淺析生物信號在人機工程學中的應用研究

徐學思 王平凱 付鼎弘

1 生物信號概述

生理信號是人體生命信息的重要體現(xiàn)，其表現(xiàn)形式有很多種，如聲、光、電、力等物理類的，也有氣壓、PH 等化學類的。通常情況下可分為三類，分別是電生理信號、非電生理信號以及生理特征信號。

電生理信號是由人體細胞膜內外電位差產(chǎn)生的，細胞在安靜狀態(tài)下由于細胞膜兩側的鈉離子和鉀離子分布不均會產(chǎn)生靜息電位（RP），在受到外界的刺激時會發(fā)生膜電位升高從而產(chǎn)生動作電位（AP），所以電生物信號與人體生命活動密切相關。電生物信號通常包括肌電信號（EMG）、眼電信號（EOG）、腦電信號（EEG）、心電信號（ECG）、胃電信號（EGG）、眼視網(wǎng)膜信號（ERG）等主動伴隨生命特征而存在的生理信號，相對還有誘發(fā)電位信號（EP）和事件相關電位信號（ERP），是由體外干涉刺激而誘發(fā)出的電生理信號。文章僅介紹EMG、EGG、ECG、EOG 這四種應用廣泛的電生理信號。

非電生理信號大致分為以下幾種：（1） 器官運動產(chǎn)生的信號：包括鼾聲、心音、呼吸、脈搏等;（2） 由一系列壓力產(chǎn)生的信號：包括眼壓、血壓、和腸道內壓等;（3） 由人體光電信息產(chǎn)生的信號：包括光電脈波、血氧飽和度等。

人體特征生理信號一般為靜態(tài)，如體溫、指紋、虹膜、掌紋等，目前很多產(chǎn)品設計都應用了這類生理信號，如識別系統(tǒng)。

2 生物電信號在人機工程學中的應用意義

人機工程學是保證設計出的產(chǎn)品能與人的生理因素、環(huán)境因素和心理因素相適應的一門學科。從本質上來講，就是通過將人體科學、環(huán)境科學和工程科學三者相互滲透、交融，最后建立成相互依存、相互作用的統(tǒng)一整體。而生理電信號的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展，為構建“人—機—環(huán)境”系統(tǒng)提供了更加客觀的依據(jù)。確保設計結果更加合理化和客觀化，從而使設計出的產(chǎn)品更能貼合人的使用標準和需求，做到舒適、安全與高效。

3 生物電信號在人機工程學中應用

3.1 電生理信號在人機工程學中的應用

3.1.1 肌電信號

肌電信號（Electrocardiogram，EMG）屬于非線性信號，是眾多肌肉纖維中單元動作電位（MUAP）在時域和頻域上的疊加。由于現(xiàn)階段表面肌電信號（S-EMG）具有良好的數(shù)據(jù)采集效果，能客觀地反應肌肉活動水平和功能狀態(tài)，所以在人機工程中有廣泛的應用。它是目標肌肉通過表面電極在中樞神經(jīng)系統(tǒng)支配肌肉活動收縮時產(chǎn)生的電信號，因而表面肌電信號（S-EMG）在康復醫(yī)學和體育運動學領域中有廣泛應用。2020 年周恩至等利用表面肌電信號（SEMG）和力敏電阻器（FSR）設計了一款假肢手抓握力控制系統(tǒng)，可以讓使用者對假肢力的控制更加精準。

3.1.2 眼電信號

眼動信號（Electrooculogram，EOG）是非線性信號，1849年，研究者們發(fā)現(xiàn)眼角膜和視網(wǎng)膜中間存在電勢差，有電流從視網(wǎng)膜一側流向角膜，從而形成電場，這個電場頻率在0～100Hz之間，電勢大小為0.4～10mV 之間。1983 年于國豐將眼球的運動類型分為五類：（1） 掃視運動;（2） 平滑追蹤運動;（3） 前庭動眼反射;（4） 異向運動;（5） 視動反射。為眼電信號的提取和分析提供了參考。

關于眼電信號（EOG）在人機交互（HCI）方面的應用和進展，2019 年華南師范大學陳振東等將眼電信號和人體頭部姿勢變化相結合進行控制，為身體行動有障礙的人士提供了更多的操控方式，大大增加了輪椅使用的安全性和舒適度。

3.1.3 腦電信號

腦電信號（Electroencephalogram，EEG）是大腦的神經(jīng)細胞在大腦皮層或頭皮表面發(fā)生電生理活動的總體反映。在人體大腦活動時，大腦中的大量神經(jīng)元會發(fā)生同步突觸后電位，所有的電位匯總整合后，再經(jīng)過頭皮表面采集器的采集信號并放大，形成腦電圖。腦電節(jié)律波通常有四種：α波、β波、θ波、δ波。α波（8～12Hz）是人放松時和短期記憶的特征指標;β波（13～30Hz）是大腦產(chǎn)生注意活動的特征指標;θ波（4～7Hz）是人在產(chǎn)生情感變化時的特征指標;δ波（0.1～3Hz）是大腦產(chǎn)生動機、獎勵活動的特征指標。 在人機工程學中，腦電圖多用于人機界面交互、情感評價、情緒識別和疲勞檢測中。

