隨著信息安全需求的不斷提高，傳統(tǒng)身份認(rèn)證方式面臨愈發(fā)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),。密碼容易泄露,，指紋和人臉圖像也有被盜用的風(fēng)險。在此背景下,，科學(xué)家們試圖尋找一種更隱蔽,、更難偽造的生物電信號以實(shí)現(xiàn)更安全的身份識別方式。相比腦電（EEG）或心電（ECG）信號,，肌肉活動產(chǎn)生的電信號,，即肌電（EMG），采集更為簡便,，同時具有較強(qiáng)的個體特異性,，成為一種兼顧安全性與實(shí)用性的潛在身份識別新模式。

圖1. 文章信息

復(fù)旦大學(xué)戴晨赟教授團(tuán)隊在2020年42屆國際醫(yī)學(xué)與生物工程學(xué)會年會（IEEE EMBC）上提出,，將高密度表面肌電（HD-sEMG）作為一種新型生物特征用于身份識別,，并開展了相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。研究通過在手背布設(shè)高密度電極陣列采集肌電信號,，結(jié)合線性判別分析（LDA）等算法對受試者進(jìn)行身份識別,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果令人矚目：多項(xiàng)任務(wù)中識別準(zhǔn)確率高達(dá)99.5%。該研究不僅驗(yàn)證了HD-sEMG在身份識別中的可行性,，也展示了其在信息安全,、智能交互和康復(fù)醫(yī)療等領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景。

研究共招募22名健康成年志愿者（年齡21至31歲，男女各半）,。實(shí)驗(yàn)過程中,，受試者保持坐姿，按照電腦提示完成8種特定的手指等長收縮任務(wù),。如圖2所示,，每人右手背貼附一塊8×8電極陣列（共64通道，間距8毫米）,，用于記錄肌肉激活的二維空間分布,。信號由荷蘭TMSi公司SAGA 64+系統(tǒng)采集，采樣頻率達(dá)4000Hz,，確保高時空分辨率和信號質(zhì)量,。

圖 2. 使用Saga設(shè)備(TMSi公司)進(jìn)行高密度表面肌電信號采集的實(shí)驗(yàn)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)任務(wù)包括8種不同的手指組合（見圖3），例如拇指-食指同時伸展,、僅中指伸展、或小指-無名指組合伸展等,。每個任務(wù)持續(xù)3秒，任務(wù)間保證3秒休息,，整組任務(wù)重復(fù)10次。信號預(yù)處理包括 10–900Hz的帶通濾波,，和50Hz陷波濾波器去除工頻干擾,。每條記錄的信號被分割成8個獨(dú)立任務(wù)段，便于逐個任務(wù)進(jìn)行分析,。

對每個任務(wù)段數(shù)據(jù)提取5中常用特征,，包括均方根（RMS）、波形長度（WL）,、譜熵,、樣本熵,、頻率中值（FMD）并使用這些特征構(gòu)建了 320 維（5 個特征 ×64 個通道）特征向量用于身份分類,。

研究者使用了線性判別分析（LDA）對特征空間數(shù)據(jù)集做分類處理。作為對比,，還評估了其他多種分類器的識別準(zhǔn)確率,，如線性支持向量機(jī)（SVM）、二次支持向量機(jī)、三次支持向量機(jī),、精細(xì) k 近鄰（KNN）,、中度 k 近鄰以及集成袋樹分類器。

圖3. 手勢集和實(shí)驗(yàn)范式

從可視化分析角度,，研究者使用t-SNE降維算法將高維特征映射至二維空間（圖4）,，結(jié)果顯示，不同個體的數(shù)據(jù)點(diǎn)在空間中呈現(xiàn)出清晰可分離的聚類表現(xiàn),。每位受試者的肌電特征如“電子指紋”般在圖中形成獨(dú)立的簇,，彼此間距離明顯，說明肌電模式具有個體特異性,。

定量識別準(zhǔn)確率方面,，LDA在所有手勢任務(wù)中都獲得了高于98%的識別準(zhǔn)確率（表I），且在幾乎所有任務(wù)中都實(shí)現(xiàn)了識別準(zhǔn)確率,。這一結(jié)果也從側(cè)面表明了所提出的基于HD-sEMG的生物特征在個人身份識別應(yīng)用場景中具有良好的性能和高魯棒性,。

圖4. t-SNE可視化結(jié)果，不同受試者的肌電樣本在空間上顯著分離

表 I. 不同任務(wù)和分類器的識別準(zhǔn)確率

此外,，從生理學(xué)角度理解這些結(jié)果也具備充分邏輯支撐,。手背肌肉的神經(jīng)支配模式、肌腱排列方式乃至皮膚導(dǎo)電特性均因人而異,。這種解剖學(xué)差異和神經(jīng)激活策略的性共同決定了HD-sEMG信號的高度個體化特征,。這種個體特異性的本質(zhì)，不同于傳統(tǒng)視覺生物識別那樣受表面因素影響,，它源自深層神經(jīng)肌肉結(jié)構(gòu)與活動方式的本質(zhì)差異,，不易模仿，也難以偽造,，具備天然的防盜特性,。

本研究驗(yàn)證了HD-sEMG作為身份識別技術(shù)的可行性與高效性，為生物識別技術(shù)提供了一種全新的方向,。其優(yōu)勢包括高安全性,、高準(zhǔn)確性、不易受環(huán)境干擾和易采集等,。這得益于高密度肌電電極貼附在皮膚,，并在肌肉主動收縮時，才能獲取有效信號的特點(diǎn),；并且,，肌電信號相對穩(wěn)定，受情緒,、環(huán)境影響較小,，適合多種使用場景,；此外，隨著可穿戴傳感器的發(fā)展,，肌電采集系統(tǒng)的輕量化已不難實(shí)現(xiàn),，為其實(shí)際應(yīng)用打下基礎(chǔ)?？梢灶A(yù)見,，HD-sEMG不僅適用于身份驗(yàn)證系統(tǒng)，還可在醫(yī)療康復(fù),、人機(jī)交互,、個體化設(shè)備制造等領(lǐng)域發(fā)揮巨大價值。我們有理由相信,，在不久的將來,，人體的“電生理簽名”將成為連接安全、智能與個性化服務(wù)的重要橋梁,。

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關(guān)于維拓啟創(chuàng)

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