sEMG的深度学习任务,说白了就是另类的翻译任务。即将数字信号(往往为多通道的时序连续电位序列)翻译为运动信号(一种经典的表示是关节的角度时序序列),抛开生理学特征,表现到深度学习中为一个seq2seq任务。

上图为一个基于肌电信号的运动预测系统流程。可以看到一个经典的处理模式为获取信号→信号处理→特征提取→模型/算法预测,我们更偏重于特征提取与模型的部分,而信号获取与预处理,如Ninapro等公开数据集已经做的相当不错了,当然自己采集的数据还是不能忽略这两个环节。
1. 特征提取
肌电信号领域内,针对肌电信号的特征往往有三类:时域、频域、时频域,当然深入特征挖掘工程时,它们往往会被多个结合使用。时域特征从sEMG中直接计算提取,关注信号的时间上下文关系;频域特征则需要和功率谱(Power Spectrum,PS)打交道,关注信号的能量特征;时频域二者兼顾,但是要求耗时的计算,对于sEMG这种多用于终端设备和边缘设备,又要求实时性的应用场景来说不太合适。
- 时域特征:Mean Absolute Value (MAV), Integrated Electromyogram (IEMG), Root Mean Square (RMS), Zero Crossing (ZC), Slope Sign Changes (SSC), Waveform Length (WL)。
- 频域特征:Auto-regressive Coefficients (AR), Power Spectrum (PS), Mean Frequency (MNF), Median Frequency (MDF), Frequency Ratio(FR)。
- 时频域:STFT短时傅里叶,WT小波变换
说那么多,领域内大多还是直接用的原始信号,最多用个RMS顶天了,乐。不过也有人研究特征工程,即怎么提取,怎么组合这些特征能让模型得到更好的结果,但验证一般选择简单和基础的模型,实际效果有待商榷和验证。
2. 推理模型——方法论现状
sEMG领域在深度学习中作为一个后来的,更多为应用的领域,在深度学习的方法性上自然始终落后于深度学习的前沿领域。在目前阶段,将RNN,TCN,Transformer系等序列模型的基础模型应用于领域就能得到领域内的前沿结果,然而这种“前沿”结果往往才到90出头的准确率(CC),在精度要求高的该应用场景下(基本都是如此)在我看来还远达不到投入实用的标准。当然,我们也可能看到过肌电操作机械臂的视频/演示,它们往往基于分类模型——只要把你的手势识别出一个标签,然后做标准动作就行,有相当的实际意义,但仍只是玩具阶段。
3. 评价标准
目前来看,主要使用到的评价标准有3个:皮尔逊相关系数(PCC)、均方根误差(RMSE)、决定系数R2,也都是回归任务常用标准,不多赘述。
4. 领域困境
深度学习方法不是万能的,肌电领域放到计算机中去有它自己的困境,但基本也是其他生理信号处理领域的困境。
- 数据量的缺乏。生理电信号的数据集规模是远小于普遍意义上的CV任务与NLP任务的,其采集效率的低下,还有可能涉及到的伦理/隐私问题——即便这个问题已经开始淡化了。肌电数据集规模往往很小。
- 肌电信号具有强烈的个人特征。肌电信号具有强烈的个人特征,它与一个个体当时的身体情况息息相关,不说不同个体间信号特征大不相同,同一个人度过了足够长的时间,其信号特征也会有巨大的变化。更有肌电信号不止有运动信息,即有很大的信息冗余,再叠上第1点的buff,使得领域内方法模型的泛化性受到很大挑战。
5. 领域趋势
泛化性,泛化性,还是TM的泛化性
——同时别忘了高效
不过,要求高泛化性不一定就是在单个模型上就实现的,我们也可以在时间尺度上来进行妥协。
- 当然的,提升模型方法本身的泛化性,一个模型打天下,就现在而言难度过高。
- 迁移学习。经典中的经典,落到肌电领域的话,更加看重迁移的效率。使用越少的数据,迁的越快越好,延伸可以走零样本学习和元学习的路子。
- 进一步,终生学习,或持续学习,能使模型学到新知识的同时不忘记旧的。从而逐步提升泛化性。
泛化性外,提升准确率和效率也是领域内额外关注的问题,除了从模型本身出发外,想特征工程相关的方面也是需要考虑的点。



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