黃永欣,文斌,毛菁菁,姚瑞,尹孟奇,徐進(jìn)

(1. 西安交通大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院健康與康復(fù)科學(xué)研究所,710049,西安;2. 西安交通大學(xué)生物醫(yī)學(xué)信息工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710049,西安;3. 西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院康復(fù)科,710061,西安)

肢體運(yùn)動(dòng)是人體重要的生理功能之一,中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system,CNS)通過(guò)控制相關(guān)肌肉運(yùn)動(dòng)的協(xié)同,以完成日常生活中的各種運(yùn)動(dòng),由于運(yùn)動(dòng)模式多樣,使得運(yùn)動(dòng)控制問(wèn)題變得極為復(fù)雜[1-2]。

在人體運(yùn)動(dòng)控制研究中,肌肉協(xié)同學(xué)說(shuō)被廣泛用于研究神經(jīng)肌肉控制問(wèn)題,即CNS將相應(yīng)部位的多塊肌肉以不同強(qiáng)度的協(xié)同作用結(jié)合在一起,完成運(yùn)動(dòng)控制的任務(wù)[3-4]。CNS通過(guò)肌肉協(xié)同機(jī)制實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)控制的簡(jiǎn)化,協(xié)同被認(rèn)為是神經(jīng)運(yùn)動(dòng)模塊化控制的基本單元[5-6]。因此,研究運(yùn)動(dòng)過(guò)程中相關(guān)肌肉的協(xié)同作用對(duì)于神經(jīng)肌肉控制模式研究具有十分重要的意義。

表面肌電信號(hào)(surface electromyography, sEMG)是經(jīng)皮膚表面電極采集的生物電信號(hào),其蘊(yùn)含豐富的神經(jīng)肌肉活動(dòng)和運(yùn)動(dòng)意圖等信息,同時(shí)具有提取方便、準(zhǔn)確和無(wú)創(chuàng)的優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)成為分析肢體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中肌肉協(xié)同的有利手段[3,7]。

從多通道sEMG信號(hào)中獲取肌肉協(xié)同信息屬于盲源分離的過(guò)程,常見的矩陣分解算法有主成分分析(principal components analysis, PCA)、獨(dú)立成分分析(independent component analysis, ICA)和非負(fù)矩陣分解(non-negative matrix factorization, NMF)[6,8]等。因?yàn)镹MF的結(jié)果具有非負(fù)約束和魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),使得基于NMF的肌肉協(xié)同分析更具優(yōu)勢(shì)[8]。

肌肉協(xié)同分析作為一種探索神經(jīng)肌肉控制模式的有效方法,已經(jīng)被廣泛用于臨床研究和機(jī)器人控制等領(lǐng)域。該方法可用于探索神經(jīng)功能障礙患者的肢體運(yùn)動(dòng)控制模式,進(jìn)而為康復(fù)治療提供指導(dǎo)。Steele等對(duì)比腦癱患者和健康人在步態(tài)活動(dòng)中提取的肌肉協(xié)同模式,發(fā)現(xiàn)腦癱患者在步態(tài)活動(dòng)中的肌肉變化用較少的肌肉協(xié)同即可表示[9]。Allen等通過(guò)比較帕金森患者在短期康復(fù)治療前后的步行與平衡的肌肉協(xié)同模式,發(fā)現(xiàn)了步行與平衡存在相似的協(xié)同模式與特有的協(xié)同模式,且康復(fù)治療后相似的協(xié)同模式數(shù)量增加[10]。

肌肉協(xié)同分析可以提取運(yùn)動(dòng)意圖,從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制和識(shí)別。桂奇政等利用肌肉協(xié)同理論和支持向量回歸構(gòu)建模型,實(shí)現(xiàn)了從sEMG信號(hào)到關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的連續(xù)估計(jì)[11]。鄭楠等利用肌肉協(xié)同和最小二乘法構(gòu)建手勢(shì)識(shí)別算法,從神經(jīng)協(xié)同的角度提取運(yùn)動(dòng)意圖,減少訓(xùn)練數(shù)據(jù)的同時(shí)提高用戶無(wú)關(guān)手勢(shì)識(shí)別的正確率[12]。

