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多通道无线表面肌电采集同步技术的关键突破与应用拓展

一、引言

1.1研究背景与意义

肌电信号作为肌肉活动时产生的生物电信号，从本质上反映了神经、骨骼与肌肉系统的运动状态，自1922年人类首次观测到肌肉电势图以来，其研究与应用已有百年历史。因其与肌肉及人体运动的紧密相关性，在体育运动、运动与康复医学、神经康复工程以及人机交互等诸多领域展现出巨大的应用潜力，当今学术界普遍认为，肌电工程将成为与脑电、心电应用同等重要的科学与产业技术领域。

在医疗领域，表面肌电信号检测作为一种体表无创检测方法，发挥着不可或缺的作用。对于中风患者，通过监测患侧肌肉的残余电活动，能够为机器人辅助训练或功能性电刺激（FES）提供关键指导，从而有效促进患者运动功能的重建。针对脊髓损伤患者，评估下肢肌肉激活能力有助于制定更为精准的站立、步态训练方案，显著提升患者的运动控制能力。在周围神经损伤的诊断与治疗中，表面肌电信号可用于诊断神经卡压（如腕管综合征），并实时跟踪术后恢复进展，为患者的康复进程提供有力支持。

在康复训练场景中，表面肌电技术同样具有重要价值。在术后康复阶段，通过监测关节置换或韧带修复后肌肉代偿模式，能够优化康复计划，有效减少二次损伤的风险。对于慢性疼痛管理，识别腰背痛患者的异常肌电活动（如不对称收缩），可为指导核心肌群训练提供科学依据，帮助患者缓解疼痛。通过疲劳度分析，还能避免运动员或患者过度训练，降低肌肉拉伤风险，起到运动损伤预防的作用。

随着可穿戴设备与云端平台的发展，远程康复与生物反馈成为可能。可穿戴设备能够实时采集sEMG信号，结合云端平台实现远程监控，患者在家即可完成个性化训练并获得即时反馈，极大地提高了康复训练的便利性和效果。

在运动科学领域，表面肌电技术为运动表现优化提供了有力手段。通过分析运动员特定动作的肌肉激活时序与强度，能够有针对性地提升运动员的力量或协调性，帮助运动员突破训练瓶颈，提高竞技水平。通过频域特征（如中值频率下降）量化肌肉疲劳，教练可以及时调整训练负荷，避免运动员过度疲劳，降低受伤风险。探究运动损伤中肌肉代偿模式，有助于优化技术动作，降低损伤概率，为运动员的健康和运动生涯保驾护航。

在智能假肢与人机交互领域，表面肌电技术更是核心关键。利用sEMG信号识别截肢者的运动意图，能够驱动仿生假肢实现精细化操作，使截肢者重新获得接近自然的手部功能，提高生活自理能力和社交参与度。结合肌电与惯性传感器的外骨骼机器人，可辅助瘫痪患者完成行走或抓握动作，帮助他们重新融入社会，提升生活质量。

多通道无线表面肌电采集技术，能够同步采集多个肌肉部位的电信号，提供更全面、丰富的肌肉活动信息，在上述应用场景中具有重要意义。然而，由于各通道信号采集的物理位置分散，以及无线传输过程中的信号延迟、干扰等问题，如何保证多通道信号的精确同步成为该技术应用的关键挑战。若多通道信号不同步，在医疗诊断中可能导致对疾病的误判，在康复训练中无法为患者提供准确的康复指导，在运动科学研究中会使分析结果出现偏差，在人机交互中则会造成动作控制的不协调。因此，多通道无线表面肌电采集的同步技术研究，对于推动肌电信号在各领域的深入应用，提高医疗、运动科学等领域的研究和应用水平，具有至关重要的意义。

1.2国内外研究现状

多通道无线表面肌电采集的同步技术在国内外均受到广泛关注，取得了一定的研究成果，同时也面临着各自的挑战。

国外在该领域的研究起步较早，技术较为成熟。美国Delsys公司在2000年率先推出无线表面肌电采集设备，开启了无线表面肌电采集技术的新纪元。其产品以高精度、高稳定性著称，在科研和临床领域广泛应用，如在运动科学研究中，帮助分析运动员肌肉活动，优化训练方案；在康复医学中，辅助医生制定个性化康复计划。德国GmbH公司研发的无线表面肌电系统，采用先进的蓝牙和Wi-Fi通信技术，实现了多通道信号的稳定传输和精确同步，在神经康复工程领域发挥重要作用，可实时监测患者神经肌肉活动，为康复治疗提供数据支持。

近年来，国内的肌电工程技术也获得了长足的发展，在第19届“中国国际高新技术成果交易会”上，深圳市润谊泰益科技有限公司推出了国内首套分布式无线肌电产品——分布式无线多通道肌电采集RunE-DSR0016系统，该产品系统具有超低的噪声和极高的共模抑制比，其软件分析和硬件采集均达到国际先进水平。该系统在模式识别算法研究、肌肉疲劳评估和康复训练等方面有广泛应用，为相关领域研究提供了有力工具。哈尔滨工业大学的研究团队改进并建立了一种基于模式识别算法的可穿戴手势识别系统，可对仿生机械手进行实时控制，提高了信号采集和处理的准确性，实现了设备的小型化、低功耗与便携性。

尽管国内外在多通道无线表面肌电采集的同步技术研究上都取得了进