徐學(xué)思 王平凱 付鼎弘

1 生物信號(hào)概述

生理信號(hào)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(xué)類的。通常情況下可分為三類，分別是電生理信號(hào)、非電生理信號(hào)以及生理特征信號(hào)。

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

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

人體特征生理信號(hào)一般為靜態(tài)，如體溫、指紋、虹膜、掌紋等，目前很多產(chǎn)品設(shè)計(jì)都應(yīng)用了這類生理信號(hào)，如識(shí)別系統(tǒng)。

2 生物電信號(hào)在人機(jī)工程學(xué)中的應(yīng)用意義

人機(jī)工程學(xué)是保證設(shè)計(jì)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(yīng)的一門學(xué)科。從本質(zhì)上來講，就是通過將人體科學(xué)、環(huán)境科學(xué)和工程科學(xué)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(hào)的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展，為構(gòu)建“人—機(jī)—環(huán)境”系統(tǒng)提供了更加客觀的依據(jù)。確保設(shè)計(jì)結(jié)果更加合理化和客觀化，從而使設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品更能貼合人的使用標(biāo)準(zhǔn)和需求，做到舒適、安全與高效。

3 生物電信號(hào)在人機(jī)工程學(xué)中應(yīng)用

3.1 電生理信號(hào)在人機(jī)工程學(xué)中的應(yīng)用

3.1.1 肌電信號(hào)

肌電信號(hào)（Electrocardiogram，EMG）屬于非線性信號(hào)，是眾多肌肉纖維中單元?jiǎng)幼麟娢唬∕UAP）在時(shí)域和頻域上的疊加。由于現(xiàn)階段表面肌電信號(hào)（S-EMG）具有良好的數(shù)據(jù)采集效果，能客觀地反應(yīng)肌肉活動(dòng)水平和功能狀態(tài)，所以在人機(jī)工程中有廣泛的應(yīng)用。它是目標(biāo)肌肉通過表面電極在中樞神經(jīng)系統(tǒng)支配肌肉活動(dòng)收縮時(shí)產(chǎn)生的電信號(hào)，因而表面肌電信號(hào)（S-EMG）在康復(fù)醫(yī)學(xué)和體育運(yùn)動(dòng)學(xué)領(lǐng)域中有廣泛應(yīng)用。2020 年周恩至等利用表面肌電信號(hào)（SEMG）和力敏電阻器（FSR）設(shè)計(jì)了一款假肢手抓握力控制系統(tǒng)，可以讓使用者對(duì)假肢力的控制更加精準(zhǔn)。

3.1.2 眼電信號(hào)

眼動(dòng)信號(hào)（Electrooculogram，EOG）是非線性信號(hào)，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(cè)流向角膜，從而形成電場，這個(gè)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(yùn)動(dòng)類型分為五類：（1） 掃視運(yùn)動(dòng);（2） 平滑追蹤運(yùn)動(dòng);（3） 前庭動(dòng)眼反射;（4） 異向運(yùn)動(dòng);（5） 視動(dòng)反射。為眼電信號(hào)的提取和分析提供了參考。

關(guān)于眼電信號(hào)（EOG）在人機(jī)交互（HCI）方面的應(yīng)用和進(jìn)展，2019 年華南師范大學(xué)陳振東等將眼電信號(hào)和人體頭部姿勢變化相結(jié)合進(jìn)行控制，為身體行動(dòng)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(hào)

腦電信號(hào)（Electroencephalogram，EEG）是大腦的神經(jīng)細(xì)胞在大腦皮層或頭皮表面發(fā)生電生理活動(dòng)的總體反映。在人體大腦活動(dòng)時(shí)，大腦中的大量神經(jīng)元會(huì)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(hào)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(shí)和短期記憶的特征指標(biāo);β波（13～30Hz）是大腦產(chǎn)生注意活動(dòng)的特征指標(biāo);θ波（4～7Hz）是人在產(chǎn)生情感變化時(shí)的特征指標(biāo);δ波（0.1～3Hz）是大腦產(chǎn)生動(dòng)機(jī)、獎(jiǎng)勵(lì)活動(dòng)的特征指標(biāo)。 在人機(jī)工程學(xué)中，腦電圖多用于人機(jī)界面交互、情感評(píng)價(jià)、情緒識(shí)別和疲勞檢測中。

