上肢假肢控制所采用的信息源模式介紹

　　Abstract

 

　　Artificial hand with myoelectrical control is anew type dynamic artificial hand and the "mo-man-machine system"that controlled by biological electricity.Artificial hand with myoelectrical control Can reflect sport information of limbs via simply control. Comparedwith  other control ways，it has a lot of superiority.By this reason，it is favored by patient and has wide markets，and now it has became a focus in studying of artificial limbs.

What this paper studies is artificial hand witll myoelectrical control of  single degree of freedom.and the system’S feature is with driving of open space and self_adapt organization of power increasing .The focal point of this paper is how to control artificial manus accurately.There are two parts of this work that have been finished：one is to analyses the myoelectric signal and pick up eigenvalue.By utilizing the knowledge of digital circuit and simulation circuit,the system designs the pretreatmrnt dealing circuit of the myoelectrical signal, which has the feature of big input impedance、well suppress of public module and high gains.Then the signal is gathered with"zhentong" data gathering after dealing、with.and the software of signal processing is explored before the myoelectric signal is analyzed.After picking up eigenvalue,it is proved  that the result is unanimOUS basically with the data of the relevant matefials;The other is to control artificial hand by the eigenvalue of the myoeleetric signal and at last the system gets very good control results. Keywords：myoeIeotric signaI：organization of power inoreasing 

 

　　FFT tranform

 

人的肢體是一個復(fù)雜而巧的動力學(xué)系統(tǒng)，如何再這種結(jié)構(gòu)，是假肢研究的主要內(nèi)容。隨著康復(fù)學(xué)與康復(fù)程、材料學(xué)、電子學(xué)和控制理論等術(shù)的發(fā)展，假肢研究也發(fā)生了革命性交革。假肢已經(jīng)不再僅僅作為一種裝 飾品，人們對它的舒適性、實用性、準(zhǔn)確性和靈活性提出了更高的要求，假 肢也向著智能型、美觀型，類人型方向發(fā)展。目前，世界范圍內(nèi)的各種商品 化假肢已經(jīng)不下千余種。

在假肢控制中，上肢假肢由于復(fù)雜度高、控錯i難度大而倍受關(guān)注。從目前情況看，機械式假肢和肌電假肢都已成熟化和商品化，再假肢和聲控 假肢也已邁出實驗階段，而利用腦電、腦磁等生物信息控制的上肢假肢尚處 于研究中。此外，為了提高假肢能，還出現(xiàn)了將開環(huán)控制增加反饋組成閉 環(huán)控制的形式，并取得了一定的進展。如Mabuchi等構(gòu)的假肢系統(tǒng)，不僅 能夠?qū)⒋碳�傳遞給受試者以產(chǎn)生與原始刺激相應(yīng)的軀體感覺，并且在幅值上 也存在對應(yīng)關(guān)系。

在控制方式中，能夠按照人的意志來控制假手是一種理想的方案。這時，控制信號源的取出可能有三種途徑：(I)直接把人的中樞神經(jīng)系統(tǒng) 中的令取出來;(II)把通過運動神經(jīng)系統(tǒng)的信號取出來;(III)把運動神 經(jīng)系統(tǒng)的脈沖到達(dá)肌肉所產(chǎn)生的肌電位取出來。目前，采用第三種方法研究的肌電控制假手，占著主導(dǎo)地位。如果具體地進行分類，當(dāng)前各種上肢假肢控制所采用的信息源模式主要有以下幾種：

l、以身體的機械運動作為信息源

這種上肢假肢的控制思想主要是利用患者殘存的運動能，通過傳動裝置觸發(fā)相應(yīng)的開關(guān)進行控制。截肢患者的殘端肌肉的收縮/舒張和膨起、健肢位如胸的擴張、肩的提升/下垂及外展/內(nèi)收等都可以用作假肢驅(qū)動的信息源。這類假肢控制結(jié)構(gòu)簡單，價低廉，因而受到了患者的歡迎，在第一章緒論將來一段時間內(nèi)仍將擁有一定的市場。

