RU2839398C1 - Method for classification of muscular fatigue based on analysis of wavelet transformation of segments of motor activity of electromyosignal - Google Patents
Method for classification of muscular fatigue based on analysis of wavelet transformation of segments of motor activity of electromyosignal Download PDFInfo
- Publication number
- RU2839398C1 RU2839398C1 RU2024131858A RU2024131858A RU2839398C1 RU 2839398 C1 RU2839398 C1 RU 2839398C1 RU 2024131858 A RU2024131858 A RU 2024131858A RU 2024131858 A RU2024131858 A RU 2024131858A RU 2839398 C1 RU2839398 C1 RU 2839398C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- muscle fatigue
- fatigue
- muscle
- scale
- determined
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 42
- 230000037023 motor activity Effects 0.000 title claims abstract description 13
- 230000003387 muscular Effects 0.000 title abstract 2
- 230000009466 transformation Effects 0.000 title description 2
- 206010049565 Muscle fatigue Diseases 0.000 claims abstract description 87
- 210000003205 muscle Anatomy 0.000 claims abstract description 37
- 239000013598 vector Substances 0.000 claims abstract description 29
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims abstract description 17
- 238000010801 machine learning Methods 0.000 claims abstract description 11
- 238000011990 functional testing Methods 0.000 claims abstract description 9
- 208000037265 diseases, disorders, signs and symptoms Diseases 0.000 claims abstract description 5
- 238000012549 training Methods 0.000 claims description 9
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 7
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 claims description 6
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 4
- 230000000638 stimulation Effects 0.000 claims description 4
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 3
- 210000002346 musculoskeletal system Anatomy 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 201000010099 disease Diseases 0.000 abstract description 2
- 239000003814 drug Substances 0.000 abstract description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 abstract description 2
- 238000013517 stratification Methods 0.000 abstract description 2
- 230000011218 segmentation Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 206010016256 fatigue Diseases 0.000 description 16
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 9
- 230000008569 process Effects 0.000 description 8
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 6
- 230000008602 contraction Effects 0.000 description 5
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 5
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 4
- 238000002567 electromyography Methods 0.000 description 4
- 230000006870 function Effects 0.000 description 4
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 3
- 208000018360 neuromuscular disease Diseases 0.000 description 2
- 210000002027 skeletal muscle Anatomy 0.000 description 2
- 210000001364 upper extremity Anatomy 0.000 description 2
- NAWXUBYGYWOOIX-SFHVURJKSA-N (2s)-2-[[4-[2-(2,4-diaminoquinazolin-6-yl)ethyl]benzoyl]amino]-4-methylidenepentanedioic acid Chemical compound C1=CC2=NC(N)=NC(N)=C2C=C1CCC1=CC=C(C(=O)N[C@@H](CC(=C)C(O)=O)C(O)=O)C=C1 NAWXUBYGYWOOIX-SFHVURJKSA-N 0.000 description 1
- QEIQEORTEYHSJH-UHFFFAOYSA-N Armin Natural products C1=CC(=O)OC2=C(O)C(OCC(CCO)C)=CC=C21 QEIQEORTEYHSJH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 206010013801 Duchenne Muscular Dystrophy Diseases 0.000 description 1
- 206010033892 Paraplegia Diseases 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 238000013528 artificial neural network Methods 0.000 description 1
- 230000000443 biocontrol Effects 0.000 description 1
- 238000013480 data collection Methods 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 1
- 208000035475 disorder Diseases 0.000 description 1
- 230000003203 everyday effect Effects 0.000 description 1
- 210000000245 forearm Anatomy 0.000 description 1
- 230000036541 health Effects 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 230000004118 muscle contraction Effects 0.000 description 1
- 230000004220 muscle function Effects 0.000 description 1
- 210000001087 myotubule Anatomy 0.000 description 1
- 210000005036 nerve Anatomy 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 238000011002 quantification Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000002459 sustained effect Effects 0.000 description 1
- 230000002195 synergetic effect Effects 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 1
- 230000002747 voluntary effect Effects 0.000 description 1
- 210000000707 wrist Anatomy 0.000 description 1
Abstract
Description
Данное техническое решение относится к области медицинских реабилитирующих устройств и робототехники, в частности к способам и системам для управления экзоскелетом при реабилитации людей с заболеваниями, приводящими к нарушениям опорно-двигательного аппарата и костно-мышечной системы, а также для использования в качестве человеко-машинных интерфейсов промышленных экзоскелетов.This technical solution relates to the field of medical rehabilitation devices and robotics, in particular to methods and systems for controlling an exoskeleton during the rehabilitation of people with diseases leading to disorders of the musculoskeletal system and musculoskeletal system, as well as for use as human-machine interfaces for industrial exoskeletons.
Мышечная усталость определяется как «неспособность поддерживать требуемую или ожидаемую силу». Это сложное явление, наблюдаемое в повседневной жизни, которое вызвало большой интерес в областях спорта, медицины, робототехники и эргономики. Для многих пациентов с нервно-мышечными нарушениями учет мышечной усталости имеет решающее значение при разработке эффективных программ реабилитации, а оценка усталости может предоставить важную информацию о функции скелетных мышц, а также необходимость ассистирующих моментов в промышленных и медицинских экзоскелетах.Muscle fatigue is defined as “the inability to maintain the required or expected force.” It is a complex phenomenon observed in everyday life that has generated great interest in the fields of sports, medicine, robotics, and ergonomics. For many patients with neuromuscular disorders, taking muscle fatigue into account is critical in developing effective rehabilitation programs, and fatigue assessment can provide important information about skeletal muscle function and the need for assistive devices in industrial and medical exoskeletons.
В настоящее время в клинической практике мышечная усталость оценивается с помощью качественных рейтинговых шкал, таких как тест 6-минутной ходьбы (6MWT) [McDonald CM, Henricson EK, Han JJ, Abresch RT, Nicorici A, Elfring GL, Atkinson L, Reha A, Hirawat S, Miller LL. Тест с 6-минутной ходьбой как новый метод оценки результатов при мышечной дистрофии Дюшенна. Muscle Nerve. 2010; 41(4):500-10. https://doi.org/10.1002/mus.21544] или с помощью субъективных опросников, назначаемых пациенту, например, Многомерный перечень усталости (MFI), Шкала тяжести усталости (FSS) и Визуальная аналоговая шкала (VAS) [Лу Дж. С., Вайс М. Д., Картер Г. Оценка и лечение усталости при нервно-мышечных заболеваниях. Am J Hosp Palliat Med. 2010; 27(2):145-57. https://doi.org/10.1177/1049909109358420]. Затруднения в использовании этой и аналогичных шкал обусловлены значительным диапазоном величин мышечной силы между оценками в 4 и 5 баллов.Currently, in clinical practice, muscle fatigue is assessed using qualitative rating scales such as the 6-minute walk test (6MWT) [McDonald CM, Henricson EK, Han JJ, Abresch RT, Nicorici A, Elfring GL, Atkinson L, Reha A, Hirawat S, Miller LL. The 6-minute walk test as a new outcome measure in Duchenne muscular dystrophy. Muscle Nerve. 2010; 41(4):500-10. https://doi.org/10.1002/mus.21544] or by subjective questionnaires administered to the patient, such as the Multidimensional Fatigue Inventory (MFI), Fatigue Severity Scale (FSS), and Visual Analogue Scale (VAS) [Lu JS, Weiss MD, Carter G. Assessment and treatment of fatigue in neuromuscular diseases. Am J Hosp Palliat Med. 2010; 27(2):145-57. https://doi.org/10.1177/1049909109358420]. The difficulty in using this and similar scales is due to the significant range of muscle strength values between scores of 4 and 5.
