基于LABVIEW的表面肌電信號采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王春紅

(鄭州電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 451450)

0 引言

肌電信號是人體自主運(yùn)動時從骨骼及表面通過電極記錄下來的神經(jīng)肌肉活動發(fā)放的生物電信號，它反映了神經(jīng)、肌肉的功能狀態(tài)，是最早被人類發(fā)現(xiàn)的生物電現(xiàn)象。由于截肢后，大腦仍然發(fā)送支配肢體運(yùn)動的信號給殘肢，這種信號是患者直覺上的一種響應(yīng)方式。骨骼肌根據(jù)大腦指令產(chǎn)生收縮，在收縮力和外力的共同作用下使人體產(chǎn)生特定的靜止姿態(tài)或運(yùn)動狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)了在時間和空間上具有一定特點(diǎn)的運(yùn)動動作。而肌電(EMG)是相應(yīng)肌肉中的電行為，這種行為與肌肉的收縮成正比，同時具有提取方便，信號強(qiáng)度大，容易識別的特點(diǎn)。所以，肌電信號可以作為上肢殘端訓(xùn)練的參考標(biāo)準(zhǔn)。尤其是表面肌電信號(SEMG)以其采集方便，無創(chuàng)傷的優(yōu)點(diǎn)使它成為上肢殘端情況的理想?yún)⒖夹盘枴?/p>

人體皮膚表面的肌電信號幅值約為10uV-5mV，能量主要集中在10Hz-500Hz之間，信號微弱，易受干擾[2]。因此，用電極采集過來的表面肌電信號必須經(jīng)過放大濾波，才能有效的識別。本文采用Ag/AgCl表面電極拾取SEMG信號，設(shè)計(jì)了具有高共模抑制比、抗干擾能力強(qiáng)的信號調(diào)理電路，并在LABVIEW環(huán)境下，設(shè)計(jì)開發(fā)了表面肌電檢測系統(tǒng)上位機(jī)應(yīng)用程序，取得了良好的實(shí)驗(yàn)效果，為之后對表面肌電信號進(jìn)行分析辨識提供了可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)框圖如圖1所示，整個系統(tǒng)主要由Ag/AgCl表面電極、SEMG信號調(diào)理電路、DAQ板卡以及LABVIEW框架下的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成。本文的工作主要集中在肌電信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)、DAQ數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟硬件配置以及LABVIEW程序設(shè)計(jì)。

圖1 肌電信號采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 SEMG信號預(yù)處理電路設(shè)計(jì)

SEMG信號預(yù)處理電路如圖2所示。預(yù)處理電路由儀表放大電路和帶通濾波電路組成。為有效放大差模信號并抑制共模信號以獲得較高信噪比，本系統(tǒng)采用電池供電以減少工頻50Hz信號的干擾并采用儀表放大器AD8222作為前置放大器，采用OPA4347作為后級帶通濾波器。AD8222是AD公司生產(chǎn)的高性能、低功耗儀表放大器。AD8222的共模抑制比高達(dá)126，失調(diào)電壓小于50uV，并且只需外接一個精密電阻就可以在1-10000倍之間設(shè)定放大倍數(shù)。儀表放大電路對差分輸入CH1+，CH1-上的SEMG信號放大一定倍數(shù)并利用電阻R1和電容C1串聯(lián)特性進(jìn)行一階高通濾波抑制運(yùn)動偽跡的影響。預(yù)處理電路的放大倍數(shù)為250倍，通頻帶為10-1000Hz。

圖2 SEMG信號調(diào)理電路

2.2 DAQ 板卡

數(shù)據(jù)采集(Data Acquisition-DAQ)卡是基于PXI總線的內(nèi)置功能插卡，可以充分利用計(jì)算機(jī)的資源增加測試系統(tǒng)的靈活性和擴(kuò)展性。利用DAQ板卡，可快速方便地組建信號采集系統(tǒng)?；贒AQ的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不但實(shí)用而且具有很高的性價比，且PXI總線傳輸速率高，數(shù)據(jù)吞吐量大，因此本系統(tǒng)采用NI公司生產(chǎn)的M系列PXI-6259型PXI總線數(shù)據(jù)采集卡。DAQ板卡與SEMG信號預(yù)處理電路連接實(shí)物圖如圖3所示，選用SCB-68 DAQ板卡連接器的a0通道作為DAQ板卡的輸入信號，即選用SCB-68連接器上的68和34引腳作為正輸入端和負(fù)輸入端。