研究特定肢體運(yùn)動(dòng)下的肌肉協(xié)同模式和不同肢體運(yùn)動(dòng)間肌肉協(xié)同模式的相似性以及差異,將能夠更好地了解、掌握肢體運(yùn)動(dòng)中的神經(jīng)肌肉控制模式。Saito等研究健康人在不同速度和坡度的跑步機(jī)上跑步的肌肉協(xié)同差異,發(fā)現(xiàn)不同條件下的跑步均可由4個(gè)肌肉協(xié)同來(lái)解釋并存在相似的肌肉協(xié)同模式[13]。

與下肢運(yùn)動(dòng)相比,上肢運(yùn)動(dòng)模式多樣且復(fù)雜,運(yùn)動(dòng)控制問(wèn)題更為復(fù)雜。上肢運(yùn)動(dòng)的肌肉協(xié)同分析開展較少,且已有研究大多是針對(duì)簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)。謝平等在研究健康人的腕屈伸運(yùn)動(dòng)的肌肉協(xié)同中發(fā)現(xiàn)了與腕部運(yùn)動(dòng)相關(guān)肌群的協(xié)同關(guān)系、共享的基本肌肉協(xié)同模式以及同一肌肉協(xié)同模式中協(xié)同性較高的肌肉間耦合關(guān)系較強(qiáng)[14]。Tang等通過(guò)對(duì)健康人的肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)的3個(gè)相似運(yùn)動(dòng)的肌肉協(xié)同分析,發(fā)現(xiàn)了3個(gè)相似運(yùn)動(dòng)中存在共享的基本肌肉協(xié)同模式[15]。王洪安等在伸手運(yùn)動(dòng)的肌間神經(jīng)耦合關(guān)系研究中發(fā)現(xiàn),卒中患者的肌肉協(xié)同數(shù)下降、β頻段內(nèi)肌間耦合強(qiáng)度具有顯著差異以及γ頻段內(nèi)大部分協(xié)同肌肉的耦合關(guān)系較強(qiáng)[16]。

此外,協(xié)同模式的關(guān)聯(lián)性研究較少。Cheung等在卒中患者的上肢健側(cè)運(yùn)動(dòng)與患側(cè)運(yùn)動(dòng)的肌肉協(xié)同模式關(guān)聯(lián)性研究中,通過(guò)構(gòu)建協(xié)同模式的線性模型并利用非負(fù)最小二乘法求解模型系數(shù),發(fā)現(xiàn)了肌肉協(xié)同模式的保存、合并和分離[17]。Hashiguchi等利用相同方法研究亞急性期卒中患者在康復(fù)過(guò)程中的步態(tài)活動(dòng),發(fā)現(xiàn)肌肉協(xié)同模式的合并可以作為亞急性期卒中患者運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)異常的重要標(biāo)志[18]。

迄今,復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的肌肉協(xié)同模式研究較少,上肢簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)和復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的肌肉協(xié)同模式之間的關(guān)聯(lián)性研究缺乏,給上肢運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)肌肉控制機(jī)制的全面掌握帶來(lái)困難。

因此,本文分別設(shè)計(jì)了上肢簡(jiǎn)單和復(fù)雜運(yùn)動(dòng)范式,采集不同運(yùn)動(dòng)執(zhí)行過(guò)程中的sEMG信號(hào),通過(guò)肌肉協(xié)同分析探究簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)和復(fù)雜運(yùn)動(dòng)執(zhí)行過(guò)程中肌肉協(xié)同模式之間的關(guān)聯(lián)性,從而為肢體運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)肌肉控制模式和肌-機(jī)接口技術(shù)研究提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和信號(hào)采集

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

選擇日常生活中常見的上肢動(dòng)作設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單和復(fù)雜運(yùn)動(dòng)范式。簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)范式包括:手伸展(HE)和手屈曲(HF)、腕屈曲(WF)和伸展(WE)、肘屈曲(EF)和伸展(EE)、肩前屈(SF)和外展(SA);復(fù)雜運(yùn)動(dòng)包括兩個(gè),復(fù)雜運(yùn)動(dòng)Ⅰ(ComplexF)主要由肩前屈、肘屈伸和手屈曲組成,復(fù)雜運(yùn)動(dòng)Ⅱ(ComplexA)主要由肩外展、肘屈伸和手屈曲組成,如圖1、圖2所示。

(a)手伸展

(a)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)Ⅰ

實(shí)驗(yàn)利用Matlab軟件和Psychtoolbox工具箱呈現(xiàn)運(yùn)動(dòng)指示圖片以規(guī)范數(shù)據(jù)采集流程,如圖3所示。