В биотехнических системах реабилитационного типа поверхностная электромиография (sEMG) является неинвазивным и широко используемым методом оценки мышечной усталости. Некоторые характеристики сигнала sEMG могут быть индикаторами мышечной усталости. Например, во время субмаксимальных задач мышечная усталость будет проявляться снижением скорости и частоты проводимости мышечных волокон и увеличением амплитуды сигнала sEMG [Цифрек М., Медвед В., Тонкович С., Остойич С. Оценка мышечной усталости в биомеханике на основе поверхностной ЭМГ. Clin Biomech. 2009; 24(4):327-40. https://doi.org/10.1016/j.clinbiomech.2009.01.010]. Тенденция и скорость изменения будут зависеть от интенсивности задачи: как правило, амплитуда sEMG, увеличивается во время субмаксимальных усилий и уменьшается во время максимальных усилий; кроме того, наблюдается значительно большее снижение частотного содержания сигнала во время максимальных усилий по сравнению с субмаксимальными [Carr JC, Beck TW, Ye X, Wages NP. Интенсивно-зависимый ответ sEMG для двуглавой мышцы плеча во время устойчивых максимальных и субмаксимальных изометрических сокращений. Eur J Appl Physiol. 2016; 116(9):1747-55. https://doi.org/10.1007/s00421-016-3435-6]. Соответственно, спектральные (например, средняя частота) и амплитудные параметры (например, среднеквадратичное отклонение (RMS)) сигналов могут использоваться для измерения мышечной усталости [Каль Л., Хофманн У. Г. Сравнение алгоритмов количественной оценки мышечной усталости в мышцах верхних конечностей на основе сигналов sEMG. Med Eng Phys. 2016; 38(11):1260-9. https://doi.org/10.1016/j.medengphy.2016.09.009; González-Izal M, Malanda A, Navarro-Amézqueta I, Gorostiaga EM, Mallor F, Ibañez J, Izquierdo M. Спектральные индексы ЭМГ и утомление мышечной силы во время динамических сокращений. J Electromyogr Kinesiol. 2010; 20(2):233-40. https://doi.org/10.1016/j.jelekin.2009.03.011], однако для правильной интерпретации необходимо указать контекст типа и интенсивности сокращения. Значительная проблема большинства существующих протоколов оценки мышечной усталости заключается в том, что они полагаются на количественную оценку максимальной потери произвольной силы, максимального произвольного сокращения мышц (MVC) [Каль Л., Хофманн У.Г. Сравнение алгоритмов количественной оценки мышечной усталости в мышцах верхних конечностей на основе сигналов ЭМГ. Med Eng Phys. 2016; 38(11):1260-9. https://doi.org/10.1016/j.medengphy.2016.09.009; González-Izal M, Malanda A, Navarro-Amézqueta I, Gorostiaga EM, Mallor F, Ibañez J, Izquierdo M. Спектральные индексы ЭМГ и утомление мышечной силы во время динамических сокращений. J Electromyogr Kinesiol. 2010; 20(2):233-40. https://doi.org/10.1016/j.jelekin.2009.03.011] или высокоутомительных динамических задач [Oliveira ASC, Gonçalves M, Cardozo AC, Barbosa FSS. Электромиографический порог усталости двуглавой мышцы плеча во время динамического сокращения. Electromyogr Clin Neurophysiol. 2005; 45(3):167-75], которые невозможно надежно выполнить в клинической практике, особенно в случае, если пациенты - дети.In biotechnical rehabilitation systems, surface electromyography (sEMG) is a non-invasive and widely used method for assessing muscle fatigue. Some characteristics of the sEMG signal can be indicators of muscle fatigue. For example, during submaximal tasks, muscle fatigue will be manifested by a decrease in the velocity and frequency of muscle fibers and an increase in the amplitude of the sEMG signal [Cifrek M, Medved V, Tonkovich S, Ostojic S. Assessment of muscle fatigue in biomechanics based on surface EMG. Clin Biomech. 2009; 24(4):327-40. https://doi.org/10.1016/j.clinbiomech.2009.01.010 ]. The trend and rate of change will depend on the intensity of the task: as a rule, the sEMG amplitude increases during submaximal efforts and decreases during maximal efforts; Moreover, a significantly greater reduction in the frequency content of the signal is observed during maximal efforts compared to submaximal ones [Carr JC, Beck TW, Ye X, Wages NP. Intensity-dependent sEMG response of the biceps brachii during sustained maximal and submaximal isometric contractions. Eur J Appl Physiol. 2016; 116(9):1747–55. https://doi.org/10.1007/s00421-016-3435-6 ]. Accordingly, spectral (e.g., mean frequency) and amplitude parameters (e.g., root mean square deviation (RMS)) of the signals can be used to measure muscle fatigue [Kahl L, Hofmann UG. Comparison of algorithms for quantitative assessment of muscle fatigue in upper limb muscles based on sEMG signals. Med Eng Phys. 2016; 38(11):1260-9. https://doi.org/10.1016/j.medengphy.2016.09.009 ; González-Izal M, Malanda A, Navarro-Amézqueta I, Gorostiaga EM, Mallor F, Ibañez J, Izquierdo M. EMG spectral indices and muscle force fatigue during dynamic contractions. J Electromyogr Kinesiol. 2010; 20(2):233-40. https://doi.org/10.1016/j.jelekin.2009.03.011 ], however, the context of the contraction type and intensity must be specified for correct interpretation. A significant problem with most existing muscle fatigue assessment protocols is that they rely on quantifying the maximal loss of voluntary force, the maximal voluntary muscle contraction (MVC) [Kahl L, Hofmann UG. Comparison of EMG-based muscle fatigue quantification algorithms in upper limb muscles. Med Eng Phys. 2016; 38(11):1260-9. https://doi.org/10.1016/j.medengphy.2016.09.009 ; González-Izal M, Malanda A, Navarro-Amézqueta I, Gorostiaga EM, Mallor F, Ibañez J, Izquierdo M. EMG spectral indices and muscle force fatigue during dynamic contractions. J Electromyogr Kinesiol. 2010; 20(2):233-40. https://doi.org/10.1016/j.jelekin.2009.03.011] or highly fatiguing dynamic tasks [Oliveira ASC, Gonçalves M, Cardozo AC, Barbosa FSS. Electromyographic fatigue threshold of the biceps brachii during dynamic contraction. Electromyogr Clin Neurophysiol. 2005; 45(3):167-75] that cannot be reliably performed in clinical practice, especially in pediatric patients.