在人機(jī)工程中對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的舒適度評(píng)價(jià)在腦電信號(hào)中應(yīng)用廣泛，腦電信號(hào)中的α波能量值越大，表示人體對(duì)產(chǎn)品的舒適度體驗(yàn)越好。2020 年劉殿科等利用腦電信號(hào)采集設(shè)備采集24個(gè)測試人員在90個(gè)變量位置操縱換擋所產(chǎn)生的舒適度信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行小波能量分析，利用α波能量值越大越舒適的特點(diǎn)，優(yōu)化換擋手球最佳的布置位置。

3.1.4 心電信號(hào)

心電信號(hào)是心臟部位在受到外界刺激時(shí)所產(chǎn)生的一種生物電，它會(huì)從心臟流向身體各個(gè)部位，由于身體結(jié)構(gòu)組織復(fù)雜多樣，心電流向身體各處的距離也不相同，所以心電信號(hào)在身體表面各個(gè)部分會(huì)呈現(xiàn)出不同的電位變化。用電腦實(shí)時(shí)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(hào)是一個(gè)特別微弱的低頻電信號(hào)，一般來說最大幅值不會(huì)超過5mV，一般情況下是1mV。心電信號(hào)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(hào)在一個(gè)周期內(nèi)，由P波、QRS 波群和T 波組成。2016年溫州醫(yī)科大學(xué)的戴思舟在論文中對(duì)心電信號(hào)的檢測和各個(gè)波段的提取、去噪方式和應(yīng)用方式做了詳細(xì)的總結(jié)。

英國愛丁堡研究者首次將運(yùn)動(dòng)傳感器和紡織電極結(jié)合在一起，并專門設(shè)計(jì)柔性印刷電路板，將由三軸陀螺儀、三軸加速度計(jì)、三軸磁強(qiáng)計(jì)和數(shù)字運(yùn)動(dòng)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(hào)和運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)的傳輸線。

3.2 非電生物信號(hào)在人機(jī)工程學(xué)中的應(yīng)用

除電生物信號(hào)外，人體給出的非電生理信號(hào)非常豐富，它們又可分為由器官運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的信號(hào)、壓力信號(hào)、人體光電信號(hào)、耳聲發(fā)射信號(hào)。由器官運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的信號(hào)：如心音、脈搏、頸動(dòng)脈搏動(dòng)（Carotid pulse，CP）、呼吸、鼾聲及柯氏音等;壓力信號(hào)：如血壓、眼壓及消化道內(nèi)壓等;人體光電信號(hào)：如光電脈波、血氧飽和度等;耳聲發(fā)射信號(hào)（Otoacoustic emissions，OAE）：這是一種產(chǎn)生于耳蝸，經(jīng)聽骨鏈及鼓膜傳導(dǎo)釋放入外耳道的音頻信號(hào)。耳聲發(fā)射信號(hào)的發(fā)現(xiàn)是現(xiàn)代聽覺生理學(xué)的重要突破之一，它說明耳蝸不僅能將外界聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成生物電信號(hào)傳入中樞神經(jīng)以引起聽覺，而且能主動(dòng)地發(fā)射音頻信號(hào)。耳聲發(fā)射信號(hào)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(hào)可用于耳蝸生理機(jī)制的研究和臨床聽力學(xué)檢查，因此其是近10 年常應(yīng)用于各種助聽器產(chǎn)品設(shè)計(jì)中。

4 總結(jié)與展望

生物信號(hào)在人機(jī)工程中起到不可或缺的作用，其能有效直接地表達(dá)人體反饋的形式，為人機(jī)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(gè)方面：（1）為設(shè)計(jì)對(duì)象提供必要的人體尺度參數(shù)，例如GB/T10000-1988人體結(jié)構(gòu)尺寸標(biāo)準(zhǔn);（2）提供科學(xué)合理的產(chǎn)品功能設(shè)計(jì)，例如一些人的日常作業(yè)行為習(xí)慣，最佳視角等;（3）為設(shè)計(jì)環(huán)境因素提供準(zhǔn)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(hào)的復(fù)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(nèi)都可能出現(xiàn)較為明顯的變化，所以對(duì)采集儀器和采集的方式、方法要求也越來越高。但也正是因?yàn)槿绱耍镄盘?hào)也更能真實(shí)反映出人體的客觀變化，并隨著采集科技和傳輸技術(shù)的發(fā)展得到了眾多學(xué)科的青睞。人機(jī)工程更是如此，基于生理信號(hào)設(shè)計(jì)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(jī)工程方向的主流元素。