首先在屏幕上出現(xiàn)一個(gè)“+”注視點(diǎn),持續(xù)2 s;當(dāng)運(yùn)動(dòng)指示圖片出現(xiàn)后,根據(jù)圖片提示做相應(yīng)的動(dòng)作并保持到圖片結(jié)束,簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)圖片持續(xù)10 s,復(fù)雜運(yùn)動(dòng)圖片持續(xù)7 s;間隔休息30 s。每個(gè)動(dòng)作完成之后,必須恢復(fù)初始位置狀態(tài)再進(jìn)行下一個(gè)動(dòng)作。每種動(dòng)作會(huì)重復(fù)3次,然后換下一種動(dòng)作,每種動(dòng)作結(jié)束后,間隔30 s用于休息和切換采集姿態(tài),再繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

另外,采集尺側(cè)腕屈肌(flexor carpi ulnaris,FCU)、指淺屈肌(superficial flexor digitorum,SFD)、橈側(cè)腕伸肌(extensor carpi radialis,ECR)、指伸肌(extensor digitorum,ED)、肱二頭肌(biceps brachii,BB)、肱三頭肌(triceps brachii,TB)、三角肌前束(anterior bundle of deltoid,ABD)和三角肌中束(middle bundle of deltoid,MBD)8個(gè)與運(yùn)動(dòng)相關(guān)肌肉的最大自主收縮(maximal voluntary contraction, MVC),用于后續(xù)肌電信號(hào)的MVC歸一化,MVC動(dòng)作模式如圖4所示。

(a)尺側(cè)腕屈肌

1.2 表面肌電信號(hào)采集

使用美國(guó)Delsys公司的無(wú)線肌電信號(hào)采集系統(tǒng)進(jìn)行8通道肌電信號(hào)采集,采樣頻率為1 259 Hz。傳感器順著肌肉纖維的方向,貼附于肌腹隆起處。同步采集實(shí)驗(yàn)過(guò)程中右側(cè)上肢的8通道sEMG信號(hào),肌電電極位置及相關(guān)肌肉如圖5所示。

圖5 上肢運(yùn)動(dòng)相關(guān)肌肉與肌電采集位置Fig.5 Related muscles of the movements of upper limbs and electrode position of sEMG signal

來(lái)自西安交通大學(xué)的20名健康青年參加了實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)參與者均無(wú)上肢肌肉和中樞神經(jīng)等疾病,受試前24 h未進(jìn)行劇烈運(yùn)動(dòng),均為右利手,男女比例為11∶9,年齡為25.1±3.093(均值±標(biāo)準(zhǔn)差)。

2 基于非負(fù)矩陣分解的肌肉協(xié)同分析

2.1 信號(hào)預(yù)處理

為了更好地分析數(shù)據(jù),首先,提取sEMG原始信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理并提取信號(hào)包絡(luò)[19-21],具體步驟如下:①通過(guò)截止頻率為20 Hz的4階巴特沃斯高通濾波器,用于去除信號(hào)的運(yùn)動(dòng)偽跡和基線漂移;②進(jìn)行全波整流,使得信號(hào)滿足非負(fù)要求,符合生理上的肌肉激活度;③信號(hào)通過(guò)截止頻率為5 Hz的4階巴特沃斯低通濾波器去除高頻噪聲,完成信號(hào)包絡(luò)的提取。

其次,為了避免肌電幅值個(gè)體差異對(duì)肌肉協(xié)同分析的影響,對(duì)sEMG信號(hào)進(jìn)行MVC歸一化處理[6,19]。MVC歸一化反映了該位置肌肉的激活程度,且保留了各通道之間的比例關(guān)系[22-23]。

MVC歸一化的具體步驟為:對(duì)被試者M(jìn)VC動(dòng)作時(shí)的sEMG信號(hào)做上述的提取包絡(luò)處理,然后計(jì)算滑動(dòng)窗內(nèi)最大平均值,窗長(zhǎng)設(shè)置為250 ms。

最后,利用Teager-Kaiser能量算子[24]自動(dòng)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)起始點(diǎn)和終止點(diǎn),提取sEMG信號(hào)片段,降采樣到200 Hz,并將處理后的片段進(jìn)行串聯(lián)。