В процессе двигательной активности задействуется ряд мышц, которые участвуют в выполняемом движении. Эти мышцы называют синергистами. Синергисты - это группа мышц, работающих однонаправленно. Мышечная синергия - это согласованная локальная и временная активность множества мышц, которые связаны друг с другом, чтобы поддерживать высокую производительность выполнения тестового движения или технологической операции. Один из основополагающих принципов динамической системы - самоорганизация. Иными словами, когда система объединяет отдельные части управляющего процесса в целое, ее элементы совместно ведут себя упорядоченным образом. Эта система может достигать скоординированных действий без необходимости выдачи инструкций вышестоящим центром. В процессе нарастания мышечной усталости синхронность работы мышц-синергистов нарушается, и синергия падает. На этой основе предложено ряд технических решений для объективной оценки мышечной усталости по результатам анализа многоканальных sEMG.During motor activity, a number of muscles are involved in the movement being performed. These muscles are called synergists. Synergists are a group of muscles working in one direction. Muscle synergy is a coordinated local and temporary activity of many muscles that are connected to each other to maintain high performance of a test movement or technological operation. One of the fundamental principles of a dynamic system is self-organization. In other words, when a system combines individual parts of a control process into a whole, its elements behave in an orderly manner. This system can achieve coordinated actions without the need for instructions from a higher center. As muscle fatigue increases, the synchronicity of the synergist muscles is disrupted and synergy decreases. On this basis, a number of technical solutions have been proposed for an objective assessment of muscle fatigue based on the results of multichannel sEMG analysis.
Так сущность способа контроля мышечной усталости на основе анализа паттернов синергии [Clinical Model to the Analysis of Synergy Pattern Changes of Back Muscles and its Relationship with the Occurrence of Fatigue/Armin HakKak Moghaddam Torbati, Ehsan Tahami and Hamid Reza Kobravi // The Open Bioinformatics Journal, 2018, 11, 53-60. DOI: 10.2174/1875036201811010052] состоит в том, что на основе анализа sEMG, снятых с различных мышц - синергистов, поддерживающих выполнение одного и того же тестового движения, формировались дескрипторы для обучаемого классификатора, который дискриминировал мышечную усталость на три уровня. В обучающих выборках, формируемых на основе этих дескрипторов, выделялись три кластера усталости мышц в 15-минутном тестовом задании. Уровни усталости мышц определялись на основе экспериментальных исследований, которые фиксировали изменения паттернов sEMG во времени. Экспериментально было установлено, что паттерны sEMG мышц внезапно изменялись на девяностой и на шестисотой секунде выполнения тестовой мышечной нагрузки, что и являлось границами дискриминируемых кластеров.Thus, the essence of the method for monitoring muscle fatigue based on the analysis of synergy patterns [Clinical Model to the Analysis of Synergy Pattern Changes of Back Muscles and its Relationship with the Occurrence of Fatigue/Armin HakKak Moghaddam Torbati, Ehsan Tahami and Hamid Reza Kobravi // The Open Bioinformatics Journal, 2018, 11, 53-60. DOI: 10.2174/1875036201811010052] is that, based on the analysis of sEMG taken from various synergist muscles supporting the performance of the same test movement, descriptors were formed for a trainable classifier that discriminated muscle fatigue at three levels. In the training samples formed on the basis of these descriptors, three clusters of muscle fatigue were identified in a 15-minute test task. Muscle fatigue levels were determined based on experimental studies that recorded changes in sEMG patterns over time. It was experimentally established that muscle sEMG patterns suddenly changed at the ninetieth and six hundredth second of the test muscle load, which were the boundaries of the discriminated clusters.
Основным недостатком этого способа является то, что при формировании кластеров мышечной усталости используют временной подход, тогда как в реабилитационных биотехнических системах и в промышленных роботах необходимо формировать кластеры усталости по соотношению функциональных возможностей оператора или пациента и величине текущей мышечной нагрузки.The main disadvantage of this method is that a time-based approach is used to form muscle fatigue clusters, whereas in rehabilitation biotechnical systems and industrial robots it is necessary to form fatigue clusters based on the ratio of the functional capabilities of the operator or patient and the magnitude of the current muscle load.
Еще один способ, основанный на принципе синергетического мышечного взаимодействия, и который также может быть рассмотрен в качестве аналога, представлен в [Способ оценки мышечной усталости на основе контроля паттернов синергии и устройство для его осуществления / Филист С.А., Трифонов А.А., Кузьмин А.А., Сафронов Р.И., Петрунина Е.В. Патент на изобретение 2766764 C1, 15.03.2022. Заявка №2021105609 от 04.03.2021]. Паттерны мышечной синергии в этом способе, в отличие от способа, описанного выше, формируются посредством образования в каждом канале sEMG частотного и амплитудного подканалов и определения показателя корреляции сигналов в частотных подканалах всех каналов sEMG и показателя корреляции сигналов в амплитудных подканалах всех каналов sEMG. Классификация полученных паттернов синергии осуществляется блока нечеткого логического вывода, на основе результатов которой принимается решение по оценки мышечной усталости.Another method based on the principle of synergistic muscle interaction, and which can also be considered as an analogue, is presented in [Method for assessing muscle fatigue based on monitoring synergy patterns and a device for its implementation / Filist S.A., Trifonov A.A., Kuzmin A.A., Safronov R.I., Petrunina E.V. Patent for invention 2766764 C1, 03/15/2022. Application No. 2021105609 dated 03/04/2021]. Muscle synergy patterns in this method, in contrast to the method described above, are formed by forming frequency and amplitude subchannels in each sEMG channel and determining the correlation index of signals in the frequency subchannels of all sEMG channels and the correlation index of signals in the amplitude subchannels of all sEMG channels. The classification of the obtained synergy patterns is carried out by the fuzzy logical inference block, based on the results of which a decision is made to assess muscle fatigue.
Основным недостатком этого способа является то, что в нем используется многоканальный анализ sEMG, тогда как в ряде задач диагностики и реабилитации требуется контролировать функциональное состояние конкретной мышцы.The main disadvantage of this method is that it uses multichannel sEMG analysis, whereas in a number of diagnostic and rehabilitation tasks it is necessary to monitor the functional state of a specific muscle.
В качестве прототипа был выбран способ классификации мышечной усталости, который основан на мониторинге эволюции показателей одноканальной sEMG. Реализация способа включает следующие процедуры:A method for classifying muscle fatigue based on monitoring the evolution of single-channel sEMG indicators was chosen as a prototype. The implementation of the method includes the following procedures:
1. Сбора данных (запись одноканальной sEMG с соответствующей мышцы).1. Data collection (single-channel sEMG recording from the corresponding muscle).
2. Вычисление непрерывного вейвлет-преобразования (CWT) sEMG каждые 25 секунд. Расчет CWT каждые 25 секунд предлагается для удовлетворения минимальных требований к количеству данных, с которыми можно работать, и медицинских требований, которые защищают здоровье пациента.2. Calculate the continuous wavelet transform ( CWT ) of sEMG every 25 seconds. Calculating the CWT every 25 seconds is proposed to meet the minimum requirements for the amount of data that can be handled and the medical requirements that protect the patient's health.
3. Расчет общей энтропии вейвлета (TWE) для вейвлет-коэффициентов на каждом интервале. Определение TWE основано на принципе энтропии Шеннона, определяемой как3. Calculate the total wavelet entropy ( TWE ) for the wavelet coefficients at each interval. The definition of TWE is based on the principle of Shannon entropy, defined as
, ,
где p i - распределение вероятностей или относительная энергия вейвлета (RWE) в заданном масштабе:where p i is the probability distribution or relative wavelet energy ( RWE ) at a given scale:
, ,
где k - номер отсчета вейвлет-коэффициента на масштабе с номером i.where k is the sample number of the wavelet coefficient on the scale with number i .
Для количественной оценки приращения энергии была выбрана общая (глобальная) энтропия вейвлетов (TWE), поскольку она показала лучшие результаты, чем другие классификаторы энергии вейвлета. TWE определяется как:To quantify the energy gain, the total (global) wavelet entropy ( TWE) was chosen because it performed better than other wavelet energy classifiers. TWE is defined as:
, ,
где N - максимальный масштаб, используемый в вейвлет-анализе.where N is the maximum scale used in wavelet analysis.
