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Rose今天分享一篇基於EEG和sEMG的假手控制策略的文章。
導讀
針對殘臂較短或殘臂上肌電信號測量點較少的殘疾人使用多自由度假手的需求, 研究人員提出一種基於腦電信號(Electroen-cephalogram, EEG) 和表面肌電信號(Surface electromyogram signal, sEMG) 協同處理的假手控制策略. 該方法僅用1 個肌電傳感器和1 個腦電傳感器實現多自由度假手的控制. 實驗中，研究人員使用1 個腦電傳感器測量人體前額部位的EEG, 從測量得到的EEG中提取出眨眼動作信息並將其用於假手動作的編碼，同時使用1 個肌電傳感器測量手臂上的sEMG。研究人員針對肌電信號存在個體差異和位置差異的問題, 採用自適應方法實現手部動作強度的估計，並採用振動觸覺技術設計觸覺編碼用於將當前假手的控制指令反饋給佩戴者, 從而實現EEG 和sEMG 對多自由度假手的協同控制.研究人員通過實驗驗證了該控制策略的有效性。
基於EEG 和sEMG 的假手控制策略是指分別採用sEMG和EEG實現手部動作強度的估計和動作類型的編碼，採用觸覺反饋技術將當前假手的控制指令反饋給佩戴者，從而實現EEG 和sEMG 對多自由度假手的協同控制。
假手是一類典型的人機交互設備，對於輔助手臂截肢患者恢復手部功能有着重要的作用。多自由度肌電假手的控制依賴於多通道的肌電信號，對於截肢後肌肉出現萎縮、截肢部位較高等情況的患者，他們手臂上殘留的可以進行肌電信號測量的部位較少，無法採用多個傳感器測量多路信號來進行動作模式的識別，給假手的使用帶來困難。
針對這一類患者的需求，研究人員提出了一種基於腦電信號(EEG) 與表面肌電信號(sEMG) 結合的假手控制策略。
研究人員設計的假手控制策略框圖如上所示，主要包括：基於EEG 的動作類型判別、基於sEMG 的動作強度估計和動作類型的觸覺提示等幾個部分。
基於EEG的動作判別類型
實驗中採用便攜式測量設備MindWave 進行腦電信號的測量，通過觀察信號發現，眨眼動作的信號可以在MindWave 的測試信號中明顯地體現出來。
因此，研究人員擬從測試者前額的EEG 信號中提取眨眼動作的信息，並將單位時間內檢測到的眨眼信息用於假手動作的編碼。
動作編碼分兩個環節進行，如上圖所示，第一環節爲手爪動作和手腕動作的判別，第二環節爲具體動作類型(手爪張開、合，手腕順、逆旋轉)的判別。
當用戶進行手部動作時, 該策略會根據預設的編碼作出相應的眨眼動作, 然後控制器通過分析EEG 信號的特徵來進行動作的判別.
基於sEMG的動作強度估計
表面肌電信號(sEMG) 是由肌肉興奮時所募集的運動單元產生的一個個動作電位序列(Motor unitaction potential trains, MUAPT) 在皮膚表面疊加而成, 是一種非平穩的微弱信號.
肌電信號不僅與肌肉本身的組織生理特性有關, 還與神經控制系統有關.而且肌電信號存在很強的個體差異, 不同測試者在手臂相同位置測量得到的肌電信號差異較大;測量部位不確定, 同樣會帶來肌電信號的差異。
同一塊肌肉不同位置測量得到的肌電信號是存在差異的。從下圖中可以看到差異狀況。
由於在使用過程中,傳感器在手臂上的貼合位置不可避免地會發生變化,這導致使用過程中肌電信號會發生變化; 此外由於環境溫、溼度的變化會引起傳感器和皮膚之間阻抗的變化, 從而導致測量得到的肌電信號發生變化.
所以使用者在安裝佩戴假手時, 需要先對其殘臂上的肌電信號進行測量, 然後根據其肌電信號的強度對假手的控制參數進行調整, 並且往往需要經過一段較長時間的訓練和適應, 佩戴者才能夠較爲靈活地控制假手. 而且對於同一個佩戴者, 在使用假手一段時間後, 其假手的控制參數也可能需要重新進行調整, 這給假手的使用帶來極大的不便.
爲了消除肌電信號個體差異和傳感器測量位置差異等因素給假手控制帶來的不便，採用自適應方法進行假手開合速度/握力的估計。
動作類型的觸覺提示
人體皮膚表面分佈有大量的觸覺感受器, 能夠感知外界的刺激. 在觸覺刺激的研究中, 常用的方法有電刺激、頂針刺激、熱刺激和振動刺激等, 其中機械振動刺激是一種較爲理想的觸覺刺激方式, 其裝置簡單小巧、感知舒適性好、響應速度快、可調範圍大、平均功耗低、一致性好且易於驅動控制. 振動刺激裝置產生的機械振動作用於人體不同部位皮膚,可以通過控制機械振動信號的波形、頻率、幅值和作用方式等產生不同的觸覺刺激.
所以，研究人員選擇振動刺激來實現向人體進行信息反饋.
研究人員設計了振動袖帶，將其佩戴在測試者的上臂部位用於幫助測試者把握假手當前的狀態。
振動袖帶如上圖所示，主要包括4 個微型振動器、振動器驅動模塊、控制模塊、藍牙模塊以及鋰電池等.
藍牙模塊接收假手當前的動作信息並輸入控制模塊,控制模塊根據接收到的信息輸出相應的振動編碼控制振動器的振動. 振動器在袖帶上的位置可以根據需要進行調整, 使用時將袖帶綁在測試者的上臂, 調整振動器的位置即可得到如下圖所示的振動器分佈.
同時，研究人員設計了6 種振動刺激編碼用於向佩戴者反饋假手當前的工作狀態，6 種振動刺激分別對應於手爪動作、手腕動作、手爪閉合、手爪張開、手腕順時針旋轉、手腕逆時針旋轉。
EEG和sEMG協同控制流程
研究人員在實驗室時設計了EEG 和sEMG 協同控制流程(流程圖如下圖所示)。控制器首先進行手爪動作和手腕動作的判別，並給出相應的觸覺提示，隨後進行具體動作類型(手爪張開、合，手腕順、逆旋轉) 的判別。以手爪閉合動作爲例，用戶首先眨眼兩次，觸覺反饋系統會控制振動袖帶中2 號和4 號振子振動,提示用戶當前爲手爪動作； 用戶繼續眨眼三次，觸覺反饋系統會控制振動袖帶中2 號振子振動，提示用戶當前爲手爪閉合動作； 隨後控制器根據sEMG 信號對動作的期望強度進行估計，並控制假手動作的強度； 閉合動作完成後，用戶只需再眨眼三次即可停止當前的動作。
實驗設備
論文信息
吳常鋮, 熊鵬文, 曾洪, 徐寶國, 宋愛國. 一種基於EEG 和sEMG 的假手控制策略.
一種基於EEG和sEMG的假手控制策略
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