2.2 肌肉協(xié)同提取

1999年,Lee和Seung提出了NMF算法,該算法在非負(fù)的約束下可以實(shí)現(xiàn)非線性的降維[25]。因?yàn)镹MF的分解結(jié)果具有非負(fù)約束性,其分解的結(jié)果更具實(shí)際意義[26]。因此,本文選擇NMF算法進(jìn)行肌肉協(xié)同分析。

對(duì)于預(yù)處理后的sEMG信號(hào)X,肌肉協(xié)同提取算法需要找到r個(gè)肌肉協(xié)同及其對(duì)應(yīng)的線性加權(quán)系數(shù),使之能較好地重構(gòu)信號(hào)X,即

Xm×n=Wm×rHr×n+Em×n

(1)

式中:W是肌肉協(xié)同矩陣;H是肌肉協(xié)同的加權(quán)系數(shù)矩陣;E是誤差矩陣;r為肌肉協(xié)同數(shù);m是肌電導(dǎo)聯(lián)數(shù);n為肌電信號(hào)長(zhǎng)度。

NMF是一個(gè)最值優(yōu)化問(wèn)題,在肌肉協(xié)同研究中的求解算法主要有基于歐式距離的乘性迭代算法、基于交替非負(fù)最小二乘法的算法和基于梯度下降的加性算法[27]等?；跉W氏距離的乘性迭代算法具有較優(yōu)的分解效果,但收斂性不穩(wěn)定,可能陷入局部最優(yōu);基于梯度下降的加性算法雖然簡(jiǎn)單但收斂速度慢,迭代過(guò)程易受迭代參數(shù)影響;基于交替非負(fù)最小二乘法的算法即固定一個(gè)矩陣對(duì)另一個(gè)矩陣進(jìn)行優(yōu)化,不斷交替進(jìn)行,可收斂至穩(wěn)定點(diǎn)[28]。

因此,為了避免陷入局部最優(yōu),本文使用了由兩步驟組成的NMF算法,具體如下。

(1)隨機(jī)選擇W和H,并重復(fù)使用20次基于歐式距離的乘性迭代算法運(yùn)行NMF(假設(shè)噪聲符合高斯分布),選擇初步收斂最好的結(jié)果作為矩陣分解結(jié)果。

(2)使用初步收斂結(jié)果最好的W和H作為第二輪NMF分解的初始值,使用基于交替非負(fù)最小二乘法的算法運(yùn)行NMF。

2.3 肌肉協(xié)同數(shù)確定

矩陣X經(jīng)NMF后得到W和H矩陣,但NMF算法需要確定肌肉協(xié)同數(shù)r。通常計(jì)算原始矩陣X和重構(gòu)矩陣X′=WH的變異性占比(RVAF)[9,16,29-30]來(lái)確定協(xié)同數(shù)r,計(jì)算公式為

(2)

RVAF越大,表示重構(gòu)矩陣X′與原始矩陣X越接近。計(jì)算不同協(xié)同數(shù)r下的所有被試者平均的RVAF,具體結(jié)果如圖6所示,圖6中誤差線為標(biāo)準(zhǔn)差,Th為閾值。

圖6 不同動(dòng)作下r與RVAF之間的關(guān)系Fig.6 The relationship between r and RVAF under different movements

以往的研究確定肌肉協(xié)同數(shù)時(shí),RVAF閾值常設(shè)在0.80～0.95之間[21]。因此,為了更好地重構(gòu)信號(hào)并保留原始信息,本文設(shè)定當(dāng)滿足RVAF的均值大于等于95%,且隨著協(xié)同數(shù)r的增加RVAF的增量小于等于1%時(shí)[26],所分解的肌肉協(xié)同數(shù)r作為最佳分解數(shù)。滿足上述條件,得到簡(jiǎn)單、復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的最佳分解數(shù)和模式,見表1、表2,以手伸展分解出的協(xié)同模式HE-1為例進(jìn)行解釋,其中HE表示手伸展,1為編號(hào),其他類同。

表1 簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)的最佳分解數(shù)和協(xié)同模式

表2 復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的最佳分解數(shù)和協(xié)同模式

2.4 協(xié)同模式排序

對(duì)同一動(dòng)作下不同被試者提取到了類似的協(xié)同矩陣W,但提取的協(xié)同模式Wi,j以隨機(jī)順序出現(xiàn),因此需要對(duì)協(xié)同模式根據(jù)相似度進(jìn)行排序,具體步驟如下。