4. Расчет процента роста TWE в интервалах по 25 секунд (по отношению к первым 25 секундам).4. Calculation of the percentage of TWE growth in 25-second intervals (relative to the first 25 seconds).
5. Уровни мышечной усталости определяются определяются на основе процентного роста TWE: рост 1%-136% - первый уровень утомления, рост 137%-199% - второй уровень утомления, рост 200%-280% третий уровень утомления, выше 281% - четвертый уровень утомления.5. Muscle fatigue levels are determined based on the percentage increase in TWE : an increase of 1%-136% is the first level of fatigue, an increase of 137%-199% is the second level of fatigue, an increase of 200%-280% is the third level of fatigue, and above 281% is the fourth level of fatigue.
Этот способ был использован для биоуправления электростимуляцией мышц в биотехнических системах реабилитационного типа, например, электростимуляция должна быть остановлена на уровне мышечного утомления равного двум [Victoria A. Salazar Herrera, J. Franklin Andrade Romero, Mauricio Amestegui Moreno. Algorithm of detection and alert of muscle fatigue in paraplegic patients, by Digital Signal Proccesing of Sur-face Electromyogram // IWSSIP 2010 - 17th International Conference on Systems, Signals and Im-age Processing. Pp. 530-533].This method has been used for biocontrol of muscle electrical stimulation in biotechnical rehabilitation systems, for example, electrical stimulation should be stopped at a muscle fatigue level equal to two [Victoria A. Salazar Herrera, J. Franklin Andrade Romero, Mauricio Amestegui Moreno. Algorithm of detection and alert of muscle fatigue in paraplegic patients, by Digital Signal Proccesing of Surface Electromyogram // IWSSIP 2010 - 17th International Conference on Systems, Signals and Image Processing. Pp. 530-533].
К недостаткам данного способа можно отнести отсутствие возможности адаптации шкалы мышечной усталости к индивидуальным физическим возможностям пациента или оператора, что, в частности, затрудняет формирование дата сет для систем машинного обучения по показателям sEMG, а также то, что в этом способе учитываются только эволюции вейвлетов либо только во времени, либо глобальная эволюция, то есть при построении дескрипторов не дифференцируется эволюция вейвлетов по частоте и по времени в соответствующих двадцати пяти секундных окнах.The disadvantages of this method include the lack of the ability to adapt the muscle fatigue scale to the individual physical capabilities of the patient or operator, which, in particular, complicates the formation of data sets for machine learning systems based on sEMG indicators, as well as the fact that this method takes into account only the evolution of wavelets, either only in time or global evolution, i.e. when constructing descriptors, the evolution of wavelets by frequency and by time in the corresponding twenty-five second windows is not differentiated.
Технической задачей предлагаемого способа является снижение ошибки классификации уровней мышечной усталости посредством использования в качестве классификаторов моделей машинного обучения.The technical objective of the proposed method is to reduce the error in classifying muscle fatigue levels by using machine learning models as classifiers.
Поставленная задача достигается тем, что в известном способе оценки мышечной усталости, заключающемся в получении sEMG сигнала с мышцы, принимающей участие в тестовой функциональной пробе или технологической операции, сегментации его по определенному правилу, позволяющему сформировать временную последовательность сегментов, определении полученных этих сегментов для последующего исследования их энергетической эволюции и построении дескрипторов для классификатора мышечной усталости, для стратификации мышечной усталости в текущий период функциональной пробы исследуют вейвлет-плоскость сегмента sEMG, соответствующего интервалу двигательной активности в текущем периоде функциональной пробы, и на основе ее анализа формируют два вектора дескрипторов, первый из которых определяется путем вычисления глобальной энтропии вейвлетов в строках (масштабах) вейвлет-плоскости, а второй определяется путем вычисления глобальной энтропия вейвлетов в столбцах вейвлет-плоскости, при этом во второй вектор дескрипторов включают только компоненты, которые превышают пороговое значение, установленное таким образом, чтобы оно принимало максимальное значение порога, не приводящее к пропуску индексов внутри оставшейся последовательности компонентов вектора.The stated task is achieved by the fact that in the known method of assessing muscle fatigue, which consists in obtaining an sEMG signal from a muscle participating in a test functional test or technological operation, segmenting it according to a certain rule that allows forming a time sequence of segments, determining these obtained segments for subsequent study of their energy evolution and constructing descriptors for a muscle fatigue classifier, for stratification of muscle fatigue in the current period of the functional test, the wavelet plane of the sEMG segment corresponding to the interval of motor activity in the current period of the functional test is studied, and based on its analysis, two vectors of descriptors are formed, the first of which is determined by calculating the global entropy of wavelets in the rows (scales) of the wavelet plane, and the second is determined by calculating the global entropy of wavelets in the columns of the wavelet plane, while the second vector of descriptors includes only components that exceed the threshold a value set so that it takes on the maximum threshold value that does not result in skipping indices within the remaining sequence of vector components.
Для формирования обучающей выборки для обучения классификатора мышечной усталости из дата сет, полученного на основе вейвлет-анализа сегментов sEMG, для каждого пациента из экспериментальной группы определяется индивидуальная шкала мышечной усталости путем двухэтапного эксперимента с тестовой нагрузкой, на первом этапе которого устанавливается предельная мышечная усталость, определяемая показателем нагрузка-время, при равной для всех пациентов нагрузке на тестируемую мышцу, а на втором этапе, который осуществляется после выполнения первого этапа всеми пациентами экспериментальной группы, определяется среднее время достижения предельной мышечной усталости в экспериментальной группе, после чего устанавливается тестовая нагрузка для каждого пациента таким образом, чтобы мышечная усталость для каждого пациента достигла своего предельного значения за установленное среднее время.In order to form a training sample for training the muscle fatigue classifier from the data set obtained based on the wavelet analysis of sEMG segments, an individual muscle fatigue scale is determined for each patient from the experimental group by means of a two-stage experiment with a test load, at the first stage of which the maximum muscle fatigue is established, determined by the load-time indicator, with the same load on the tested muscle for all patients, and at the second stage, which is carried out after all patients in the experimental group have completed the first stage, the average time to reach the maximum muscle fatigue in the experimental group is determined, after which the test load is established for each patient in such a way that muscle fatigue for each patient reaches its maximum value within the established average time.
На фиг. 1 представлена структурная схема устройства, осуществляющего предлагаемый способ.Fig. 1 shows a structural diagram of a device implementing the proposed method.
На фиг. 2 представлена структурная схема миоэлектронного устройства считывания на примере одного канала ЭМГ.Fig. 2 shows a structural diagram of a myoelectronic reading device using one EMG channel as an example.
На фиг. 3 показаны эпюры электромиосигнала. На фиг. 3а - запись нескольких периодов двигательной активности, а на фиг. 3б сегмент электромиосигнала, соответствующий двигательной активности исследуемой мышцы.Fig. 3 shows the diagrams of the electromyosignal. Fig. 3a is a recording of several periods of motor activity, and Fig. 3b is a segment of the electromyosignal corresponding to the motor activity of the muscle being studied.
На фиг. 4 представлена вейвлет-плоскость электромиосигнала, графическое представление которого показано на фигуре 3б.Fig. 4 shows the wavelet plane of the electromyosignal, the graphical representation of which is shown in Figure 3b.
