浅析生物信号在人机工程学中的应用研究

徐学思 王平凯 付鼎弘

1 生物信号概述

生理信号是人体生命信息的重要体现，其表现形式有很多种，如声、光、电、力等物理类的，也有气压、PH 等化学类的。通常情况下可分为三类，分别是电生理信号、非电生理信号以及生理特征信号。

电生理信号是由人体细胞膜内外电位差产生的，细胞在安静状态下由于细胞膜两侧的钠离子和钾离子分布不均会产生静息电位（RP），在受到外界的刺激时会发生膜电位升高从而产生动作电位（AP），所以电生物信号与人体生命活动密切相关。电生物信号通常包括肌电信号（EMG）、眼电信号（EOG）、脑电信号（EEG）、心电信号（ECG）、胃电信号（EGG）、眼视网膜信号（ERG）等主动伴随生命特征而存在的生理信号，相对还有诱发电位信号（EP）和事件相关电位信号（ERP），是由体外干涉刺激而诱发出的电生理信号。文章仅介绍EMG、EGG、ECG、EOG 这四种应用广泛的电生理信号。

非电生理信号大致分为以下几种：（1） 器官运动产生的信号：包括鼾声、心音、呼吸、脉搏等;（2） 由一系列压力产生的信号：包括眼压、血压、和肠道内压等;（3） 由人体光电信息产生的信号：包括光电脉波、血氧饱和度等。

人体特征生理信号一般为静态，如体温、指纹、虹膜、掌纹等，目前很多产品设计都应用了这类生理信号，如识别系统。

2 生物电信号在人机工程学中的应用意义

人机工程学是保证设计出的产品能与人的生理因素、环境因素和心理因素相适应的一门学科。从本质上来讲，就是通过将人体科学、环境科学和工程科学三者相互渗透、交融，最后建立成相互依存、相互作用的统一整体。而生理电信号的发现和发展，为构建“人—机—环境”系统提供了更加客观的依据。确保设计结果更加合理化和客观化，从而使设计出的产品更能贴合人的使用标准和需求，做到舒适、安全与高效。

3 生物电信号在人机工程学中应用

3.1 电生理信号在人机工程学中的应用

3.1.1 肌电信号

肌电信号（Electrocardiogram，EMG）属于非线性信号，是众多肌肉纤维中单元动作电位（MUAP）在时域和频域上的叠加。由于现阶段表面肌电信号（S-EMG）具有良好的数据采集效果，能客观地反应肌肉活动水平和功能状态，所以在人机工程中有广泛的应用。它是目标肌肉通过表面电极在中枢神经系统支配肌肉活动收缩时产生的电信号，因而表面肌电信号（S-EMG）在康复医学和体育运动学领域中有广泛应用。2020 年周恩至等利用表面肌电信号（SEMG）和力敏电阻器（FSR）设计了一款假肢手抓握力控制系统，可以让使用者对假肢力的控制更加精准。

3.1.2 眼电信号

眼动信号（Electrooculogram，EOG）是非线性信号，1849年，研究者们发现眼角膜和视网膜中间存在电势差，有电流从视网膜一侧流向角膜，从而形成电场，这个电场频率在0～100Hz之间，电势大小为0.4～10mV 之间。1983 年于国丰将眼球的运动类型分为五类：（1） 扫视运动;（2） 平滑追踪运动;（3） 前庭动眼反射;（4） 异向运动;（5） 视动反射。为眼电信号的提取和分析提供了参考。

关于眼电信号（EOG）在人机交互（HCI）方面的应用和进展，2019 年华南师范大学陈振东等将眼电信号和人体头部姿势变化相结合进行控制，为身体行动有障碍的人士提供了更多的操控方式，大大增加了轮椅使用的安全性和舒适度。