(1)選取被試者k的協(xié)同模式作為初始模板,其順序?yàn)閃k,1,Wk,2,…,Wk,r。

(2)計(jì)算每個(gè)被試者提取的協(xié)同模式與初始模板的余弦相似度[30],計(jì)算公式為

(3)

式中:Wi,j為第i個(gè)被試者提取的第j個(gè)協(xié)同模式;Wk,r為初始模板的第r個(gè)協(xié)同模式;cosθi,k,j,r為Wi,j與Wk,r的余弦相似度。

(4)從相似度矩陣Ri,k找到最大值maxj,r,即第i個(gè)被試者提取的協(xié)同模式Wi,j的順序位置為初始模板中的協(xié)同模式Wk,r的位置,并將相似度矩陣對(duì)應(yīng)的第j行和第r列置為0,重復(fù)步驟(4),依次確定其他協(xié)同模式順序。

(5)計(jì)算所有被試者排序后的協(xié)同模式與該初始模板的平均相似度,選擇其他被試者作為初始模板并重復(fù)步驟(2)～(5)。

(6)找出平均相似度最高的初始模板作為最終排序模板。

2.5 關(guān)聯(lián)性分析

為了研究簡(jiǎn)單、復(fù)雜運(yùn)動(dòng)肌肉協(xié)同模式的關(guān)聯(lián)性,首先構(gòu)建線性組合模型如下式

(4)

其次,利用非負(fù)最小二乘法[17,31]求解系數(shù)mi,k,并對(duì)求解后的系數(shù)mi,k進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,并選取0.2作為貢獻(xiàn)度閾值[17,31]。

最后,選取大于0.2閾值的非負(fù)線性系數(shù)及其對(duì)應(yīng)的簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)協(xié)同模式構(gòu)建重構(gòu)運(yùn)動(dòng)模式,并通過(guò)余弦相似度量化重構(gòu)運(yùn)動(dòng)模式與復(fù)雜運(yùn)動(dòng)協(xié)同模式之間的相似性,以探討簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)和復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的關(guān)聯(lián)性。

3 結(jié)果及討論

3.1 簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)與復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的協(xié)同模式

基于排序后的協(xié)同模式,將所有被試者在簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)和復(fù)雜運(yùn)動(dòng)協(xié)同模式下相關(guān)肌肉的權(quán)值系數(shù)進(jìn)行平均,并對(duì)簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)和復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的協(xié)同模式進(jìn)行分析。

3.1.1 簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)分析

(1)手部動(dòng)作。手部動(dòng)作協(xié)同模式下相關(guān)肌肉的權(quán)值系數(shù)(均值±標(biāo)準(zhǔn)差),如圖7所示。手部動(dòng)作分解的協(xié)同主要由FCU、SFD、ECR、ED 4塊肌肉構(gòu)成。手伸展動(dòng)作主要分解為一個(gè)協(xié)同,模式HE-1以ED為主,ED為前臂后群肌,其可以使得后四指掌指關(guān)節(jié)伸展,同時(shí)HE-1中顯示了FCU、SFD、ECR和ED 4塊肌肉的協(xié)同配合。手屈曲動(dòng)作分解為兩個(gè)協(xié)同,HF-1以SFD為主,SFD為前臂前群肌,負(fù)責(zé)第2～5指的掌指關(guān)節(jié)和近側(cè)指骨間關(guān)節(jié)的屈曲;HF-2中FCU激活度最高,表明FCU對(duì)手屈曲也有一定作用。簡(jiǎn)單手部動(dòng)作的協(xié)同模式中均顯示了4塊肌肉的協(xié)同關(guān)系,表明主要屈肌和主要伸肌會(huì)相互配合。

