逢友分享表面肌电技术：驱动智能假肢重塑生命未来

在未来的科幻世界里,机械与生物的边界正在逐渐模糊,而这一切正在通过智能假肢技术成为现实。对于因事故或疾病失去肢体的人来说,假肢不仅仅是一种工具,更是帮助他们重拾生活自信的延续之力。

传统的机械假肢因为不具备感知和自主调节功能,所以只能满足日常生活中相对简单的最基本的辅助运动功能,其性能难以达到截肢者对高质量生活的实际需求。于是,智能假肢应运而生,通过尖端科技赋予机械肢体几乎与人类肢体无异的灵活性、精准性和感知能力。在这项技术的核心驱动中,表面肌电(sEMG)作为与人体运动意图直接对话的桥梁,成为智能假肢突破性能瓶颈的重要基石。

图源:YouTube

表面肌电信号(sEMG)是一种直接来源于人体的生物电信号,具有采集简单、技术成熟的特点,在运动研究和人机交互中起着关键作用。相比语音或视觉信号,表面肌电信号更加直接,能够提供与人体运动相关的丰富信息,包括肌肉力量、刚度、疲劳程度以及收缩速度等。这使得sEMG不仅是人体运动的指示器,还为研究人员和工程师提供了多维度的观察指标。

一个显著优势是,表面肌电信号的产生早于肢体实际运动,因此可以用于预测人体运动意图。相较于依赖物理信号的系统,这种预测能力为操作提供了更高的安全裕度。此外,表面肌电信号由α运动神经元发出,并受大脑皮层控制,不仅适用于正常人群的研究,还适用于肢体残疾患者的运动意图估计。

肌肉运动与感应开关,图源网络

对于失去部分肢体功能的残疾人来说,虽然与无功能肢体相关的肌群可能不再活跃,但他们可以通过训练其他肌群的肌电信号来操作假肢,从而实现相关动作。相比于传统的机械按键或开关操作,表面肌电让用户无需借助外部设备,仅凭肌肉的自然收缩动作就能驱动假肢完成复杂的动作指令。这种“意念化”操控不仅让假肢的使用更加便捷,还极大地提升了用户与假肢之间的交互体验,使假肢从一个工具蜕变为使用者身体的延伸。

事故中痛失右小臂的音乐爱好者,通过智能假肢打破敲鼓速度的吉尼斯世界纪录,图源网络

表面肌电的核心应用体现在智能假肢的控制系统中,通过采集残肢的肌电信号,可以有效捕捉使用者的运动意图,将其转化为假肢的动作指令。最基础的应用是单通道肌电控制,适用于功能较为简单的假肢,例如开合型假手。

用户通过激活单一肌肉群产生肌电信号,驱动假手完成基本的开合动作。这种方法控制逻辑简单,但功能有限,通常用于价格较低、需求基础的假肢。然而,随着多通道肌电技术的引入,控制自由度显著增加。多通道系统通过多个电极捕获不同肌肉群的信号,能够支持手指独立运动、手腕旋转和肘关节屈伸等复杂动作。例如,在一些先进的智能假手中,每根手指都可以单独控制,实现抓握、夹取、托举等多种功能。此外,比例控制技术进一步优化了用户体验,通过实时解码肌电信号的幅值,将肌肉用力的强弱与假肢动作的速度或力度关联,使假肢的动作更加流畅和自然。

模式识别技术是表面肌电控制假肢的一个重要突破点。通过机器学习算法,表面肌电信号可以被分类为多个预定义的动作模式。例如,假肢可以通过模式识别技术解码用户的特定动作意图,如抓握、伸展、旋转等复杂运动。模式识别不仅显著提高了假肢的灵活性,还使得假肢的操作更贴合用户的自然动作逻辑。在假肢适配阶段,用户通常需要经过一定的训练过程,通过多次重复特定的肌肉动作生成训练数据,从而使系统能够学习用户独特的肌肉活动模式。尽管训练需要一定的时间,但对于用户来说,这种技术的引入极大地拓展了假肢的功能性。

除了用于动作控制,表面肌电技术还被用于增强用户与假肢之间的交互感知。一些先进的智能假肢系统配备了触觉反馈机制,能够让用户通过残肢感知假肢与外部环境的接触情况。例如,当假手抓取一个物体时,传感器会捕获到物体的硬度、重量或表面纹理信息,并将这些数据转化为肌肉信号反馈到用户残肢。这种反馈通常通过振动、压力或温度刺激的方式传递,使用户能够更直观地感知假肢的操作效果,从而调整自己的肌肉动作。这种闭环控制系统不仅提高了假肢的操作精度,还增强了用户的身体认同感,使假肢更像是自身的一部分,而不仅仅是一种工具。

