1.一种基于肌电信号的多层次运动功能评估方法,其特征在于,其包括以下步骤:步骤1、多通道同步采集肌电数据EMG,并采用分级预处理策略去除EMG中的伪迹,得到多通道EMG信号X={x1,x2,...,xi,...,xn},其中xi表示第i通道EMG数据,n表示肌电通道数量;
步骤2、基于EMG分析的肢体肌肉多层次动态特征分析方法进行建模,获取多层次动态特征{TVDL,CMSH,CFC,TSE,TFNMF,DFC};具体步骤包括:围绕单通道EMG分析的动态时变及复杂尺度特性、双通道EMG分析的异频耦合及传递方向、多通道EMG分析的模块化结构及功能网络三个层面进行方法计算和机制分析,具体过程如下:步骤21,基于单通道EMG分析的动态时变及复杂尺度分析方法建模,提出肌电潜在过程模型和复杂多尺度排序熵模型,分别获取单通道动态特征TVDL和CMSH,构建描述运动单位激活水平的动态时变和复杂尺度特征指标,具体过程如下:步骤211:分析动态时变特征;基于任意通道肌电信号xi={xi,1,xi,2,...,xi,t,...,xi,N}的非平稳性和时变特性,N为数据长度,i为通道序号,基于时变自回归模型和动态线性模型,建立了肌电信号的潜在过程模型的肌电特征提取方案;对EMG数据进行分析,获取体现激活肌肉收缩水平的动态时变特征指标,时变自回归序列TVAR(p)计算如下:式中,xi,t,(t=1,2,...,N)为一个单变量时间序列,φi,t=(φi,t,1,...,φi,t,p)′为时变自回归参数向量,p是时变自回归的阶数,εi,t是随时间变化的零均值独立变量;
基于DLM将肌电信号分解成若干个变量:yi,t=xi,t+vi,t,xi,t=Fi,t′θi,t,θi,t=Gi,tθi,(t‑1)+ωi,t,yi,t表示t时刻的观测阵,vi,t是观测误差方差阵,Fi,t′表示常数向量,Gi,t是状态演化矩阵,θi,t是状态向量,ωi,t是特征值个数对应的时变状态向量,则TVAR(p)的动态线性分解状态矩阵TVDLi,t表示为式中,TVDLi,t中每个分量代表第i通道EMG信号的不同层次时变行为特征;则所有通道肌电信号的复杂时变特征表示为TVDLt对EMG数据进行分析,获取体现激活肌肉收缩水平的动态时变特征指标TVDL;
步骤212:分析复杂尺度特征;引入k阶粗粒化概念并提出复杂多尺度排序熵,首先对第i通道EMG信号xi={xi,1,xi,2,...,xi,t,...,xi,N}进行尺度为τ阶数为k的粗粒化处理,那么粗粒化后第k阶信号表示为: 对尺度为τ时第k阶信号 进行嵌入维数m延迟时间η的空间重构,并对其进行升序排列获取排序模式序号构成符号序列π,计算每种模式出现的次数概率pi(π),则第i通道信号xi在尺度为τ时排序熵 表示为:
式中, 表示第i通道EMG信号在尺度为τ时的排序熵,所有通道EMG数据多尺度排序熵特征表示为 对EMG数据采用上述步骤进行分析,获取体现激活肌肉收缩水平的复杂尺度特征指标CMSH;
步骤22,基于双通道EMG分析的异频耦合和传递方向分析方法建模,提出改进的n:m一致性分析方法同时引入传递谱熵模型,获取双通道动态特征CFC和TSE,构建量化关联肌肉信息传递的异频耦合和传递方向特征指标,具体计算过程如下:步骤221:分析异频耦合特征;针对传统一致性分析方法只能描述线性同频段耦合特征,无法描述肌间交叉频率的耦合关系,在已有n:m一致性分析方法基础上引入显著面积指标,构建改进的n:m一致性分析方法计算信号间线性和非线性耦合关系,设xi和xj分别为肌电信号,则xi和xj间的交叉频率一致性为:式中, 和 为肌电信号频率值, 和 分别为n和m阶自
