Анализ систем электромиографического управления протезом для ВКР: от нательного датчика до метрик точности
Новость из ленты CNews от 25 марта 2026 года: команда студентов Новосибирского государственного университета собирает прототип системы, которая считывает сигналы с тела человека методом электромиографии и объединяет их, чтобы протез руки управлялся «как своя рука». Ключевое слово здесь — объединяет. Сама по себе регистрация потенциалов мышц известна с 1960-х, новизна в сведении нескольких каналов, предобработке и превращении суммы сигналов в осмысленную команду в реальном времени.
Почему это важно для выпускника ИТ-специальности? Потому что в такие проекты упирается смена парадигмы в медицинской и реабилитационной технике: инженер сегодня проектирует не только «железо», но и цифровой контур — сбор данных, цифровую фильтрацию, классификатор на микроконтроллере, канал связи, журналирование и метрики качества. Именно этот контур защищается в ВКР по направлениям «Информатика и вычислительная техника», «Приборостроение», «Биотехнические системы». И именно его чаще всего описывают слабо: схему нарисовать могут, а обосновать выбор архитектуры и измерить задержку — нет. Разберём, как превратить кейс НГУ в защищаемую работу.
Что именно произошло: техническая суть без маркетинга
Электромиография (ЭМГ, англ. EMG) фиксирует электрическую активность мышечных волокон. Для протеза используют поверхностную ЭМГ (sEMG): электроды крепятся на кожу над культей, сигнал снимается в диапазоне единиц-сотен микровольт при полосе 20–500 Гц. Дальше начинается инженерия:
- Съём и аналоговая подготовка — отведение сигнала, подавление синфазной помехи, оцифровка 24-битным АЦП (классика — ADS1299 или его аналоги).
- Цифровая обработка — режекторный фильтр 50 Гц, полосовой фильтр, нормализация, сегментация окнами 150–250 мс.
- Извлечение признаков — временные (RMS, MAV, ZC, SSC) или частотные, реже сразу спектрограмма.
- Классификация жестов — от k-ближайших соседей до компактных нейросетей, работающих прямо на микроконтроллере.
- Канал связи — BLE, CAN или проводной интерфейс до платы приводов.
Именно на стыке этих пяти слоёв рождается архитектура, которую можно описать в дипломе. Ниже — три темы, которые реально защитить, и разбор того, что писать в каждой главе.
Три темы ВКР, которые вырастают из этого кейса
Тема 1. Подсистема съёма и цифровой фильтрации многоканальной ЭМГ для протеза кисти
Актуальность. Пока студенты НГУ решают задачу объединения каналов, отрасль упирается в качество «сырого» сигнала: плохой фронтенд не спасёт никакая нейросеть. Работа закрывает нижний слой всей системы.
Цель: разработать и верифицировать тракт съёма 4-канальной sEMG с заданным уровнем шума и полосой пропускания.
Задачи: анализ схемотехнических решений и выбор АЦП; проектирование и расчёт фильтров; реализация прошивки на микроконтроллере; стендовые испытания с оценкой SNR и подавления сетевой наводки.
Структура: Глава 1 — физиология мышечного сокращения, обзор стандартов медицинских изделий; Глава 2 — структурная и принципиальная схемы, алгоритм фильтрации, код прошивки; Глава 3 — методика испытаний, результаты измерений, вывод о пригодности тракта.
Тема 2. Классификация жестов руки по sEMG с помощью компактных моделей машинного обучения на встраиваемом устройстве
Актуальность. Отправлять 4 канала с частотой дискретизации 1 кГц в облако — значит убить автономность и получить задержку, несовместимую с ощущением «как своя рука». Кейс НГУ прямо подталкивает к edge-вычислениям.
Цель: обеспечить точность распознавания 6–8 жестов не ниже заданного порога при задержке от начала движения до команды не более 200 мс.