(a)手伸展

(2)腕部動(dòng)作。腕部動(dòng)作協(xié)同模式下相關(guān)肌肉的權(quán)值系數(shù)(均值±標(biāo)準(zhǔn)差),如圖8所示。腕部動(dòng)作分解的協(xié)同也主要涉及FCU、SFD、ECR、ED 4塊肌肉。腕伸展動(dòng)作主要分解為兩個(gè)協(xié)同,模式WE-1以ED為主,體現(xiàn)該模式與手伸展運(yùn)動(dòng)有關(guān),表明ED除了參與四指掌指關(guān)節(jié)的伸展,還參與腕關(guān)節(jié)的伸展運(yùn)動(dòng);模式WE-2以ECR和ED為主,ECR為前臂后群肌,其主要功能就是伸展腕關(guān)節(jié)。腕屈曲動(dòng)作分解為兩個(gè)協(xié)同,模式WF-1主要由SFD、FCU和ED貢獻(xiàn),尤其是SFD,體現(xiàn)該模式與手屈曲運(yùn)動(dòng)有關(guān),表明SFD雖然主要負(fù)責(zé)指關(guān)節(jié)屈曲,但是也會(huì)支持腕部屈曲;模式WF-2以FCU為主,FCU為前臂前群肌,是腕關(guān)節(jié)屈曲的主要肌肉之一。

(a)腕伸展

(3)肘部動(dòng)作。肘部動(dòng)作協(xié)同模式下相關(guān)肌肉的權(quán)值系數(shù)(均值±標(biāo)準(zhǔn)差),如圖9所示。

(a)肘伸展

肘伸展動(dòng)作分解為兩個(gè)協(xié)同,模式EE-1以TB為主導(dǎo),TB屬于上臂后側(cè)肌群,主要負(fù)責(zé)伸肘;模式EE-2中ED存在較大的肌肉激活度,表明ED對(duì)肘伸展也有一定作用。在肘屈曲動(dòng)作中,模式EF-1中以ECR、FCU、ED和BB為主,表明4塊肌肉協(xié)同配合完成曲肘;模式EF-2以BB為主,BB位于上臂前側(cè),當(dāng)BB收縮時(shí)會(huì)使肘關(guān)節(jié)屈曲。

(4)肩部動(dòng)作。肩部動(dòng)作協(xié)同模式下相關(guān)肌肉的權(quán)值系數(shù)(均值±標(biāo)準(zhǔn)差),如圖10所示。在肩前屈動(dòng)作的協(xié)同模式SF-2中,體現(xiàn)了ABD在肩前屈運(yùn)動(dòng)中起到的重要作用。與此類似,在模式SA-2中,表明MBD在肩外展動(dòng)作起到了主要作用,同時(shí)TB和ABD協(xié)同配合進(jìn)行肩部外展。此外,在簡(jiǎn)單肩部動(dòng)作的協(xié)同模式SF-1和SA-1中表現(xiàn)出MBD、ABD和TB等肌肉之間的協(xié)同關(guān)系。

(a)肩前屈

3.1.2 復(fù)雜運(yùn)動(dòng)分析

復(fù)雜運(yùn)動(dòng)協(xié)同模式下相關(guān)肌肉的權(quán)值系數(shù)(均值±標(biāo)準(zhǔn)差),如圖11所示。復(fù)雜運(yùn)動(dòng)Ⅰ分解出3個(gè)協(xié)同模式,模式ComplexF-1中FCU、SFD、ECR和ED有較大貢獻(xiàn),體現(xiàn)了4塊肌肉之間的協(xié)同配合,反映了該范式主要與手部動(dòng)作或腕部動(dòng)作有關(guān);模式ComplexF-2體現(xiàn)了FCU、ECR、ED和ABD的主要作用,表明與手部動(dòng)作、腕部動(dòng)作和肩部動(dòng)作有關(guān);模式ComplexF-3中ABD和MBD貢獻(xiàn)較大,尤其是ABD,說(shuō)明該模式與簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)的肩前屈有關(guān)。

復(fù)雜運(yùn)動(dòng)Ⅱ分解出3個(gè)協(xié)同模式,模式ComplexA-1中FCU、SFD、ECR和ED有較大貢獻(xiàn),尤其是FCU,表明與手屈曲、腕屈曲動(dòng)作有關(guān);模式ComplexA-2和模式ComplexA-3體現(xiàn)了MBD、ED、FCU和SFD等肌肉的主要作用,尤其是MBD,說(shuō)明這兩個(gè)模式與手部動(dòng)作、腕部動(dòng)作和肩外展動(dòng)作有關(guān)。