谱密度函数, 为两信号互谱密度函数,表示为:
式中,θxy(f)表
示两信号在频率f处的相位差, 和 分别是信号xi和xj的自谱密度函数,在此基础上,进一步采用各整数比例下CFC量化指标,并引入代理数据获取CFC显著性水平;对于所获取的肌电数据进行分析,获取体现肌肉信息交互的异频耦合指标CFC;
步骤222:分析传递方向特征,运用动态因果及信息熵理论,应用传递谱熵探究肌肉间信息交互及局部频带特征,对获取的多通道肌电数据进行分析,获取体现肌肉信息交互传递方向特征指标TSE;
步骤23、基于多通道EMG分析的模块化结构及功能网络分析方法建模,获取多通道动态特征TFNMF和DFC,构建体现频域模块化结构及功能连接特性指标。
步骤3、根据获取的{TVDL,CMSH,CFC,TSE,TFNMF,DFC},进行肌肉多层次响应机制及运动功能评估策略的分析;
针对步骤2所获取的{TVDL,CMSH,CFC,TSE,TFNMF,DFC},开展肌肉多层次响应机制及运动功能评估策略分析,在机制分析层面,分析肌肉多层次动态特征间的关联特性并获取其变化规律,构建基于概念属性的多元可视化模型;在功能评估策略研究方面,基于模糊层次法分析多层次动态特征,构建基于肌电多层次特征指标与综合评估策略,具体过程如下:步骤31,分析肢体肌肉多层次动态响应间关联特性分析;
基于{TVDL,CMSH,CFC,TSE,TFNMF,DFC}间关联关系,获取激活肌肉收缩水平、关联肌肉信息交互及功能肌群协同作用的内在关联规则及作用机制;
步骤32,分析肢体肌肉多层次动态响应规律及实现可视化呈现;
基于肌肉动态特征指标,分析肌肉多层次动态响应变化规律,以及肌肉动态响应的变化差异;明确基于运动模式概念属性的多元关联信息,综合描述不同动作模式下动态特征变化及属性规律;
步骤4、根据功能肌群协同作用的模块化结构及功能网络特性,获得针对肢体运动模式异常及功能结构改变的情况,具体步骤为:步骤41、构建多通道肌电时频协同分析模型,描述动作关联肌群时‑频尺度上的协同控制模式;
步骤42、针对特定运动模式下肌肉间的网络结构特征和动态信息传递特性,引入时域小世界网络模型分析多通道肌电动态功能连接特性;
步骤5、确定肢体肌肉多层次动态响应机制及构建运动功能评估策略,具体为:
步骤51、在机制分析层面,分析肌肉多层次动态特征间的关联特性,并获取其变化规律,构建基于概念属性的多元可视化模型;
步骤52、在功能评估策略研究方面,基于模糊层次法分析多层次动态特征,挖掘肢体肌肉多层次动态特征间的关联特性,肢体肌肉动态响应机制,进而评估运动功能。
2.根据权利要求1所述的基于肌电信号的多层次运动功能评估方法,其特征在于,所述步骤41具体为:将多通道肌电进行小波包分解获取子空间;非负矩阵分解协同模块数量方法,并对数据进行分析,获取体现肌肉协同作用的频域模块化结构特征指标。
3.根据权利要求1所述的基于肌电信号的多层次运动功能评估方法,其特征在于,所述步骤42具体为:基于滑动窗口选取肌电数据,计算信号皮尔逊相关系数作为功能耦合水平,建立时域网络;
引入稀疏性法将网络归一为二值化矩阵,并估计时域特征路径;
计算时域全局效率和局部效率量化时域网络的3‑D时空拓扑结构,描述时间网络的整体信息传输效率和对局部故障的恢复能力;
对数据进行分析,为了得到特定运动模式下多肌肉间的功能连接关系,根据有效的多肌肉功能网络分析方法,分析功能肌群内不同肌肉间的网络结构特性。