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        基于事件驅動的物理水庫計算框架實現:用于表面肌電圖(EMG)手勢識別

        《IEEE Transactions on Artificial Intelligence》:Event-Driven Implementation of a Physical Reservoir Computing Framework for Superficial EMG-Based Gesture Recognition

        【字體: 時間:2026年02月28日 來源:IEEE Transactions on Artificial Intelligence CS6.4

        編輯推薦:

          表面肌電信號(sEMG)手勢識別面臨高計算成本問題,本研究提出基于脈沖神經網絡的旋轉神經元殘差(sRNR)架構,通過事件驅動機制實現低功耗實時處理。在公開數據集驗證中,經典機器學習模型準確率達74.6%,delta學習規則算法達80.3%,證明神經形態計算在嵌入式設備中的可行性。

          
        影響聲明:
        盡管深度學習在基于表面肌電圖(sEMG)的手勢識別領域占據主導地位,但其高昂的計算成本限制了實時、低功耗應用的發展。神經形態計算提供了一種新的解決方案...顯示更多

        摘要:

        可穿戴健康設備在實時生物醫學信號處理方面有著廣泛的需求。然而,傳統方法通常需要在從邊緣設備收集數據后,將其傳輸到具有強大計算資源的中央處理單元進行處理。神經形態計算是一個新興領域,它旨在設計受人類大腦結構、功能和動態啟發的專用硬件計算系統,在延遲和功耗方面具有顯著優勢。本文探討了一種新穎的神經形態實現方法,通過事件驅動的方式從表面肌電圖(sEMG)數據中提取時空脈沖信息來進行手勢識別。同時,該網絡采用了名為“旋轉神經元存儲器”(RNR)的簡單結構且適用于硬件的物理存儲計算(PRC)框架,該框架基于脈沖神經網絡(SNN)實現。這種基于脈沖的RNR(sRNR)有望為緊湊型嵌入式可穿戴系統提供一種創新的解決方案,實現直接在傳感器級別的低延遲實時處理。所提出的系統通過一個開放訪問的大規模sEMG數據庫進行了驗證,使用傳統的機器學習分類器和delta學習規則算法分別達到了74.6%和80.3%的平均分類準確率。雖然delta學習規則可以完全基于脈沖信號并在神經形態芯片上實現,但所提出的手勢識別系統展示了在接近傳感器的位置進行低延遲處理的潛力。

        引言

        表面肌電圖(sEMG)是一種非侵入性技術,能夠反映骨骼肌運動的電活動,為肌肉細胞的診斷、康復和其他醫療應用提供重要信息。基于sEMG的手勢識別是一種專門的應用,它通過分析肌肉的電活動來識別運動意圖。這一領域使得可穿戴設備在人機交互、假肢控制和機器人技術等領域得到應用[1]、[2]。在可穿戴設備或附近本地處理數據,而不是將其發送到中央服務器,對于實現實時分析、節省帶寬、提高隱私性和延長電池壽命至關重要。為了進一步改進本地處理能力,尋找輕量級的手勢識別算法非常重要。傳統的機器學習方法,如支持向量機(SVM)、k最近鄰(k-NNs)、線性判別分析(LDA)和隨機森林(RFs),需要從時域和頻域提取特征[3]。最近,深度學習模型通過自動學習特征,在原始sEMG信號上實現了更高的分類準確率[4]、[5]。然而,這帶來了功耗和內存需求的增加。

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