变换得F(j)，j=1，2，…，2000。

(2)取F(j)的均方值aveF(公式1)。

(3)︳F(j)︳2＞aveF的频率成分被认为是规则部分的贡献，≤aveF的成分则是随机部分的贡献，本算法(公式2)将规则部分的频率成分保留，随机部分的频率成分取0，得到Fn(j)，j=1，2，…，2000。

4 结果与分析

如图1所示，其中1名受试者食指、中指在4 N力量水平下FDS的肌电信号时间长度为1 s(即2000采样点)，图1显示，食指4 N力量水平下FDS肌电信号较中指的肌电信号变化更快，幅度上也存在一定差异。

图2 单指(a)4N、(b)6N和(c)8N力量水平时肌电信号的C0均值

图1 4N力量水平下FDS的表面肌电信号

由以上给出的C0计算方法得到每个受试者所有动作的肌电信号的C0值，然后对所有受试者的每一力量水平下每一肌肉肌电信号的C0值取平均，其结果见表1。

表中给出了所有受试者食指、中指4 N、6 N和8 N力量水平下ED、FDS的肌电信号的C0均值和方差。如图2所示，分别给出了食指、中指以4 N、6 N和8 N力量水平下所有受试者ED、FDS的肌电信号C0均值和方差。图2显示，对于4 N、6 N和8 N的3个力量水平等级，食指动作时FDS、ED两块肌肉的C0均值均大于中指的C0均值。

食指、中指在4 N、6 N和8 N力量水平时进行按压动作，食指动作时肌电信号的C0值高于中指动作时肌电信号的C0值，表明食指动作时肌电信号内的随机成分较中指动作时的多。食指较中指、环指和小指更灵活，除了由4个手指共用的肌肉控制外，还具有单独的肌肉控制，因此从神经调控角度而言，可能完成食指动作调控机制更复杂。

表1 肌电信号C0均值(μv±std)

5 结语

人手依靠手指和手掌的配合能够完成各种精巧复杂的动作，而前臂肌肉的表面肌电信号是反映手指力量的重要特征参数。本研究以sEMG的C0复杂度描述指浅屈肌FDS、指伸肌ED的活动模式，初步的实验结果显示，食指、中指产生相同力量时其相应的表面肌电信号的C0复杂度存在差异，表明C0复杂度可用于描述手指活动时前臂肌肉的活动状态。

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Research on the characteristics of complexity analysis of surface electromyography in physical activity

WANG Dan, JI Jun, LIU Yu-jing, et al// China Medical Equipment,2014,11(3):13-16.

Objective:Analysis finger action forearm muscles surface EMG characteristics using the C0complexity.Methods:Record the electromyography of FDS and ED and the corresponding Voltage of index finger or middle finger in 4N, 6N and 8N power level. Get the stable mechanical single in 3rd channel of index finger or middle finger and find the corresponding sEMG for filtering, with the improved C0complexity algorithm, calculate its C0complexity of the FDS and ED by the selected 2000 points in the sEMG.Results:The index finger action FDS, ED two muscle’s mean value of C0is greater than the middle finger’s for 4N, 6N, 8N three power levels.Conclusion:when the index finger, middle finger produce same power, their C0complexity of corresponding sEMG are different, the C0complexity can be used to describe the active state of forearm muscles when fingers are active.

Finger activity; Electromyography; Flexor digitorum superficialis; Extensor digitorium; C0complexity

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.03.005

1672-8270(2014)03-00013-04

R318.03

A

2013-11-27

全军医药卫生科研基金(06MA364)“基于加速度传感器和个人体域网监测睡眠中周期性腿动时间的关键技术研究”

①解放军第305医院物资采购管理办公室 北京 100017 ③北京军区总医院医学工程科 北京 100700

②解放军第305医院医学工程科 北京 100017 ④第三军医大学西南医院医学工程科 重庆 400038

*通讯作者：lz.1209@163.com

王丹,女,(1963- ),硕士，副主任技师。解放军第305医院物资采购管理办公室主任，从事医疗设备、药品及医用耗材采购管理工作。研究方向：医学工程与物资采购信息化管理。