На фиг. 5 представлены временные диаграммы, иллюстрирующие процесс формирование Строба.Fig. 5 shows timing diagrams illustrating the process of strobe formation.
На фиг. 6 представлена схема алгоритма формирования двух векторов дескрипторов.Fig. 6 shows a diagram of the algorithm for generating two descriptor vectors.
На фиг. 7 представлена схема алгоритма блока сокращения размерности второго вектора дескрипторов.Fig. 7 shows the diagram of the algorithm for reducing the dimensionality of the second vector of descriptors.
На фиг. 8 представлена структура классификатора мышечной усталости, построенного по мультиагентной идеологии.Fig. 8 shows the structure of the muscle fatigue classifier built according to the multi-agent ideology.
На фиг. 9 представлен общий вид кисти с динамометром при проведении эксперимента по построению универсальной шкалы мышечной усталости.Fig. 9 shows a general view of the hand with a dynamometer during an experiment to construct a universal scale of muscle fatigue.
Фиг. 10 иллюстрирует процесс формирования из индивидуальных шкал мышечной усталости универсальной шкалы мышечной усталости.Fig. 10 illustrates the process of forming a universal muscle fatigue scale from individual muscle fatigue scales.
Устройство фиг. 1 состоит из последовательно соединенных миоэлектронного устройства считывания (МЭУС) 1, аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 2, блока вычисления RMS 3, формирователь строба (ФС) 4, блок формирования сегмента (БФС) 5, блок вейвлет - преобразования сегмента (БВПС) 6, блок формирования дескрипторов (БФД) 7 и классификатор МУ 8. При этом блоки 2, 3, 4 и 5 выполнены на базе микроконтроллера 9, а блоки 6, 7 и 8 выполнены на базе ПЭВМ 10.The device in Fig. 1 consists of a series-connected myoelectronic reading device (MERD) 1, an analog-to-digital converter (ADC) 2, an RMS calculation unit 3, a strobe generator (SG) 4, a segment formation unit (SFU) 5, a wavelet segment transformation unit (WST) 6, a descriptor formation unit (DFU) 7 and a classifier MU 8. In this case, units 2, 3, 4 and 5 are implemented on the basis of a microcontroller 9, and units 6, 7 and 8 are implemented on the basis of a PC 10.
Миоэлектронное устройство считывания фиг. 2 состоит из последовательно соединенных блока электродов 11, усилителя биопотнциалов 12 и полосно-пропускающего фильтра 13.The myoelectronic reading device Fig. 2 consists of a series-connected block of electrodes 11, a biopotential amplifier 12 and a band-pass filter 13.
Сущность способа заключается в получении вейвлет-преобразования (CWT) сегмента sEMG, который во временном интервале соответствует двигательной активности исследуемой мышцы, с последующим получением дескрипторов для использования их в классификаторе мышечной усталости. На фигуре 3а показан сигнал sEMG мышцы, выполняющей периодическую тестовую нагрузку. Интервал двигательной активности выделен двумя вертикальными линиями красного цвета. Для формирования дескрипторов используем вейвлет-преобразование этого сегмента, эпюра которого представлена на фигуре 3б. Вейвлет-плоскость этого сегмента представлена на фигуре 4. Вейвлет-плоскость построена для нижней частоты 20 Гц.The essence of the method is to obtain a wavelet transform ( CWT ) of an sEMG segment that corresponds to the motor activity of the muscle under study in the time interval, followed by obtaining descriptors for use in the muscle fatigue classifier. Figure 3a shows the sEMG signal of a muscle performing a periodic test load. The motor activity interval is highlighted by two vertical red lines. To form descriptors, we use the wavelet transform of this segment, the diagram of which is shown in Figure 3b. The wavelet plane of this segment is shown in Figure 4. The wavelet plane is constructed for the lower frequency of 20 Hz.
Учитывая логику работы классификатора, мышечная усталость должна контролироваться на каждом периоде двигательной активности исследуемой мышцы, то есть в каждом сегменте. Для выделения сегмента используются три блока: RMS 3, ФС 4 и БФС 5. БФС выделяет из отсчетов sEMG отсчеты, соответствующие двигательной активности мышц. Он имеет два входа и один выход. На первый его вход поступает Строб с ФС, а на второй вход - отсчеты sEMG. Принцип его работы иллюстрирую эпюры sEMG, представленные на фиг. 3. Принцип формирования Строба иллюстрирует фиг. 5. На фиг. 5а представлен сигнал RMS, по которому на уровне 0,9RMS(max) определяется Uпор., а процесс формирования Строба по RMS и Uпор. представлен на фиг. 5б.Taking into account the logic of the classifier operation, muscle fatigue should be monitored at each period of motor activity of the muscle under study, i.e. in each segment. Three blocks are used to select a segment: RMS 3, FS 4 and BFS 5. BFS selects from the sEMG readings the readings corresponding to the motor activity of the muscles. It has two inputs and one output. The Strobe with FS enters its first input, and the sEMG readings enter its second input. The principle of its operation is illustrated by the sEMG diagrams shown in Fig. 3. The principle of Strobe formation is illustrated in Fig. 5. Fig. 5a shows the RMS signal, according to which U por. is determined at the level of 0.9RMS(max), and the process of Strobe formation according to RMS and U por. is shown in Fig. 5b.
Для получения первой группы (вектора) дескрипторов определяем величины вейвлет-энтропии на всех уровнях вейвлет-разложения сегмента. То есть полторы - две тысячи отсчетов на каждом уровне разложения сворачиваются в один компонент вектора дескрипторов по формуле:To obtain the first group (vector) of descriptors, we determine the values of wavelet entropy at all levels of the segment's wavelet decomposition. That is, one and a half to two thousand readings at each level of decomposition are folded into one component of the descriptor vector using the formula:
, (1) , (1)
где j - номер уровня разложения или индекс компоненты в векторе дескриптор,where j is the decomposition level number or the component index in the descriptor vector,
, (2) , (2)
, (3) , (3)
CWN(j,k) - амплитуда вейвлет-коэффициента в j-й строке и k-м столбце вейвлет-плоскости, K j - число вейвлет-коэффициентов на j-м уровне, CWN ( j , k ) is the amplitude of the wavelet coefficient in the j -th row and k -th column of the wavelet plane, K j is the number of wavelet coefficients at the j -th level,
. (4) . (4)
Таким образом, размерность первого вектора дескрипторов определяется числом уровней детализации N или, другими словами, числом строк вейвлет-плоскости. Максимальное количество уровней детализации определяется числом отсчетов в сигнале К, то есть N max=К/2. N min или N непосредственно связано с частотой дискретизации (f S ) анализируемого сигнала. В случае разложения sEMG, дискредитированного с частотой f S =640 Гц при нижней частоте анализа равной 20 Гц, число уровней декомпозиции N=200 [DWT analysis of numerical and experimental data for the diagnosis of dynamic eccentricities in induction motors / J. Antonino-Daviu [et al.] // Mechanical Systems and Signal Processing. 2007. Vol. 21. No.6. P. 2575 - 2589]. Таким образом, первый вектор будет иметь двести дескрипторов, определяемых по формуле (1).Thus, the dimension of the first vector of descriptors is determined by the number of detail levels N or, in other words, the number of lines of the wavelet plane. The maximum number of detail levels is determined by the number of samples in the signal K , that is, N max = K/ 2. N min or N is directly related to the sampling frequency ( f S ) of the analyzed signal. In the case of sEMG decomposition sampled with a frequency of f S = 640 Hz with the lower analysis frequency equal to 20 Hz, the number of decomposition levels N = 200 [DWT analysis of numerical and experimental data for the diagnosis of dynamic eccentricities in induction motors / J. Antonino-Daviu [et al.] // Mechanical Systems and Signal Processing. 2007. Vol. 21. No. 6. P. 2575 - 2589]. Thus, the first vector will have two hundred descriptors determined by formula (1).