3.1.3 脑电信号

脑电信号（Electroencephalogram，EEG）是大腦的神经细胞在大脑皮层或头皮表面发生电生理活动的总体反映。在人体大脑活动时，大脑中的大量神经元会发生同步突触后电位，所有的电位汇总整合后，再经过头皮表面采集器的采集信号并放大，形成脑电图。脑电节律波通常有四种：α波、β波、θ波、δ波。α波（8～12Hz）是人放松时和短期记忆的特征指标;β波（13～30Hz）是大脑产生注意活动的特征指标;θ波（4～7Hz）是人在产生情感变化时的特征指标;δ波（0.1～3Hz）是大脑产生动机、奖励活动的特征指标。 在人机工程学中，脑电图多用于人机界面交互、情感评价、情绪识别和疲劳检测中。

在人机工程中对产品设计的舒适度评价在脑电信号中应用广泛，脑电信号中的α波能量值越大，表示人体对产品的舒适度体验越好。2020 年刘殿科等利用脑电信号采集设备采集24个测试人员在90个变量位置操纵换挡所产生的舒适度信号，并对信号进行小波能量分析，利用α波能量值越大越舒适的特点，优化换挡手球最佳的布置位置。

3.1.4 心电信号

心电信号是心脏部位在受到外界刺激时所产生的一种生物电，它会从心脏流向身体各个部位，由于身体结构组织复杂多样，心电流向身体各处的距离也不相同，所以心电信号在身体表面各个部分会呈现出不同的电位变化。用电脑实时地将这些电位变化以图形的形式记录下来，就是心电图了。心电信号是一个特别微弱的低频电信号，一般来说最大幅值不会超过5mV，一般情况下是1mV。心电信号的频率主要集中在5～20Hz之间，因此容易受到50Hz工频噪声干扰。正常人体心电信号在一个周期内，由P波、QRS 波群和T 波组成。2016年温州医科大学的戴思舟在论文中对心电信号的检测和各个波段的提取、去噪方式和应用方式做了详细的总结。

英国爱丁堡研究者首次将运动传感器和纺织电极结合在一起，并专门设计柔性印刷电路板，将由三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴磁强计和数字运动处理器组成的MPU-9250多芯片模块集成在一起。柔性印刷电路板由两部分组成：第一部分是带有电子元件的微型电路板;第二部分是将生物电位信号和运动数据传输到单片机的传输线。

3.2 非电生物信号在人机工程学中的应用

除电生物信号外，人体给出的非电生理信号非常丰富，它们又可分为由器官运动所产生的信号、压力信号、人体光电信号、耳声发射信号。由器官运动所产生的信号：如心音、脉搏、颈动脉搏动（Carotid pulse，CP）、呼吸、鼾声及柯氏音等;压力信号：如血压、眼压及消化道内压等;人体光电信号：如光电脉波、血氧饱和度等;耳声发射信号（Otoacoustic emissions，OAE）：这是一种产生于耳蜗，经听骨链及鼓膜传导释放入外耳道的音频信号。耳声发射信号的发现是现代听觉生理学的重要突破之一，它说明耳蜗不仅能将外界声信号转换成生物电信号传入中枢神经以引起听觉，而且能主动地发射音频信号。耳声发射信号又分为自发性耳声发射（Spontaneous，OAE，SOAE）和诱发性耳声发射（evoken，OAE EOAE）两种。耳声发射信号可用于耳蜗生理机制的研究和临床听力学检查，因此其是近10 年常应用于各种助听器产品设计中。

4 总结与展望

生物信号在人机工程中起到不可或缺的作用，其能有效直接地表达人体反馈的形式，为人机工程的研究提供了有效的理论支撑。主要体现在以下几个方面：（1）为设计对象提供必要的人体尺度参数，例如GB/T10000-1988人体结构尺寸标准;（2）提供科学合理的产品功能设计，例如一些人的日常作业行为习惯，最佳视角等;（3）为设计环境因素提供准则和依据，例如色彩的温度感、轻重感、软硬感、明快忧郁感等。由于人体信号的复杂性、多样性、特殊性。大大增加了采集、处理和分析的难度，同一块肌肉的前后十分钟内都可能出现较为明显的变化，所以对采集仪器和采集的方式、方法要求也越来越高。但也正是因为如此，生物信号也更能真实反映出人体的客观变化，并随着采集科技和传输技术的发展得到了众多学科的青睐。人机工程更是如此，基于生理信号设计出的产品也将更切合人类的使用和发展，其是未来人机工程方向的主流元素。