圖3 硬件電路實(shí)物接線圖

3 LABVIEW程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)接口卡將前置調(diào)理電路拾取的SEMG信號上傳到PC機(jī)，然后結(jié)合LABVIEW軟件編程實(shí)現(xiàn)SEMG信號的實(shí)時采集顯示及時頻域的分析處理。整個LABVIEW程序由數(shù)據(jù)采集程序和波形圖回放程序兩個模塊組成，程序如圖4所示。

圖4 SEMG信號采集系統(tǒng)LABVIEW程序

信號采集模塊是通過DAQ板卡完成對SEMG信號的實(shí)時采集與顯示，由參數(shù)設(shè)置、濾波控制、數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)分析和生成報表三個部分組成。

參數(shù)設(shè)置是用來對數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行設(shè)置的，通過DAQ助手實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)中設(shè)置a0為差分式模擬輸入通道，采樣頻率5KHz，采樣數(shù)為10K以及連續(xù)采樣的方式，同時為了提高精度，輸入范圍設(shè)為-3V-+3V。

濾波是由Filter.vi實(shí)現(xiàn)的，實(shí)驗(yàn)中將該Filter配置為3階Butterworth帶通濾波器，其頻率范圍為10-1000Hz，以進(jìn)一步提取10-1000Hz頻段內(nèi)的SEMG信號。

數(shù)據(jù)保存是將濾波后的信號進(jìn)行數(shù)字到字符串的變換，并寫入文本文件(.txt)以便回放顯示，它是通過Write To Spreadsheet File.vi實(shí)現(xiàn)的。數(shù)據(jù)報表是通過Report.vi來實(shí)現(xiàn)。

信號分析是完成采集信號的特征分析，包括時域中均方根的計(jì)算和頻域中的功率譜計(jì)算。均方根是SEMG信號時域分析中的一種典型特征值，用來衡量SEMG信號的大小。功率譜是數(shù)字信號處理的主要內(nèi)容之一，主要用來研究信號在頻域中的各種特征，目的是根據(jù)有限數(shù)據(jù)在頻域內(nèi)提取被淹沒在噪聲中的有用信號。均方根的計(jì)算和頻域中的功率譜計(jì)算通過RMS.vi和Power Spectrum.vi來實(shí)現(xiàn)。

波形回放模塊是通過Write To Spreadsheet File.vi讀取Write To Spreadsheet File.vi路徑對應(yīng)的.txt文件來實(shí)現(xiàn)的。

4 測試結(jié)果及分析

程序測試選用了一個通道，使用3片一次性Ag/AgCl電極片，測試部位為右手橈側(cè)腕屈肌。從圖5可得，SEMG信號能量主要集中在10Hz-500Hz范圍內(nèi)，放大后幅值不超過0.2V，信號特別微弱。實(shí)驗(yàn)證明，本系統(tǒng)能夠有效的實(shí)現(xiàn)SEMG信號的實(shí)時采集、記錄、存儲、顯示和時頻域分析。

圖5 SEMG信號采集分析圖

5 結(jié)束語

本文針對SEMG信號的特點(diǎn)，采用Ag/AgCl電極對SEMG信號進(jìn)行拾取，設(shè)計(jì)了SEMG信號的檢測方法和相應(yīng)的信號調(diào)理電路，并實(shí)現(xiàn)了DAQ數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟硬件配置以及LABVIEW程序設(shè)計(jì)，很好地解決了SEMG信號的采集和處理問題。本系統(tǒng)具有高效率、便捷快速等優(yōu)點(diǎn)，為之后對SEMG信號進(jìn)行特征提取與上肢動作識別打下了良好的基礎(chǔ)。

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