Для определения компонентов второго вектора используем формулу, аналогичную (1), но энергию вейвлет-коэффициентов определяем по столбцам вейвлет-плоскости:To determine the components of the second vector, we use a formula similar to (1), but we determine the energy of the wavelet coefficients by the columns of the wavelet plane:
, (5) , (5)
где k - номер отсчета на уровне детализации вейвлет-плоскости,where k is the sample number at the level of detail of the wavelet plane,
, (6) , (6)
. (7) . (7)
В общем случае сегмент sEMG занимает порядка 1,5…2 секунды и в нем может быть свыше полутора тысяч отсчетов. Однако, если обратиться к вейвлет-плоскости фиг. 4, то можно заметить, что максимальная энергия спектра сосредоточена в ее центре. Следовательно, задавшись пороговым значением для энергий в столбцах E пор., можем использовать для вычисления компонентов второго вектора только те столбики, энергия в которых выше пороговой.In general, the sEMG segment takes about 1.5...2 seconds and can contain over one and a half thousand readings. However, if we look at the wavelet plane in Fig. 4, we can see that the maximum energy of the spectrum is concentrated in its center. Therefore, having set the threshold value for the energies in the columns E thr. , we can use only those columns whose energy is higher than the threshold to calculate the components of the second vector.
На фиг. 6 показана схема алгоритма формирования двух векторов дескрипторов по сегменту sEMG. В блоке 14 осуществляется ввод вейвлет-коэффициентов сегмента sEMG. В блоках 15…18 определяется общая энергия вейвлет-плоскости, а в блоках 19…21 определяются компоненты первого вектора дескрипторов. В блоке 22 осуществляется вывод этих компонент в виде множества .Fig. 6 shows the algorithm for generating two descriptor vectors for the sEMG segment. In block 14, the wavelet coefficients of the sEMG segment are input. In blocks 15…18, the total energy of the wavelet plane is determined, and in blocks 19…21, the components of the first descriptor vector are determined. In block 22, these components are output as a set .
Для определения второго вектора дескрипторов используют блоки 23…28. Блоки 23 и 24 выполняют вычисления по формуле (7). Чтобы сократить размерность вектора дескрипторов используют блок 25, в котором осуществляют переход от множества к множеству . Его схема алгоритма представлена на фиг. 7.To determine the second vector of descriptors, blocks 23…28 are used. Blocks 23 and 24 perform calculations according to formula (7). To reduce the dimensionality of the vector of descriptors, block 25 is used, in which the transition from the set is carried out to the set Its algorithm diagram is shown in Fig. 7.
В блоке 37 лицо, принимающее решение (ЛПР), задает значение E пор., которое внвчале выполнения алгоритма может быть взято 0,01E out. В блоках 31…34 осуществляют просмотр левой границы множества и определяют кортеж его элементов, которые не превышают пороговое значение. В блоках 35 и 36 осуществляют исключение элементов этого кортежа из множества , формируя из него его множеством .In block 37, the decision maker (DM) specifies the value of E out , which at the beginning of the algorithm execution can be taken as 0.01 E out . In blocks 31…34, the left boundary of the set is viewed. and determine the tuple of its elements that do not exceed the threshold value. In blocks 35 and 36, the elements of this tuple are excluded from the set , forming from it its multitude .
В блоках 37…40 осуществляют просмотр правой границы множества и определяют кортеж его элементов, которые не превышают пороговое значение. В блоках 41 и 42 осуществляют исключение элементов этого кортежа из множества , формируя новое множество .In blocks 37…40, the right boundary of the set is viewed. and determine the tuple of its elements that do not exceed the threshold value. In blocks 41 and 42, the elements of this tuple are excluded from the set , forming a new set .
В блоке 43 ЛПР осуществляет результат селекции и при необходимости (блок 44) изменяет значение E пор. в блоке 30 и процесс селекции запускается вновь.In block 43, the decision maker carries out the selection result and, if necessary (block 44), changes the value of E por . in block 30 and the selection process is started again.
В блоке 26 просматривается полученное множество , на основе элементов которого в блоках 27 и 28 вычисляется второй вектор дескрипторов. В блоке 29 осуществляется его вывод.In block 26 the resulting set is viewed. , based on the elements of which the second vector of descriptors is calculated in blocks 27 and 28. In block 29, it is output.
Классификатор мышечной усталости построен по многоагентной идеологии. На нижнем уровне находятся автономные интеллектуальные агенты, формирующие пространство информативных признаков для автономных интеллектуальных агентов, находящихся на верхнем иерархическом уровне. На верхнем иерархическом уровне классификатора используем агрегатор, агрегирующий решения модулей классификации медицинского риска, находящихся на нижнем иерархическом уровне. Его структура представлена на фиг. 8.The muscle fatigue classifier is built on a multi-agent ideology. At the lower level are autonomous intelligent agents that form the space of informative features for autonomous intelligent agents located at the upper hierarchical level. At the upper hierarchical level of the classifier, we use an aggregator that aggregates the decisions of the medical risk classification modules located at the lower hierarchical level. Its structure is shown in Fig. 8.
Она включает два независимых модуля классификаторов мышечной усталости 47 и 48, которые анализируют векторы дескрипторов (45 и 46). В качестве агрегатора (мета-классификатора) была использована нечеткая нейронная сеть, алгоритмы настройки которой подробно описаны в [Гибридный метод контроля мышечной усталости в робототехнической системе / А.А. Кузьмин, Р.А. Томакова, Е.В. Петрунина, Д.А. Ермаков, С. Кадырова // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Управление, вычислительная техника, информатика. Медицинское приборостроение. 2023. Т. 13, №3. С. 64-81. https://doi.org/10.21869/2223-1536-2023-13-2-64-81], на выходе которого формируется окончательное значение показателя мышечной усталости.It includes two independent muscle fatigue classifier modules 47 and 48, which analyze the descriptor vectors (45 and 46). A fuzzy neural network was used as an aggregator (meta-classifier), the tuning algorithms of which are described in detail in [Hybrid method for monitoring muscle fatigue in a robotic system / A.A. Kuzmin, R.A. Tomakova, E.V. Petrunina, D.A. Ermakov, S. Kadyrova // Bulletin of the South-West State University. Series: Control, computing, informatics. Medical instrumentation. 2023. Vol. 13, No. 3. Pp. 64-81. https://doi.org/10.21869/2223-1536-2023-13-2-64-81], at the output of which the final value of the muscle fatigue indicator is formed.
