[发明专利]一种基于微控制器的肌电信号处理及特征提取方法

说明书

本发明公开了一种基于微控制器的肌电信号处理及特征提取方法，包括信号采集放大处理、窗函数移动平均处理、阈值处理和波形长度特征提取四个步骤；其中，信号采集放大处理过程由硬件完成，采用三点式差动输入电极采集表面肌电信号；窗函数移动平均处理过程在极小运算量下对信号做平滑处理；阈值处理过程在极小的运算量下从肌电信号中提取出肌肉的收缩‑舒张状态；波形特征提取过程在极小的运算量下获得波形变化幅度特征。本发明方法可以应用于运算资源与存储资源极为有限的微控制器上，利用较低成本采集处理肌电信号，获得肌肉的收缩‑舒张状态与波形变化幅度特征。

技术领域

本发明属于计算机协同医疗技术领域，具体涉及一种基于微控制器的肌电信号处理及特征提取方法。

背景技术

表面肌电信号(Surface Electromyogram，SEMG)是一种重要的人体生物信号，是通过人体表面电极，在人体皮肤表面采集人体肌肉运动时所产生的电位信号。它的来源是人体自主运动时神经肌肉活动发放的生物电信号，这些电信号沿肌纤维传播并经由皮肤、脂肪构成的容积导体滤波后在皮肤表面检测电极处的时间和空间上综合叠加，最终形成表面肌电信号。由于不同的动作引发不用的肌肉群作用，产生的肌电信号就不同，所以肌电信号在识别人体动作方面具有独到的优势，被广泛应用于假肢控制、康复训练、临床医学和体育科学等诸多领域中。表面肌电信号的频段主要分布在20～500Hz的区间内，主要能量集中在50～150Hz的区间内，基本服从正态分布。可以发现，人体肌电信号具有以下两方面特征：

一是信号弱。直接从人体中检测出来的电信号的幅值往往较弱；在振幅上，由于肌电信号是一种肌肉产生而在皮肤表面提取的电信号，其电压信号非常微弱，峰值一般在0～6mV。因此，在处理肌电信号之前，需要使用硬件对信号进行放大处理。

二是频率范围较低。经频谱分析可知，人体肌电信号的频率范围一般较小，在10Hz级，这使得在采样时对AD转换器的性能、MCU处理能力和通信模块传输能力没有较高的要求，远低于声音信号、图像信号的采集要求，对操作系统的实时性要求也较低。

但是，微控制器的计算能力普遍较弱，无法使用频域变换、小波变换等需要较多计算和存储资源的方法来处理采集得到的原始肌电信号，也无法对肌电信号进行相应的特征提取。

发明内容

为了在计算和存储能力较弱的微控制器上，以较低成本处理肌电信号并提取特征，本发明提供了一种基于微控制器的肌电信号处理及特征提取方法，其采用的技术方案如下：

首先，采用三点式差动输入电极采集表面肌电信号，并对该肌电信号进行放大以及整流平滑处理后由微控制器的ADC(模数转换)模块进行离散化采样；

然后，采用窗函数对离散化后的肌电采样信号进行移动平均处理；

最后，基于窗函数移动平均处理后的肌电采样信号进行特征提取，获得肌肉的收缩及舒张状态以及肌电信号波形变化幅度。

本发明以P个采样周期大小的窗口对离散化后的肌电采样信号进行窗函数移动平均处理，其采用的窗函数表达式如下：

其中：signal(j)为离散化后的肌电采样信号中第j时刻的信号值，signal_MAV(i)为经窗函数移动平均处理后的肌电采样信号中第i时刻的信号值，P为大于1的自然数，i为自然数，j为自然数且i-P+1≤j≤i。

本发明通过对窗函数移动平均处理后的肌电采样信号进行阈值处理，获得肌肉的收缩及舒张状态。

根据以下表达式对窗函数移动平均处理后的肌电采样信号进行阈值处理：