基于sEMG与手部追踪的感官VR交互上肢康复系统

天资达人科技创新 2025-08-25 3133 0

表面肌电sEMG结合VR交互康复训练技术（图1）通过采集用户指深屈肌（flexor digitorum profundus, FDP）的肌电活动，实现对握力的无控制器实时映射。系统采用手部追踪技术结合sEMG信号处理流程——包括移动平均滤波、最大自主收缩值（MVC）校准及min–max归一化——将用户的握力强度转化为VR环境中物体的破坏性交互。该技术显著增强了用户在VR任务中的沉浸感与操作直观性，适用于上肢康复、肌力训练及功能模拟等领域。未来可通过引入多模态反馈机制、扩大样本规模及跨群体验证，进一步推动其在临床康复与个性化训练中的应用。未来可通过多模态反馈（如触觉、视觉）和智能化算法优化，进一步拓展至居家康复和个性化训练场景，具有显著的临床转化潜力。

图1 系统整体结构与电极贴放示意图

HUIYING

临床研究

1.临床设备系统

VR设备（图2）：Oculus Quest 2（Meta），搭载手部追踪功能（Oculus Integration SDK）。

图2VR设备Oculus Quest 2示意图

EMG采集（图3）：Ag-AgCl电极贴附于指深屈肌（FDP），回映可穿戴高精度肌电采集设备。

图3 回映可穿戴高精度肌电采集设备示意图

软件平台（图4）：Unity引擎，实现信号处理（移动平均滤波）、MVC校准（10次最大收缩取均值）、实时归一化（min-max归一化）与物体交互逻辑。

图4 原始与平滑后的sEMG信号对比

2.研究方法

参与者：6名健康成人（22.17±2.13岁，3男3女），无肌肉骨骼疾病。

实验流程：

校准阶段：测量MVC（最大自愿收缩值），归一化EMG信号。

VR交互：用户徒手抓取4种不同强度阈值（70%、85%、100%、105% MVC）的虚拟物体（颜色区分），握力超过阈值时物体破碎并生成粒子效果（图5）。

图5VR中物体握力反馈界面示例

(a) 轻握时物体未破碎

(b) 强握时物体破碎并产生粒子效果

评估方法：混合研究法（定量问卷+定性访谈），问题涵盖感官交互、易用性、可靠性与满意度。

3.研究结果

满意度评分（5分制）：Q1: 5.0（感官交互提升），Q2: 4.67±0.52（易用性），Q3: 4.83±0.41（可靠性），Q4: 4.83±0.41（总体满意度）。

EMG数据：不同强度物体破坏时的EMG值存在显著差异（p<0.001，图6b），验证了握力反射的有效性。

图5 不同强度物体破碎时的EMG值对比与统计结果

用户反馈：

建议减少强度分级（如4级→2级），增强阈值区分度；

需提供量化握力反馈；

改善手部追踪精度与指甲干扰问题。

总结

该研究成功开发了一种基于sEMG与VR的感官交互系统，通过握力反射增强用户体验与沉浸感。尽管存在信号噪声、手部追踪限制和小样本问题，但其无需控制器、直观性强的特点展示了在康复训练中的潜力。未来需优化信号稳定性、扩展样本多样性，并引入多感官反馈以提升临床适用性。

HUIYING

回映产品

产品1：单通道肌电/心电/皮电采集设备

单通道肌电采集设备创新性地采用type-C转脑电电极以简单轻便的方式实现了单通道肌电、心电、皮电采集，且基于结构与硬件的特殊设计，支持高原环境下进行采集。另外产品总体结构采用魔术贴设计，方便于全身佩戴。

适用领域:单通道生理参数采集

单通道肌电/心电/皮电采集设备

基本参数

1.模数转换：24位；

2.通道数：2；

3.示值准确度：误差不大于±10%或±2μV,两者取较大值；

4.测量范围：测量范围±350mV；

5.分辨率：分辨率≤2uV；

6.系统噪声：系统噪声≤1uV；

7.通频带：通频带为20Hz~250Hz(不包括陷波波段)；

8.差模输入阻抗：差模输入阻抗大于5MΩ；

9.共模抑制比：共模抑制比大于100dB；

10.工频陷波器：设备有50Hz陷波器,衰减后幅值不大于5μV(峰-谷值)；

11.工作噪音：工作噪音不大于65dB(A)；

产品2.基于干电极的32通道脑电采集仪

高质量脑电信号采集对于精准识别和分析非癫痫样异常（如弥漫性慢波、局灶性δ活动）至关重要。为此可以了解我们研发的一款32通道可穿戴脑电采集仪，采用高精度干电极采集脑电信号，无需导电膏即可快速佩戴，极大提升了受试者的舒适度和操作效率，特别适合长时间或动态环境下的数据采集。该设备不仅能通过全覆盖设计捕捉全脑电活动细节，还采用了type-C智能转接技术和抗干扰硬件架构，有效减少了运动噪声和电磁干扰对信号的影响，在高原或移动场景中也能稳定输出低噪声波形。