從目前來看，這種上肢假肢的發(fā)展主要有賴于提高信息源的檢測手段、改進假肢的控制策略。如古瀨則夫等采用三位定位測量設(shè)備檢測患者的特定運動，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來確定對應(yīng)的控制令。Aghili等根據(jù)Simpson提出的通過測量病人的未受損關(guān)節(jié)的角度來控制假肢的思想，建立肩關(guān)節(jié)運動角度的閉環(huán)曲線與所進行動作的關(guān)系映射，用判別函數(shù)來確定肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)的角度矢量。Rochel等則利用外科手術(shù)將肌腱與假肢驅(qū)動器連接在一起，通過感覺肌腱的運動來直接驅(qū)動假手動作。

盡管經(jīng)過幾十年來成千上萬的假肢患者的使用表明，這種類型的上肢假肢可靠性高，魯棒性好，但它所能實現(xiàn)的控制務(wù)非常簡單，加之殘肢對人腦令反應(yīng)的遲鈍，使得靈活性不高，不適合用作高正確度且組合性強的信息源。如文獻(xiàn)“1所設(shè)計的假肢只能完成預(yù)定的梳頭、拿電話和喝水三個動作，假肢控制的準(zhǔn)確度也只有85%。

2、以肌電(EMG)作為信息源

肌電假肢的信息源來自殘肢肌肉發(fā)放的動作電位。由于它能夠反映人的肢體運動信息，因此比機械牽動式假肢更為優(yōu)越，不但受到患者的青睞擁有廣闊的市場，而且也成為上肢假肢研究中的一個熱點。

肌電信號為微弱，經(jīng)常淹沒在其他的生物信號及外噪聲中，因此須采用高質(zhì)量的EMG檢鍘系統(tǒng)。目前所采用的檢測方式主要是依靠表面電 和針式電，將EMG從適當(dāng)?shù)慕刂�位引出，再進行濾波處理。一種無線電 探針原型也已開發(fā)出來，但尚處于試驗階段。

盡管肌電假肢在實際應(yīng)用中獲得了巨大的成，但當(dāng)截肢者的殘肢太 短，或者因癱瘓而導(dǎo)致肌肉萎縮時，就不能提供足夠的肌電假肢所需要的控制信息。同時，肌肉的疲勞、電位置的改變、肌電信號的訓(xùn)練、體重的波 動都會使肌電信號的特征值發(fā)生變化，成多自由度肌電假肢的控制準(zhǔn)確度 難以提高。此外，由于使用者須學(xué)習(xí)不自然的運動來驅(qū)動手的運動，同時也由于受對肌電信號的解碼能力所限，肌電假肢所能控制的自由度也是很有限的。

由于這些原因，實際應(yīng)用中的肌電假肢，大都仍然是單自由度，通過上臂肌肉的收/縮來控制。從目前的研究結(jié)果來看，肌電假肢的改進主要從以 第一章緒論 下幾個方面進行：

1：采用新策略來提高單通道所能夠控制的自由度數(shù)。

2：采用包括信號濾波、譜分析和模式識別術(shù)在內(nèi)的新術(shù)，以便從EMG信號中獲取更多的獨立通道數(shù)。

3：將反饋術(shù)引入到肌電假肢中，以使肌電假肢能完成更多的能。但這還依賴于能夠長時間同時刺激大量的神經(jīng)纖維的新式電的開發(fā)。

4：發(fā)展具有自適應(yīng)能力的智能型肌電假肢，以彌補使用過程中肌電信號變化的缺陷。

5：結(jié)合其他的控制信息源以彌補肌電信息的不足。如殘肢和肩膀的機械運動等。

3、再假肢控制的信號源

為了突破電子假手利用肌電控制準(zhǔn)確性難以提高的障礙，胡天培教授和陳中偉院士等從根本上改變原有的模式，從另選控制信號源入手，將顯微外科術(shù)應(yīng)用于康復(fù)程領(lǐng)域，在殘肢者的殘臂端上再一個“”，用以作為能夠準(zhǔn)確傳遞人腦運動信息的信息源。其方法是：患者經(jīng)身麻醉后，應(yīng)用顯微外科手術(shù)，將第二足趾帶血管蒂移植到右前臂的殘端上，當(dāng)再“手 ”成活后再進行康復(fù)能訓(xùn)練，然后用物理學(xué)方法(如溫度、壓力、位移)將控制信息轉(zhuǎn)化為操作令，實現(xiàn)對電子假手的準(zhǔn)確控制。