3.2 關(guān)聯(lián)性研究

通過(guò)線性擬合,并對(duì)系數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,線性組合的關(guān)系如圖12所示。以復(fù)雜運(yùn)動(dòng)模式ComplexF-1為例,其可以由非零系數(shù)(0.19、0.06、0.51、0.05、0.04、0.04和0.11)及對(duì)應(yīng)的簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)模式(HF-2、WE-2、WF-1、EE-1、EF-2、SF-2和SA-2)構(gòu)成。同理,可以得到其他復(fù)雜運(yùn)動(dòng)協(xié)同模式的構(gòu)成。之后,選取大于0.2的系數(shù)及其對(duì)應(yīng)的簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)協(xié)同模式,用于后續(xù)構(gòu)建重構(gòu)運(yùn)動(dòng)模式。

紅色方框中數(shù)據(jù)為大于0.2閾值的非負(fù)線性系數(shù)圖12 肌肉協(xié)同模式的線性組合關(guān)系Fig.12 Linear combination of muscle synergy patterns

在以往協(xié)同模式的相似性研究中,余弦相似度大于0.75定性為相似,大于0.9定性為非常相似[17,30]。

通過(guò)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)協(xié)同模式與重構(gòu)運(yùn)動(dòng)模式之間的相關(guān)性分析,發(fā)現(xiàn)了協(xié)同模式的保留和合并,如圖13所示。

(a)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)Ⅰ(Fi,i=1,…,5,Fi為大于0.2閾值的非負(fù)線性系數(shù))

在復(fù)雜運(yùn)動(dòng)Ⅰ中,模式ComplexF-1與對(duì)應(yīng)的重構(gòu)運(yùn)動(dòng)模式的余弦相似度為0.899,具有較高的相似度,同時(shí),該重構(gòu)運(yùn)動(dòng)模式僅由WF-1與非線性系數(shù)構(gòu)成。因此,模式ComplexF-1可以由WF-1構(gòu)成,體現(xiàn)了協(xié)同模式的保留;模式ComplexF-2與對(duì)應(yīng)的重構(gòu)運(yùn)動(dòng)模式非常相似,兩者的余弦相似度為0.984,因此模式ComplexF-2可以通過(guò)組合HF-2、WE-1和SF-2來(lái)重構(gòu),體現(xiàn)了復(fù)雜運(yùn)動(dòng)協(xié)同模式為簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)協(xié)同模式的合并;同樣,模式ComplexF-3與對(duì)應(yīng)的重構(gòu)運(yùn)動(dòng)模式的相似度為0.957,說(shuō)明模式ComplexF-3可以由SF-2來(lái)重構(gòu),體現(xiàn)了復(fù)雜運(yùn)動(dòng)協(xié)同模式為簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)協(xié)同模式的保留。

重構(gòu)運(yùn)動(dòng)模式與復(fù)雜運(yùn)動(dòng)Ⅱ的肌肉協(xié)同模式也具有很高的相似度(在0.909～0.995之間)。在復(fù)雜運(yùn)動(dòng)Ⅱ中,模式 ComplexA-1主要由HF-2和WF-1組成,表明與手部屈曲和腕部屈曲運(yùn)動(dòng)有關(guān);模式ComplexA-2由HF-2、WE-1和SA-2組成,體現(xiàn)了協(xié)同模式的合并;模式 ComplexA-3主要由HF-2、WF-1和SA-2組成,表明與手部屈曲、腕部屈曲和肩部外展運(yùn)動(dòng)的組合有關(guān),體現(xiàn)了復(fù)雜運(yùn)動(dòng)協(xié)同模式為簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)協(xié)同模式的線性組合。

4 結(jié) 論

本文基于表面肌電信號(hào),通過(guò)采用非負(fù)張量分解和余弦相似度分析等方法,分別對(duì)簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)和復(fù)雜運(yùn)動(dòng)執(zhí)行過(guò)程中的肌肉協(xié)同狀況進(jìn)行比較分析。研究發(fā)現(xiàn)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)中存在明顯的簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)肌肉協(xié)同模式的保留和合并過(guò)程。從肌肉協(xié)同的角度證明了人體復(fù)雜運(yùn)動(dòng)模式是從簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)提取的基本肌肉協(xié)同模式的基礎(chǔ)上線性組合而來(lái),復(fù)雜運(yùn)動(dòng)與簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)之間還存在共享的基本肌肉協(xié)同模式。本文研究結(jié)果有助于進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)神經(jīng)肌肉運(yùn)動(dòng)控制機(jī)制的認(rèn)識(shí),為肌-機(jī)控制技術(shù)相關(guān)領(lǐng)域研究提供理論基礎(chǔ)。