Для формирования обучающей выборки для обучения классификатора мышечной усталости из дата сет, полученного на основе вейвлет-анализа сегментов sEMG, для каждого пациента из экспериментальной группы определяется индивидуальная шкала мышечной усталости путем двухэтапного эксперимента с тестовой нагрузкой, на первом этапе которого устанавливается предельная мышечная усталость, определяемая показателем нагрузка-время, при равной для всех пациентов нагрузке на тестируемую мышцу, а на втором этапе, который осуществляется после выполнения первого этапа всеми пациентами экспериментальной группы, определяется среднее время достижения предельной мышечной усталости в экспериментальной группе, после чего устанавливается тестовая нагрузка индивидуальная для каждого пациента таким образом, чтобы мышечная усталость для пациента достигла своего предельного значения за установленное среднее время. Используя эту нагрузку формируют дата сет для экспериментальной группы из которого формируются обучающие и контрольные выборки.To form a training sample for training the muscle fatigue classifier from the data set obtained based on the wavelet analysis of sEMG segments, an individual muscle fatigue scale is determined for each patient from the experimental group by a two-stage experiment with a test load, at the first stage of which the maximum muscle fatigue is established, determined by the load-time indicator, with the same load on the tested muscle for all patients, and at the second stage, which is carried out after all patients in the experimental group have completed the first stage, the average time to reach the maximum muscle fatigue in the experimental group is determined, after which an individual test load is set for each patient so that muscle fatigue for the patient reaches its maximum value in the established average time. Using this load, a data set is formed for the experimental group, from which training and control samples are formed.
При обучении классификатора мышечной усталости данные должны быть размечены. Это значит, что для каждого сегмента sEMG должна быть определена соответствующая мышечная усталость. Приведем пример построения универсальной шкалы мышечной усталости. Для исследования характера зависимости sEMG от мышечной усталости будем снимать sEMG в зоне предплечья, где находятся такие мышцы, как поверхностный сгибатель пальцев, длинная ладонная мышца, лучевой сгибатель запястья и др. Одной из главных функций этих мышц является сгибание кисти. Для контроля величины нагрузки на кисть использовался динамометр электронный медицинский типа ДМЭР-120. Общий вид кисти с динамометром и присоединенными электродами представлен на фиг. 9.When training the muscle fatigue classifier, the data must be labeled. This means that the corresponding muscle fatigue must be determined for each sEMG segment. Let us give an example of constructing a universal muscle fatigue scale. To study the nature of the sEMG dependence on muscle fatigue, we will record sEMG in the forearm area, where such muscles as the superficial flexor of the fingers, the long palmar muscle, the radial flexor of the wrist, etc. are located. One of the main functions of these muscles is flexion of the hand. To control the magnitude of the load on the hand, an electronic medical dynamometer of the DMER-120 type was used. The general view of the hand with a dynamometer and attached electrodes is shown in Fig. 9.
На первом этапе испытуемому ставилась задача с такой силой сжимать динамометр, чтобы на экране отображалось и удерживались в течение 5 секунд определенные значения: 5, 10, 15 и т.д. дан (*10 Ньютон). Таким образом, замыкалась биологическая обратная связь, которая позволяет связать регистрируемый параметр sEMG с усилием динамометра. Процесс наращивания нагрузки протекал до тех пор, пока у испытуемого возникала «неспособность поддерживать требуемую или ожидаемую силу».At the first stage, the subject was given the task of squeezing the dynamometer with such force that certain values were displayed on the screen and held for 5 seconds: 5, 10, 15, etc. dan (*10 Newton). In this way, the biological feedback loop was closed, which allows the registered sEMG parameter to be linked to the force of the dynamometer. The process of increasing the load continued until the subject experienced an “inability to maintain the required or expected force.”
В заключении первого этапа определялось время выполнения эксперимента i-м испытуемым T i согласно формулеAt the conclusion of the first stage, the time of the experiment by the i -th subject T i was determined according to the formula
, (8) , (8)
где F i - предельная сила удержания i-го испытуемого, t - время удержания фиксированного значения показания динамометра, - шаг изменения силы на шкале динамометра.where F i is the ultimate holding force of the i -th subject, t is the holding time of a fixed value of the dynamometer reading, - the step of force change on the dynamometer scale.
Затем аналогичные эксперименты проводились у всех членов экспериментальной группы. Определялось среднее время предельной мышечной усталости:Then similar experiments were conducted on all members of the experimental group. The average time of maximum muscle fatigue was determined:
, (9) , (9)
где N - число испытуемых в экспериментальной группе.where N is the number of subjects in the experimental group.
После определения среднего времени наступления предельной мышечной усталости, можем установить индивидуальную шкалу мышечной усталости для каждого испытуемого путем определения индивидуального шага изменения силы на шкале динамометраAfter determining the average time to the onset of maximum muscle fatigue, we can establish an individual muscle fatigue scale for each subject by determining the individual step of force change on the dynamometer scale.
, (10) , (10)
или индивидуальное время удержания фиксированного значения показания динамометраor individual holding time of a fixed value of the dynamometer reading
. (11) . (11)
Используя формулы (10) или (11), получаем индивидуальные шкалы для мышечной усталости для каждого испытуемого. Чтобы получить универсальную шкалу мышечной усталости, отсчеты по которой можно использовать в качестве Целей в дата сет для модели машинного обучения, отсчеты на шкалах в силе удержания (формула (10)) и во временных отсчетах (формула (11)) необходимо пометить безразмерными метками. Число меток на индивидуальных шкалах одинаково для всех испытуемых. Первая метка составит 30% мышечной усталости на индивидуальной шкале, вторая - 50%, третья 85%.Using formulas (10) or (11), we obtain individual scales for muscle fatigue for each subject. To obtain a universal scale of muscle fatigue, the readings on which can be used as Targets in the data set for the machine learning model, the readings on the scales in holding force (formula (10)) and in time readings (formula (11)) must be marked with dimensionless marks. The number of marks on the individual scales is the same for all subjects. The first mark will be 30% of muscle fatigue on the individual scale, the second - 50%, the third 85%.
На втором этапе получают дата сет для модели машинного обучения по классификации мышечной усталости путем сопоставления независимы переменных, представленных в виде пары векторов, соответствующим меткам на индивидуальных шкалах, которые соответствуют меткам по универсальной шкале. Фиг. 10 иллюстрирует процесс сопоставления меток на индивидуальных шкалах и меток на универсальной шкале усталости. В качестве функции Цель используем дислокацию мышечной усталости на индивидуальной шкале и присваиваем функции Цель значение от нуля до трех, в зависимости от того, между какими метками на индивидуальной шкале находится показатель мышечной усталости. В результате получаем таблицу экспериментальных данных, в строках которой хранится информация о каждом пациенте экспериментальной группы, а в столбиках записаны соответствующие независимые переменные и функция Цель. По полученной таким образом таблице экспериментальных данных обучают и тестируют модель машинного обучения.At the second stage, a data set is obtained for the machine learning model for classifying muscle fatigue by matching the independent variables, represented as a pair of vectors, to the corresponding labels on the individual scales, which correspond to the labels on the universal scale. Fig. 10 illustrates the process of matching the labels on the individual scales and the labels on the universal fatigue scale. As the Goal function, we use the dislocation of muscle fatigue on the individual scale and assign a value from zero to three to the Goal function, depending on which labels on the individual scale the muscle fatigue indicator is located between. As a result, we obtain a table of experimental data, the rows of which store information about each patient of the experimental group, and the columns contain the corresponding independent variables and the Goal function. The machine learning model is trained and tested using the experimental data table obtained in this way.