這種以再“”作為信息源的假肢，開拓了學(xué)與程學(xué)緊密結(jié)合的新構(gòu)思，在理論上和實踐上都有重要的導(dǎo)意義。對患者的使用跟蹤表明，這種假肢不僅能夠正確傳遞大腦的運動信息，而且重建了重量感受能力;控制的確度高，所研制的三自由度六運動的假手的誤動作率為0%。

然而，患者安裝這種假肢時不得不承受著手術(shù)的痛苦，所需的顯微外科術(shù)也限制了它的推廣應(yīng)用，而且術(shù)后所需的康復(fù)期較長。另外，單個再 所能表達(dá)的信息量非常有限，難以迅速及時地傳遞大腦復(fù)雜的令。當(dāng)自由度增多時，編碼的位數(shù)也隨之增多，這不僅給患者的熟練掌握帶來了困難，而且降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性及動作的準(zhǔn)確度。為了盡量減少患者的痛苦，目前陳中偉院士正在致力于“局帶血管神經(jīng)肌與/或腱移植構(gòu)成信號源”的研究，使之能夠代替再“”準(zhǔn)確傳遞大腦令。

4、以聲音作為信號源

聲控型假肢在幫助截癱病人恢復(fù)運動能方面具有無可比擬的優(yōu)越性。利用患者的聲音信息，通過數(shù)字處理術(shù)(DSP)，將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的控制令，不僅線路簡單，而且為發(fā)展多自由度假肢開辟了新的途徑。

目前，聲控術(shù)在各個領(lǐng)域都取得了廣泛的應(yīng)用。例如美摩星公司開發(fā)的聲控機器人，可按生口令，將內(nèi)窺鏡等細(xì)長的手術(shù)器械通過小切口置于病人體內(nèi)，為顯微外科手術(shù)提供穩(wěn)定、清晰的圖像。WalterR等設(shè)計的 聲控輪椅模型，能夠在低等及中等水平的環(huán)境噪聲下達(dá)到幾乎的控制準(zhǔn)確率。

聲控術(shù)在假肢上的應(yīng)用也已邁出實驗階段，開始走向市場。如文獻(xiàn)”。中設(shè)計的簡單語言令假肢控制系統(tǒng)，不僅控制效果好，而且當(dāng)令單詞的數(shù)量增多時，還可以對系統(tǒng)進行編程以完成更多的能。文獻(xiàn)。1所提出的語言識別的便攜式DSP系統(tǒng)，能夠提供足夠的控制令來對電動假肢進行準(zhǔn)確的控制。

與肌電控制假肢相比，聲控假肢能進行的控制能更多、更方便、度也更高。它的不足之處在于平時患者與他人的交流也可能導(dǎo)致假肢產(chǎn)生誤動 作。另外，如何提高聲控假肢的抗環(huán)境噪聲能力。也是該類假肢的一個亟待解決的問題。

5、以腦電(EEG)作為信號源

腦電活動本質(zhì)上是中樞神經(jīng)系統(tǒng)作中神經(jīng)和突促所產(chǎn)生的電噪聲。早在1875年，英生理學(xué)家RichardCaton就從兔腦和猴腦中記錄到了微弱 的電流。腦科學(xué)的研究表明，腦電活動與運動信息問存在某種聯(lián)系。如果能將EEG或它的某些分量轉(zhuǎn)化為一種新的輸出通道，與外界進行信息交換與控制，就可以用來控制假肢。為此，很多學(xué)者在這方面進行了大量的研究。文獻(xiàn)嘲將短潛伏期視覺誘 發(fā)電位(VEP)的幅度變化經(jīng)過實時分析，轉(zhuǎn)化為神經(jīng)肌肉控制器的輸入，實現(xiàn)膝蓋的伸展控制，準(zhǔn)確率可以達(dá)到95%。Pfurtscheller等設(shè)計了一種 腦一計算機接口裝置(BCIs)，能夠根據(jù)使用者的想象的運動來分析識別手運動，準(zhǔn)確率約70%，并且可以區(qū)分左手和右手的想象運動。Roberts等給出了一種基于單通道差分EEG信號的更快速和更確的實時BCIs接口系統(tǒng)，檢測到的EEG信號通過一個8階AR模型和貝葉斯邏輯分類器對所得到的數(shù)據(jù)進行分類，控制鼠標(biāo)的上下運動，整體性能達(dá)82%。