Задачи: сбор или использование открытого датасета (NinaPro, CapgMyo); формирование признакового пространства; сравнение моделей; квантизация и развёртывание через TensorFlow Lite Micro; оценка ресурсов — ОЗУ, флеш, энергопотребление.
Структура: Глава 1 — обзор методов классификации биосигналов и метрик; Глава 2 — архитектура конвейера «окно → признаки → модель → команда», обоснование выбора; Глава 3 — эксперименты, матрица ошибок, сравнение с базовыми моделями, оценка задержки.
Тема 3. Архитектура программно-аппаратного комплекса реабилитации с биологической обратной связью
Актуальность. Протез — это ещё и данные для врача: сколько пациент занимался, какие жесты даются хуже, растёт ли усилие. Такая система требует бэкенда, хранилища, интерфейса и интеграции с медицинскими информационными системами.
Цель: спроектировать программный комплекс сбора, хранения и визуализации сессий тренировок.
Задачи: анализ требований по ГОСТ 34.602-89; проектирование архитектуры (сервисы, хранилище, протоколы передачи); реализация модуля приёма телеметрии и личного кабинета; нагрузочное тестирование и оценка эксплуатационных характеристик.
Структура: Глава 1 — предметная область, стандарты и аналоги; Глава 2 — архитектурное проектирование, диаграммы, модель данных; Глава 3 — развёртывание, тестирование, расчёт трудозатрат и экономической эффективности.
Аналитическая глава: как сравнивать, а не перечислять
Первая глава обычно превращается в список статей. Так делать нельзя. Сравнение должно заканчиваться решением, которое вы обосновываете количественно.
Сравнение подходов к распознаванию
| Подход | Точность на 6–8 жестах | Потребление и память | Когда оправдан в ВКР |
|---|---|---|---|
| Пороговые правила (RMS + сравнение) | 60–75 % | Минимальные | Базовый уровень для сравнения |
| kNN / SVM на признаках | 80–90 % | Низкие | Когда нужен понятный, объяснимый классификатор |
| Свёрточная сеть (CNN) на спектрограммах | 90–96 % | Средние, требует квантизации | Когда есть чем обосновать ресурсы МК |
| ЛСТМ / рекуррентные модели | Плюс 2–4 % к CNN | Высокие | Только если бюджет по задержке позволяет |
Обратите внимание на логику защиты: вы не доказываете, что «нейросеть лучше». Вы показываете, что при заданных ограничениях (например, 256 КБ ОЗУ и 10 мАч на час работы) выбранная модель даёт наилучшее соотношение «точность/ресурс». Это и есть инженерное решение.
Обоснование стека и стандартов
Ссылайтесь на конкретику, а не на «современные технологии»:
- ГОСТ 34.602-89 — техническое задание на автоматизированную систему: раздел требований к системе, к видам обеспечения, к документированию.
- ГОСТ 19.201-78 — ТЗ на программное изделие, если продукт ближе к ПО, чем к АС.
- ГОСТ Р ИСО/МЭК 25010 — модель качества: функциональная полнота, надёжность, удобство, производительность. Каждое свойство должно получить метрику в третьей главе.
- ISO 13485 — упоминайте аккуратно: если прототип не медицинское изделие, скажите, что стандарт учтён концептуально как ориентир для будущей сертификации.
- Протоколы и интерфейсы: USB CDC, BLE GATT-профили, SPI/I2C для датчиков, MQTT при передаче телеметрии в серверную часть.
Проектная часть: что должно быть на схемах и в коде
Архитектура конвейера обработки
Минимальный набор диаграмм: контекстная схема (пациент → датчики → микроконтроллер → приводы / сервер), диаграмма компонентов, диаграмма последовательности для сценария «жест распознан», схема размещения. Для формальных моделей используйте UML 2.5 или IDEF0 — но не смешивайте нотации в одном разделе без пояснения.