在人機工程中對產(chǎn)品設計的舒適度評價在腦電信號中應用廣泛，腦電信號中的α波能量值越大，表示人體對產(chǎn)品的舒適度體驗越好。2020 年劉殿科等利用腦電信號采集設備采集24個測試人員在90個變量位置操縱換擋所產(chǎn)生的舒適度信號，并對信號進行小波能量分析，利用α波能量值越大越舒適的特點，優(yōu)化換擋手球最佳的布置位置。

3.1.4 心電信號

心電信號是心臟部位在受到外界刺激時所產(chǎn)生的一種生物電，它會從心臟流向身體各個部位，由于身體結構組織復雜多樣，心電流向身體各處的距離也不相同，所以心電信號在身體表面各個部分會呈現(xiàn)出不同的電位變化。用電腦實時地將這些電位變化以圖形的形式記錄下來，就是心電圖了。心電信號是一個特別微弱的低頻電信號，一般來說最大幅值不會超過5mV，一般情況下是1mV。心電信號的頻率主要集中在5～20Hz之間，因此容易受到50Hz工頻噪聲干擾。正常人體心電信號在一個周期內，由P波、QRS 波群和T 波組成。2016年溫州醫(yī)科大學的戴思舟在論文中對心電信號的檢測和各個波段的提取、去噪方式和應用方式做了詳細的總結。

英國愛丁堡研究者首次將運動傳感器和紡織電極結合在一起，并專門設計柔性印刷電路板，將由三軸陀螺儀、三軸加速度計、三軸磁強計和數(shù)字運動處理器組成的MPU-9250多芯片模塊集成在一起。柔性印刷電路板由兩部分組成：第一部分是帶有電子元件的微型電路板;第二部分是將生物電位信號和運動數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C的傳輸線。

3.2 非電生物信號在人機工程學中的應用

除電生物信號外，人體給出的非電生理信號非常豐富，它們又可分為由器官運動所產(chǎn)生的信號、壓力信號、人體光電信號、耳聲發(fā)射信號。由器官運動所產(chǎn)生的信號：如心音、脈搏、頸動脈搏動（Carotid pulse，CP）、呼吸、鼾聲及柯氏音等;壓力信號：如血壓、眼壓及消化道內壓等;人體光電信號：如光電脈波、血氧飽和度等;耳聲發(fā)射信號（Otoacoustic emissions，OAE）：這是一種產(chǎn)生于耳蝸，經(jīng)聽骨鏈及鼓膜傳導釋放入外耳道的音頻信號。耳聲發(fā)射信號的發(fā)現(xiàn)是現(xiàn)代聽覺生理學的重要突破之一，它說明耳蝸不僅能將外界聲信號轉換成生物電信號傳入中樞神經(jīng)以引起聽覺，而且能主動地發(fā)射音頻信號。耳聲發(fā)射信號又分為自發(fā)性耳聲發(fā)射（Spontaneous，OAE，SOAE）和誘發(fā)性耳聲發(fā)射（evoken，OAE EOAE）兩種。耳聲發(fā)射信號可用于耳蝸生理機制的研究和臨床聽力學檢查，因此其是近10 年常應用于各種助聽器產(chǎn)品設計中。

4 總結與展望

生物信號在人機工程中起到不可或缺的作用，其能有效直接地表達人體反饋的形式，為人機工程的研究提供了有效的理論支撐。主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）為設計對象提供必要的人體尺度參數(shù)，例如GB/T10000-1988人體結構尺寸標準;（2）提供科學合理的產(chǎn)品功能設計，例如一些人的日常作業(yè)行為習慣，最佳視角等;（3）為設計環(huán)境因素提供準則和依據(jù)，例如色彩的溫度感、輕重感、軟硬感、明快憂郁感等。由于人體信號的復雜性、多樣性、特殊性。大大增加了采集、處理和分析的難度，同一塊肌肉的前后十分鐘內都可能出現(xiàn)較為明顯的變化，所以對采集儀器和采集的方式、方法要求也越來越高。但也正是因為如此，生物信號也更能真實反映出人體的客觀變化，并隨著采集科技和傳輸技術的發(fā)展得到了眾多學科的青睞。人機工程更是如此，基于生理信號設計出的產(chǎn)品也將更切合人類的使用和發(fā)展，其是未來人機工程方向的主流元素。