生物肌电信号的压缩重构方法及检测设备与康复设备

本发明属于生物信号处理，具体涉及生物肌电信号的压缩重构方法及检测设备与康复设备。

背景技术：

1、生物表面肌电信号能够实时检测生物体肌肉神经的状态，在运动训练、运动检测、运动功能评估、生物体康复等过程中往往需要对表面肌电信号进行采集并处理。

2、目前，生物肌电信号采集时，采集频率主要遵循奈奎斯特定理，需要采样频率大于最高频率两倍，因此对采样设备的硬件条件要求较高，能耗较大，并且由于得到的采样数据量庞大而对信号处理设备的信号处理能力要求较高。

3、压缩感知是一种利用信号稀疏性，相较于奈奎斯特理论，能够从较少的采集值还原整个信号的方法。正交匹配追踪是一种压缩感知方法，但是存在仅选择最大的信号值的缺点。因此，研究新的表面肌电信号采集与压缩重构方法，使采样与压缩数据同时完成，并对原始肌电信号进行精确重构，具有重要的理论意义和应用价值。

技术实现思路

1、针对上述技术现状，本发明提供一种生物肌电信号的压缩重构方法，包括如下步骤：

2、(1)采集生物体肌肉表面肌电信号，得到原始信号x，x是一维离散时间信号,x∈rn×1,x＝[x(1),x(2),...,x(n)]t；

3、在实际信号采集过程中，当采集频率较低，得到的采集信号为y，y是一维离散时间信号,y∈rm×1，m＜＜n；

4、采用投影矩阵φ对原始信号x进行投影；

5、y＝φx                     (式1)

6、其中，φ是投影矩阵，包含n个原子(列向量)，φ∈rm×n，m＜＜n；

7、求x在正交变化域ψ中的稀疏向量θ，并且θ中非零系数的数目k满足k＜＜m,则x在ψ域中是k-稀疏的，在正交基向量下对原始信号x进行如下展开处理：

8、

9、其中，ψ是稀疏字典矩阵，ψ∈rn×n；θ是稀疏数向量，θ∈rn×1θ＝[θ1，θ2，...，θn]t，常系数

10、那么，y＝φx＝φψθ(式3)

11、a＝φψ        (式4)

12、其中，a称为感知矩阵，a∈rm×n；

13、所述投影矩阵φ的构造方式不限，包括随机高斯矩阵、伯努利矩阵等。

14、所述稀疏矩阵的构造方式不限，包括余弦矩阵等。

15、(2)利用采集信号y、稀疏字典矩阵ψ、投影矩阵φ和稀疏k计算稀疏向量θ，采用迭代程序逐步逼近原始信号x，包括如下步骤：

16、以下步骤中，t表示迭代次数，表示空集，rt表示第t次迭代残差，st表示第t次迭代找到的索引(列序号)，jt表示第t次迭代的索引(列序号)集合，at表示按索引集合选出的矩阵a的列集合(大小为m×t的矩阵)，aj表示感知矩阵a的第j列，θt表示t×1的列向量，k为稀疏向量θ的非零元素个数，at表示对矩阵a进行转置，符号∪表示集合并运算，<·，·>表示求向量内积。

17、(2-1)初始化：r0＝y，t＝1；

18、(2-2)找到索引st，使得

19、即，计算残差与感知矩阵a的列元素的内积<rt-1，aj>，取出前s个模最大元素下标构成集合st，令jt＝jt-1∪st，更新at＝at-1∪ast；

20、(2-3)求y＝atθt的最小二乘解：

21、(2-4)更新残差：

22、(2-5)t＝t+1，如果t小于k，进入步骤(2)；

23、(2-6)重构所得在jt处有非零项，其值为第t次迭代所得利用计算得到的稀疏向量稀疏字典矩阵ψ可得重构后的原始信号

24、与现有技术相比，本发明基于广义正交匹配追踪重构算法压缩重构生物肌电信号，具有如下有益效果：

25、(1)该方法基于采用随机投影法对原始信号进行压缩采集。该算法的核心是利用信号的稀疏性质，即信号可以表示为少量基向量的线性组合。在原始数据采集压缩后得到的信号稀疏度k的基础上，通过选择最能表示信号的基向量来逐步逼近原始信号。

26、(2)本发明通过重构阶段挑选最匹配原子降低了肌电信号传输以及计算机计算过程中的功耗，同时提升了信号的重构质量。使用该方法提升了肌电信号的压缩重构效果，降低了肌电设备的能耗、降低了硬件条件，在运动训练、运动检测、运动功能评估、生物体康复等中具有良好的应用前景。

27、(3)本发明还提供一种生物肌电信号检测设备，包括用于采集生物机电信号的采集单元，以及对所采集的生物肌电信号进行处理的信号处理单元，所述信号处理单元采用本发明的压缩重构方法获得原始的生物机电信号。

28、(4)本发明还提供一种康复设备，包括用于采集生物机电信号的采集单元，以及对所采集的生物肌电信号进行处理的信号处理单元，所述信号处理单元采用本发明的压缩重构方法获得原始的生物机电信号。

技术特征：

1.一种生物肌电信号的压缩重构方法，其特征是：包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的压缩重构方法，其特征是：投影矩阵φ的构造方式包括随机高斯矩阵与伯努利矩阵。

3.如权利要求1所述的压缩重构方法，其特征是：稀疏字典矩阵ψ的构造方式包括余弦矩阵。

4.一种生物肌电信号检测设备，其特征是：包括对采集的生物肌电信号进行处理的信号处理单元；

5.一种康复设备，其特征是：包括对采集的生物肌电信号进行处理的信号处理单元；所述信号处理单元采用权利要求1、2或3中的压缩重构方法获得原始的生物机电信号。

技术总结
本发明提供生物肌电信号的压缩重构方法及检测设备与康复设备。该方法基于广义正交匹配追踪重构算法压缩重构肌电生物信号，采用随机投影法对原始信号进行压缩采集，在压缩后得到的信号稀疏度K的基础上，通过选择最能表示信号的基向量来逐步逼近原始信号，降低了肌电信号传输以及计算机计算过程中的功耗，同时提升了信号的重构质量，在运动训练、运动检测、运动功能评估、生物体康复等中具有良好的应用前景。

技术研发人员：王潇风,马冶浩
受保护的技术使用者：宁波工程学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16