Фрагмент кода, который стоит показать
В приложения не надо складывать весь проект. Достаточно 2–3 ключевых фрагментов с комментариями. Например, полосовой фильтр второго порядка, работающий в реальном времени:
/* Биквадратный полосовой фильтр (20-450 Гц), Fs = 1000 Гц
Коэффициенты рассчитаны заранее, чтобы не считать их на МК */
typedef struct {
float b0, b1, b2, a1, a2;
float x1, x2, y1, y2;
} biquad_t;
static inline float biquad_step(biquad_t *f, float x)
{
/* Прямая форма II: меньше чувствительность к округлению */
float y = f->b0 * x + f->b1 * f->x1 + f->b2 * f->x2
- f->a1 * f->y1 - f->a2 * f->y2;
f->x2 = f->x1; f->x1 = x;
f->y2 = f->y1; f->y1 = y;
return y;
}В тексте диплома обязательно поясните: почему выбрана именно прямая форма II, какая разрядность используется, что происходит при переполнении. Это снимает половину вопросов комиссии.
Интеграция и режимы отказа
Опишите поведение системы при потере сигнала с электрода, при разряде батареи, при потере BLE-соединения. Для медицинских и реабилитационных систем это критично: протез не должен «замирать» в сжатом состоянии. Формализуйте отказ как набор состояний конечного автомата — это отличный материал для отдельного раздела.
Тестирование и метрики: то, за что чаще всего снижают балл
«Работает» — не аргумент. Нужны числа и методика их получения.
| Метрика | Как измерять | Ориентир для защиты |
|---|---|---|
| Точность классификации (accuracy) | Кросс-валидация по сессиям, отдельно по испытуемым | Не ниже 85 % на 6 жестах |
| F1-мера по классам | Матрица ошибок, внимание к редким жестам | Дисбаланс классов объяснён |
| Сквозная задержка | Метка на осциллографе: момент напряжения мышцы → момент команды | ≤ 200 мс |
| Джиттер | Разброс задержки по 100 циклам | Среднеквадратичное отклонение ≤ 20 мс |
| Ложные срабатывания в покое | Запись 10 минут без движения | Менее 1 события в минуту |
| Автономность | Разряд от 100 % до 10 % при непрерывной работе | Сравнение с расчётным потреблением |
Отдельно стоит блок надёжности программной части, если в работе есть серверный компонент. Здесь уместны RTO и RPO: сколько времени система восстанавливается после сбоя и какую долю данных допустимо потерять. Для журнала тренировок RPO в 5 минут — вполне разумное требование, и его легко обосновать частотой репликации.
Наблюдаемость сервиса описывайте по трём столпам: метрики, журналы, трассировки. Если применяете OpenTelemetry — скажите, какие атрибуты пробрасываете (идентификатор сессии, версия прошивки, идентификатор пациента в обезличенном виде). Это показывает зрелость мышления и хорошо смотрится в отзыве рецензента.
Чему вы научитесь на такой работе
- Проектировать конвейер обработки сигнала от аналогового фронтенда до управляющей команды, с явными границами ответственности модулей.
- Обосновывать выбор модели и стека через ограничения по памяти, энергии, задержке, а не через популярность технологии.
- Работать с измерительным оборудованием и корректно оформлять методику эксперимента: осциллограф, генератор, эталонные нагрузки.
- Разворачивать инфраструктуру — контейнеризация серверной части, пайплайн непрерывной интеграции, автоматический прогон тестов на эталонном наборе записей.
- Оформлять документацию по ГОСТ и защищать технические решения перед комиссией, которая почти наверняка спросит про помехи, задержку и достоверность данных.
Типичные ошибки студентов в работах по биосигналам и протезированию
- Датасет собран на одном человеке. Точность 98 % на самом себе — не результат. Собирайте записи минимум с 5 испытуемых, обязательно указывайте, как менялись электроды и их положение. Иначе первый вопрос на защите: «А как поведёт себя классификатор на другом пациенте?»