适用范围：多通道生理参数采集

基本参数

采样率：≤ 16KSPS，每个通道独立可控制；

共模抑制比：≥ 120dB；

系统噪声：≤ 5uVrms；

模数转换率：24 位；

输入信号范围：±375mVpp；

通频带：直流耦合放大，保留全部低频信号；

事件同步输入：无线同步，时间精度＜1ms；

供电方式：可充电锂电池；

工作时间：单电池供电不低于4 小时；

优势：可支持高原环境采集。

产品3：可穿戴闭环睡眠设备

个性化可穿戴闭环睡眠设备首先对EEG脑电信号进行实时采集,并对EEG进行PSD功率图谱转换获取到脑电节律Theta波(4-8Hz)以及Alpha波(8-13Hz)最高功率所对应的频率,然后基于此频率作为个性化tACS经颅交流电刺激的刺激频率进行恒流源输出进而实现个性化闭环睡眠治疗｡

可穿戴闭环睡眠设备

基本参数

采集系统基础参数

采样率：最高 16KHZ；

共模抑制比：≥ 100dB；

噪声：≤ 5uV；

输入阻抗：≥ 1000MΩ；

脑电 EEG：单通道，2~100uV。

刺激系统基础参数

刺激模式：tDCS/tACS/tPCS/tRNS 四种模式灵活可调，tDCS 经颅直流电刺激，

tACS 经颅交流电刺激，tPCS 经颅脉冲电刺激，tRNS 经颅白噪声电刺激；

刺激强度：-2mA~2mA 连续可调，调节分辨率 0.01mA，输出电流误差 <=±10%；

刺激时间：0~60min 可调；

刺激频率：针对于 tPCS/tACS 模式，1Hz ～ 99Hz 范围内可调，频率步进为 1Hz，输出频率误差 <=±5%；

淡入淡出时间：0~120s 可调，确保刺激的安全性；

脱落检测：通过实时阻抗检测分析电极脱落状态确保刺激有效性

产品4：可穿戴情绪识别设备

可穿戴情绪识别设备是一个综合情绪识别平台。该平台通过实时采集EEG脑电、EDA皮电、EHOG/EVOG眼电、心率、血氧、温度、姿态等生理参数进行情绪的效价、唤醒度等分析。

适用领域: 认知科学、运动科学、工效学、人机交互、虚拟现实研究、

可穿戴情绪识别设备

基本参数

采样率：最高 16KHZ；

共模抑制比：≥ 100dB；

噪声：≤ 5uV；

输入阻抗：≥ 1000MΩ；

脑电EEG：2~100uV；

皮电EDA/GSR：0.5uV~0.2mV，1~100Hz；

血氧SPO2：35-99%；

心率：30-250bpm；

温度TMEP：-55℃ ~150℃，精度 0.1℃；

眼电EHOG/EVOG：50~3500uV， 0.1~100Hz；

加速度ACC：±2g、±4g、±8g、±16g 范围可调；

陀螺仪GYR：±250° /sec、±500° /sec、±1000° /sec、±2000° /sec 范围可调。

产品5：AR-BCI干电极脑电采集智能头盔

AR-BCI智能脑控头盔采用创新干电极技术，通过弹簧式接触结构（触角直径2mm，数量10-15根）无需凝胶即可稳固贴合头皮，适合24小时连续监测，提升佩戴舒适度和稳定性，并能精准捕捉短暂异常放电及区分正常变异脑电信号如Mu节律和Wicket波，防止误诊。设备具备≥130dB的共模抑制比和＞1000MΩ的输入阻抗，有效抑制干扰，确保信号采集高精度与可靠性，同时实时阻抗检测与脱落提示功能减少漏检风险。该头盔集成了AR显示、眼动追踪和多模态脑电采集功能，支持同步分析脑电与行为数据，特别适用于异常放电捕捉和复杂正常变异脑电信号识别。

适应症：康复科、神经内科、神经外科、卒中中心、老年科。