此外,表面肌电技术还被用于评估残肢的肌肉功能状态,帮助康复医师制定个性化的治疗方案。例如,在长时间未使用假肢的情况下,残肢肌肉可能出现萎缩或功能减退,通过肌电监测可以有效评估肌肉功能恢复进展,并指导康复训练。

01、Motion Lab表面肌电采集系统

美国Motion Lab Systems公司自1987年以来,一直致力于设计和建立可靠的、具有研究质量的、多通道的肌电信号系统,用于人体运动捕捉和临床肌电研究。几乎可以直接连接到所有的3d动作捕捉和数据收集系统,并有 FDA510(k)为人类临床使用的许可,这是我们通过向 FDA 证明我们的系统本质上是安全的,生物兼容和准确的。

在生物力学、肌电图、功能性电刺激、重复性经颅磁力刺激研究和临床步态研究等方面享有很高的客户支持和服务声誉。

Motion Lab表面肌电采集系统可广泛应用于监测、训练、康复、临床、步态、康复、理疗、疲劳、工厂生产、运动科学、肌肉神经、受伤预防、生物力学、人机交互、运动体育、机器人研究、产品设计研发等领域。

02、DELSYS无线表面肌电测试系统

DELSYS无线表面肌电测试系统是全球知名的表面肌电生产厂家,其中Trigno系列全无线表面肌电系列更是以其佩戴方便、数据精准、多传感器兼容等技术,在众多表面肌电品牌中脱颖而出。其传感器内置肌电、加速度、陀螺仪、磁力计等。而且完全无线,不需用电极片,无缝连接三维动作捕捉、测力台、等速等源代码SDK开放。

最新的delsys trigonIMU肌电传感器,内置三轴加速度计、陀螺仪、磁力计,既可以采集表面肌电、又可做动作捕捉、步态分析等,同时采集肌电、运动学、视频等,通过9自由度传感器测试肌肉的状态以及计算分析人体的三维运动轨迹及步态分析。一套系统多种功能使用。

Trigno™ Avanti 探索人类运动的多模态平台

可以在无约束的动态运动中捕捉运动单元的行为,解析大脑如何控制人体在健康和疾病状态下的功能活动。

03、Cometa无线表面肌电采集系统

miniWave lnfinity是意大利Cometa公司的最新 EMG 表面肌电产品,无论是表面肌电测试技术还是数据记录及存储技术都足够优秀,Cometa在之前的miniWave产品的基础上对miniWave Infinity进行了技术革新:

·传感器内置存储器支持8小本地数据存储(选配);

·无须电脑 PC 就可以远距离控制开始/停止采集(选配);

·即使在系统超出控制范围时依然可以同步采集数据,

·即使传感器内部设置了支持8小时数据存储的内存,传感器机身小于5 立方厘米。

miniWave lnfinity可以与 Wave Plus 数据采集单元配合使用,应用与实验室环境的测试场景;也可以不连接采集单元,多传感器同步、每个传感器本地存储数据、独立使用,应用于户外的一些困难测试场景,包括长距离、长时间的测试场景。

PicoEMG无线表面肌电传感器保留了一些miniWave Infinity传感器的先进技术,例如内置存储器、数据同步技术、内置加速度传感器等。此外,工程师竭尽全力减小机身尺寸和重量,采用了一体式外壳封装,透明的LED信号灯。整个传感器没有任何导线,消除了天线影响,对称式结构设计大大减少了运动伪迹。

PicoEMG体积小,电池续航时间长,无导线,粘贴简单,可以应用于长时间的步态测试,甚至可以进行全天的步态测试以及儿童的肌电测试。可以适配Wave Plus数据采集单元,支持32通道同步EMG 采集。传感器尺寸为41x16x7mm,重量为7.6g,其它技术规格与miniWave Infinity传感器的完全一致。

未来,表面肌电技术在智能假肢中的发展前景广阔,随着深度学习算法的成熟,肌电信号解码的准确性和效率将进一步提高,这将显著减少用户训练时间并提升假肢操作的自然性。

同时,多模态传感器融合技术将逐步普及,通过结合肌电信号与其他生物信号(如压力分布、加速度等),假肢系统将能够获取更加全面的用户意图信息。此外,便携式和无线化的表面肌电设备将进一步提升用户的使用便利性,使假肢更加轻便、灵活。个性化技术的发展也将使假肢能够针对用户的残肢特性、生活习惯进行优化,提供更高的适配度。