人手是最神秘、最复杂的生物运动系统之一,其复杂的生理机能和神经结构是认识神经肌肉系统调控多指协同动作和力量共同执行一系列的行为任务机理的一个巨大的挑战。人手的力量动作依赖前臂肌肉的收缩完成,因此sEMG信号可用于评价手指的生物力学特性。本课题以表面肌电为技术手段研究神经肌肉系统对人手的运动控制策略在康复医学、人体工效学、运动医学、神经生理学和运动机能学领域有重要的学术和应用意义。由于传统的两电极记录结构不能检测单个运动单位水平的活动,高密度sEMG信号在基础研究和诊断医学中具有重要价值,但却没得以广泛应用。而限制其应用的部分原因在于sEMG电极系统的加工技术。针对以上问题,本文首先基于柔性电路板加工工艺设计了一种具有较高柔韧性的线性、栅格电极阵列装置。采用的电极载体材料聚酰亚胺(厚50μm)具有较高的机械柔性和易裁切性,表面镀金(厚度2μm)的电极具有较低的阻抗,特制的聚酯双面胶带用于可重复使用的电极阵列装置的固定。电学性能测试表明该电极系统具有较低的阻抗和良好的重复性;稳定的基线、良好的sEMG信号、较低的噪声水平保证了此低成本电极系统的实际可用性。本文采用JHBM型号的电阻应变式压力传感器将指力信息转换成微伏级的电压信号,然后由仪表放大器AD620和运算放大器OP07构成的两级放大电路转换成毫伏级信号,最后经NI公司USB 6008数据采集卡实现指力数据采集。本文利用以上设计的实验装置对多指肌调控手指运动功能的机理进行了初步的探索研究。设计了食指(I)、中指(M)、食指中指(IM)组合三种手指活动模式,其中,单指输出力量由6N、8N、10N、12N四个力量水平组成,组合模式的由8N、12N、16N组成。在任务手指匹配目标力量的过程中,6通道指浅屈肌的sEMG信号利用两维电极阵列被同步采集。根据有效的力量输出段提取相应通道的sEMG信号,对提取的肌电信号进行20-500Hz的带通滤波,然后计算各通道sEMG信号的RMS,Ptotal,Pmax,并构建了Ptotal和Pmax彩色地形图用于指浅屈肌空间激活特性的研究。通过分析,得到以下三点结果:①指浅屈肌激活区域和激活强度随手指输出力量的增加而增加,从8N到12N增加的过程中最高的RMS的位置向桡侧转移;②不同电极位置处RMS对力量变化的灵敏度存在差异;③在相同的力量水平下,FDS的激活模式显著地受手指活动模式的影响,FDS的激活强度和区域要显著的高于本文设计的其他两种手指活动模式。这些初步的实验结果表明,sEMG信号特征值的特性取决于手指力量输出的水平,电极位置和手指活动模式。目前的工作提示手指力量输出水平和手指活动模式影响指浅屈肌运动单位的空间-时域募集特性;sEMG的特征参数,如RMS,Ptotal及Pmax,可用于反映肌肉活动水平,估计手指的活动模式及肌肉的空间激活特性。