При осуществлении программы реабилитации в непрерывном режиме с шагом 25 секунд формируют векторы дескрипторов и определяют класс мышечной усталости. Если уровень мышечной усталости соответствует уровню 1…30% на универсальной шкале, то полагают, что это класс «0», и решение по этому классу не принимается, то есть процедура реабилитации выполняется в соответствии с программой реабилитации. Если показатель усталости находится в пределах первой и второй меток, то векторам дескрипторов будет соответствовать первый класс уровня усталости, что соответствует уровню повышенного внимания к пациенту. Если показатель мышечной усталости находится между второй и третьей метками (класс «2»), то электрическая стимуляция должна быть остановлена, а в случае использования экзоскелета должны быть включены серводвигатели для создания соответствующих ассистирующих моментов или ассистирующие моменты должны быть увеличены. Если же показатель мышечной усталости находится за третьей меткой (класс «3»), то тестовая нагрузка на пациента должна быть снята.When implementing the rehabilitation program in a continuous mode with a step of 25 seconds, descriptor vectors are formed and the muscle fatigue class is determined. If the muscle fatigue level corresponds to the level of 1 ... 30% on the universal scale, then it is considered that this is class "0", and a decision on this class is not made, that is, the rehabilitation procedure is carried out in accordance with the rehabilitation program. If the fatigue indicator is within the first and second marks, then the descriptor vectors will correspond to the first class of the fatigue level, which corresponds to the level of increased attention to the patient. If the muscle fatigue indicator is between the second and third marks (class "2"), then electrical stimulation should be stopped, and in the case of using an exoskeleton, servomotors should be turned on to create the corresponding assisting moments or the assisting moments should be increased. If the muscle fatigue indicator is beyond the third mark (class "3"), then the test load on the patient should be removed.
Алгоритм, реализующий мониторинг реабилитации посредством предложенного способа, проверен на платформе Matlab® с учетом нескольких тестов и различных начальных условий, представляющих наиболее сложные случаи для управления процессом реабилитации. Все полученные результаты правильно возвращают три класса мышечной усталости.The algorithm implementing rehabilitation monitoring by means of the proposed method has been tested on the Matlab® platform taking into account several tests and various initial conditions representing the most complex cases for managing the rehabilitation process. All the obtained results correctly return the three classes of muscle fatigue.
Таким образом, предложен способ классификации мышечной усталости, основанный на анализе сегментов электромиосигнала, соответствующих периоду мышечной активности испытуемого, позволяющий осуществлять мониторинг функциональных возможностей его мышц в текущем состоянии. Способ позволяет формировать обучающие и контрольные выборки дескрипторов, образцы в которых были получены от испытуемых с различными значениями предельной мышечной усталости на основе индивидуальных шкал мышечной усталости, и создавать модели машинного обучения, позволяющие формировать универсальные шкалы мышечной усталости, инвариантные к физическим возможностям испытуемого, и осуществлять управление процедурами реабилитации.Thus, a method for classifying muscle fatigue is proposed, based on the analysis of segments of the electromyosignal corresponding to the period of muscle activity of the subject, allowing monitoring the functional capabilities of his muscles in the current state. The method allows forming training and control samples of descriptors, samples in which were obtained from subjects with different values of maximum muscle fatigue based on individual muscle fatigue scales, and creating machine learning models that allow forming universal muscle fatigue scales invariant to the physical capabilities of the subject, and managing rehabilitation procedures.
Claims (3)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2839398C1 true RU2839398C1 (en) | 2025-04-30 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113975629A (en) * | 2021-10-11 | 2022-01-28 | 汕头大学 | A functional electrical stimulation method and system controlled by muscle fatigue state |
| RU2766764C1 (en) * | 2021-03-04 | 2022-03-15 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Юго-Западный государственный университет» (ЮЗГУ) (RU) | Method for assessing muscular fatigue based on control of synergy patterns and device for implementation thereof |
| CN114190956A (en) * | 2021-11-25 | 2022-03-18 | 燕山大学 | Time-frequency space muscle collaborative analysis method based on wavelet and nonnegative tensor decomposition |
| CN118266951A (en) * | 2024-04-02 | 2024-07-02 | 齐鲁工业大学(山东省科学院) | Artificial intelligence sEMG signal feature extraction and muscle fatigue level discrimination method |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2766764C1 (en) * | 2021-03-04 | 2022-03-15 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Юго-Западный государственный университет» (ЮЗГУ) (RU) | Method for assessing muscular fatigue based on control of synergy patterns and device for implementation thereof |
| CN113975629A (en) * | 2021-10-11 | 2022-01-28 | 汕头大学 | A functional electrical stimulation method and system controlled by muscle fatigue state |
| CN114190956A (en) * | 2021-11-25 | 2022-03-18 | 燕山大学 | Time-frequency space muscle collaborative analysis method based on wavelet and nonnegative tensor decomposition |
| CN118266951A (en) * | 2024-04-02 | 2024-07-02 | 齐鲁工业大学(山东省科学院) | Artificial intelligence sEMG signal feature extraction and muscle fatigue level discrimination method |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Sun et al. | Application of surface electromyography in exercise fatigue: a review | |
| Güler et al. | Classification of EMG signals using PCA and FFT | |
| Maura et al. | Literature review of stroke assessment for upper-extremity physical function via EEG, EMG, kinematic, and kinetic measurements and their reliability | |
| Zeng et al. | Fatigue-sensitivity comparison of sEMG and A-mode ultrasound based hand gesture recognition | |
| JP2019084343A (en) | Method and apparatus for high accuracy photoplethysmogram based atrial fibrillation detection using a wearable device | |
| Sahin et al. | Pattern recognition with surface EMG signal based wavelet transformation | |
| Karthick et al. | Muscle fatigue analysis in isometric contractions using geometric features of surface electromyography signals | |
| Al-Mulla et al. | Evolved pseudo-wavelet function to optimally decompose sEMG for automated classification of localized muscle fatigue | |
| CN113274033A (en) | Movement function monitoring and management method based on cross frequency coupling of brain and muscle electricity | |
| Benazzouz et al. | EMG Feature selection for diagnosis of neuromuscular disorders | |
| Makaram et al. | Surface electromyography-based muscle fatigue analysis using binary and weighted visibility graph features | |
| AlOmari et al. | Novel hybrid soft computing pattern recognition system SVM–GAPSO for classification of eight different hand motions | |
| Krishnakumar et al. | Detection of arrhythmia and congestive heart failure through classification of ECG signals using deep learning neural network | |
| Dzitac et al. | Identification of ERD using fuzzy inference systems for brain-computer interface | |
| Okunola et al. | Detection of cognitive loads during exoskeleton use for construction flooring work | |
| RU2839398C1 (en) | Method for classification of muscular fatigue based on analysis of wavelet transformation of segments of motor activity of electromyosignal | |
| Zhang et al. | Multilevel assessment of exercise fatigue utilizing multiple attention and convolution network (MACNet) based on surface electromyography | |
| Chan et al. | A review of surface EMG in clinical rehabilitation care systems design | |
| Djemal et al. | Epileptic seizure motion classification based on sEMG and artificial neural network | |
| Šahinbegović et al. | Distinguishing physical actions using an artificial neural network | |
| Sanamdikar et al. | Classification of ECG signal for cardiac arrhythmia detection using GAN method | |
| Suhaimi et al. | Analysis of High-Density Surface Electromyogram (HD-sEMG) signal for thumb posture classification from extrinsic forearm muscles | |
| Zhang et al. | Non-uniform sample assignment in training set improving recognition of hand gestures dominated with similar muscle activities | |
| Chan et al. | Design of portable electromyography (EMG) system for clinical rehabilitation | |
| Khera et al. | Machine learning based electromyography signal classification with optimized feature selection for foot movements |