- Нет соглашения о задержке. Студент пишет «работает в реальном времени», но не говорит, от какой точки до какой считает время. Зафиксируйте определение: от превышения порогом RMS значения покоя до момента подачи ШИМ-сигнала на привод. Только так метрика становится воспроизводимой.
- Термины и стандарты применяются «для веса». Упоминание ISO 13485 без понимания, что такое управление рисками по ISO 14971, вызывает обратный эффект. Лучше меньше стандартов, но с разбором конкретных пунктов, которые вы реально учли.
- Задачи в начале не совпадают с выводами в конце. Классика жанра: во введении четыре задачи, а в заключении три вывода про другое. Сверяйте списки перед сдачей — это первое, что проверяет нормоконтроль.
Частые вопросы студентов
Обязательно ли делать физический прототип, или хватит моделирования?
Зависит от направления. Для приборостроительных и биотехнических специальностей демонстрация стенда сильно повышает оценку, но допускается вариант «полунатурального моделирования»: реальные записи сигналов, поданные в программу через звуковую карту или генератор. Главное — показать воспроизводимость эксперимента, а не обязательно собрать готовый протез.
Где брать данные, если нет доступа к лаборатории?
Есть открытые наборы: NinaPro с многоканальными записями sEMG, CapgMyo, база PhysioNet по биомедицинским сигналам. Плюс — их можно использовать для сравнения вашей модели с опубликованными результатами. Минус — они плохо описывают именно вашу постановку, поэтому хотя бы небольшую собственную сессию записей (даже на оценочной плате с электродами) стоит сделать: это доказательство работоспособности тракта.
Насколько глубоко нужно уходить в схемотехнику, если я программист?
Достаточно уровня «понимаю, зачем нужен инструментальный усилитель, какие бывают помехи и что фильтрует режектор». Схемотехнику можно взять готовым модулем и описать его характеристики, а свои усилия сконцентрировать на обработке и метриках. Но в аналитической главе обязательно сравните минимум два модуля съёма по шуму, разрядности и интерфейсу.
Как оформить диаграммы, чтобы их приняли?
Единая нотация на всю работу, подписи на русском языке, ссылка на каждый рисунок в тексте, нумерация вида «Рисунок 2.3». Для архитектуры удобен UML (компонентов и развёртывания), для процессов — BPMN или IDEF0, для данных — ER-модель. Не вставляйте скриншоты редактора: экспортируйте в векторном формате и проверьте читаемость в чёрно-белой печати.
Что проверить перед сдачей
- Каждая задача из введения имеет соответствующий результат в заключении — сверено построчно.
- Все метрики из третьей главы имеют методику измерения и указание условий эксперимента.
- Есть ссылка на исходную публикацию и минимум 15–20 источников, из них не менее трети — за последние 5 лет.
- Техническое задание оформлено по ГОСТ 34.602-89 или ГОСТ 19.201-78 в зависимости от типа системы.
- Приложения содержат листинги ключевых модулей, а не весь репозиторий подряд.
- Рисунки, таблицы и формулы пронумерованы, на все есть ссылки в тексте.
- Обезличивание данных пациентов выполнено, если использовались записи реальных людей.
- Проверено соответствие оформления методическим указаниям конкретной кафедры — они часто строже ГОСТа.
Если тема с биосигналами и встраиваемыми классификаторами кажется интересной, но непонятно, с чего начать — начните с консультации. Мы разберём ваш случай, поможем сузить постановку задачи до защищаемого объёма и составим план глав. Средний срок работы над таким проектом с нуля — около 120 часов: сборка стенда, обработка сигналов, эксперименты и оформление. Помощь с дипломом возможна на любом этапе: от формулировки цели до финального оформления по ГОСТ. Первая консультация бесплатная.
Источник: Студенты НГУ создают прототип системы считывания сигналов с тела, позволяющую пользоваться протезами рук, как собственными руками (опубликовано 2026-03-25)