利用從頭皮記錄的腦電EEG活動作為信息源，不需要神經(jīng)肌肉控制，這樣即使嚴(yán)重的殘疾患者也能夠使用。而且電刺激不會對腦電信號的記錄產(chǎn)生影響。然而腦電過程是非常復(fù)雜的，目前對它的研究也只是有限的。在構(gòu)一個完由腦電控制的系統(tǒng)上還有賴于腦科學(xué)研究的巨大突破，尚有很長的路要走。

6、以腦磁作為信號源

肌肉與神經(jīng)體內(nèi)的電流會產(chǎn)生外磁場，如心磁、腦磁等。關(guān)于生物磁 的第一次可靠的實驗測量是在1963年由Baule和McFee完成的，他們用兩個并排的線圈(梯度計)第一次記錄了心磁。幾年后，S.Williamson等人證實，使用二階梯度計可以在背景噪聲較強的環(huán)境(如市區(qū))且無磁屏蔽的條件下，測量出腦磁信號，從而促進了生物學(xué)的發(fā)展。

發(fā)展腦磁控制的假肢，首先應(yīng)該解決的是如何構(gòu)人機接口，以便在腦磁信號和假肢控制令之間建立起合理的映射關(guān)系。然而，由于腦磁的復(fù)雜性，人們對它的認(rèn)識剛剛起步，對它的研究尚停留在腦外科手術(shù)內(nèi)重要能 區(qū)域的確定、腦能性不足的病理評估等。將其應(yīng)用于假肢控制也只能處于探索階段。

上述控制信息源的缺陷迫使康復(fù)作者們?yōu)閷ふ倚碌男畔⒃炊�不懈努力。神�?jīng)信號被認(rèn)為是一種理想的模式。它不僅不受人體疲勞程度的影響，重復(fù)再現(xiàn)性高，而且神經(jīng)信息彼此之間互不干擾，具有佳的清晰度。

許多研究還證實，神經(jīng)系統(tǒng)具有可塑性，不僅表現(xiàn)為對外界各種刺激的代償與適應(yīng)能力，更重要的是在結(jié)構(gòu)與能上具有損傷后修復(fù)或重建的能 神經(jīng)信息的上述特征為發(fā)展具有更為逼真仿生能的高效多自由度上肢假肢奠定了基礎(chǔ)�；�于此，Wan等提出了用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)把人體上肢神經(jīng)信號 轉(zhuǎn)化為控制令來控制假肢的思想。許多學(xué)者也在采用神經(jīng)信息控制假肢 術(shù)上作了有益的探討，并取得了一下共識：

1)如果將具有許多微孔的硅片置于切斷的神經(jīng)上，神經(jīng)細(xì)胞就會再生，并與之產(chǎn)生電路連接;

2)電可以在持續(xù)的神經(jīng)細(xì)胞響應(yīng)時間周期獲得穩(wěn)定的放電記錄;

3)神經(jīng)的放電速率與上臂運動的空間方向之間有著較強的關(guān)系。

上述成果使得應(yīng)用神經(jīng)信息控制假肢術(shù)成為可能。利用神經(jīng)埋藏電 引導(dǎo)出神經(jīng)信息，經(jīng)模式分類后建立起神經(jīng)信息與肢體運動的映射關(guān)系，從 而控制假肢運動，將是一種理想的假肢控制模式。我們有理由相信，神經(jīng)假 肢將在今后幾年內(nèi)研制出來應(yīng)用于廣大患者身上。它的成將為人類生活 條件的提高帶來新的飛躍。

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