基于DSP的肌電信號(hào)采集處理*

馮艷梅,仲雪飛,王俊俊,孫　瀚,趙華平,張　雄

(東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,南京 210096)

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基于DSP的肌電信號(hào)采集處理*

馮艷梅,仲雪飛*,王俊俊,孫瀚,趙華平,張雄

(東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,南京 210096)

摘要:肌電信號(hào)(Electromyography)EMG作為一種重要的生物電信號(hào),已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于仿生學(xué)、生物反饋、運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)和康復(fù)工程中。近年來(lái),肌電信號(hào)的研究發(fā)展日益迅猛。主要研究了肌電信號(hào)的采集、分析,基于現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集放大電路和DSP開(kāi)發(fā)平臺(tái),找出肌肉產(chǎn)生肌電信號(hào)較強(qiáng)的位置即最合適安放采集電極的位置。本文選擇了9種手勢(shì)動(dòng)作,運(yùn)用MATLAB對(duì)做不同手勢(shì)動(dòng)作時(shí)采集的肌電信號(hào)進(jìn)行離線分析,同時(shí)對(duì)肌電信號(hào)進(jìn)行濾波處理,分析得出結(jié)論。對(duì)采集過(guò)程中的干擾源進(jìn)行分析,盡可能減少50 Hz工頻信號(hào)的干擾。

關(guān)鍵詞:肌電信號(hào);肌電;DSP開(kāi)發(fā)板;信號(hào)采集

當(dāng)肌肉興奮收縮時(shí),肌纖維也收縮,同時(shí)肌纖維內(nèi)部有一系列的生物化學(xué)變化,以及動(dòng)作電位的變化,如果用一種實(shí)時(shí)的肌電電極將這種動(dòng)作電位變化顯示出來(lái),就形成一種波形圖,稱為肌電圖。從信號(hào)分析的角度講,也可稱為肌電信號(hào)EMG(Electromyography)[1-2]。由于肌電信號(hào)來(lái)源于人自身的電信號(hào),因此肌電信號(hào)具有直接、自然的特點(diǎn)[3],如今利用肌電信號(hào)已經(jīng)成為一種重要的信息量,可以用來(lái)進(jìn)行肌肉運(yùn)動(dòng)[4]、基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究[4]、臨床診斷[5]、肌肉損傷診斷[6]、康復(fù)醫(yī)學(xué)[7]以及運(yùn)動(dòng)體育[8]等方面的研究[9-11]。

根據(jù)檢測(cè)電極的種類和安放位置的不同,肌電信號(hào)可分為針電極肌電信號(hào)NEMG(Needle EMG)和表面電極肌電信號(hào)SEMG(Surface EMG)2種,前者是以針電極(Needle Electrodes)為檢測(cè)電極,后者則是以表面電極(Surface Electrodes)為檢測(cè)電極[9-10]。本文的研究對(duì)象是SEMG(表面肌電信號(hào))。肌電信號(hào)本身是一種較微弱的電信號(hào),而且皮膚和組織對(duì)肌電均有衰減作用,在皮膚表面采集的表面肌電信號(hào)比針電極采集的信號(hào)更微弱,也更易受干擾影響。檢測(cè)和記錄表面肌電信號(hào),需考慮的主要問(wèn)題是盡量消除噪聲和干擾的影響,提高信號(hào)的保真度[10]。

國(guó)外的肌電放大采集系統(tǒng)發(fā)展半個(gè)多世紀(jì),已經(jīng)較好的解決了原始信號(hào)的提取放大分析。加拿大Thought公司是全球表面肌電領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)公司,其表面肌電信號(hào)的提取、分析、訓(xùn)練技術(shù)已經(jīng)成為全球公認(rèn)的最高標(biāo)準(zhǔn)[2]。荷蘭BioSemi公司的Active Two采用280通道,24 bit解析度能有效的檢測(cè)肌電和腦電,其應(yīng)用程序可直接與電腦相連[2]。

在國(guó)內(nèi),生理信號(hào)采集技術(shù)已有幾十年的技術(shù)積累。70年代末,國(guó)內(nèi)醫(yī)學(xué)信息技術(shù)進(jìn)入了新的發(fā)展階段。近幾年肌電采集放大系統(tǒng)發(fā)展迅速。例如中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的董中飛等,設(shè)計(jì)了柔性同心圓差分陣列表面肌電采集系統(tǒng),可適用于各種彎曲的皮膚表面,如臉頰等[12];南京大學(xué)的周兵等,設(shè)計(jì)了便攜式表面肌電信號(hào)采集儀,性能穩(wěn)定,操作簡(jiǎn)便,還具有液晶顯示和USB傳輸性能[13]。

1　肌電信號(hào)采集

通過(guò)將表面電極固定在手臂上,經(jīng)由數(shù)據(jù)采集放大電路和DSP開(kāi)發(fā)平臺(tái)來(lái)采集肌電信號(hào),表面電極、數(shù)據(jù)采集放大電路和DSP開(kāi)發(fā)平臺(tái)組成的肌電信號(hào)采集系統(tǒng)來(lái)采集肌電信號(hào)。由于肌電信號(hào)具有如下的特點(diǎn):

(1)肌電信號(hào)是一種交流電壓,在幅值上與肌肉產(chǎn)生的力大致成比例[8,14]。

(2)肌電信號(hào)是一種微弱的電信號(hào),其幅度范圍一般在0～5 mV之間,一般為20 μV～300 μV[1-2]。

(3)采用表面電極時(shí),肌電信號(hào)能量主要集中在1 000 Hz以下,頻譜分布在20 Hz～500 Hz,其中,絕大部分頻譜集中在50 Hz～150 Hz之間。功率譜最大頻率隨肌肉而定,通常在30 Hz～300 Hz之間[1-2]。

(4)頻域參數(shù)比時(shí)域參數(shù)更能反映肌電特征。因?yàn)楫?dāng)力的大小稍有變化時(shí),其時(shí)域波形變化較大,而頻域特征變化不是很大[2-3]。

(5)同一塊肌肉在作不同動(dòng)作時(shí),其幅值譜頻率特性曲線形狀仍然相似。

針對(duì)表面肌電信號(hào)的特點(diǎn),肌電信號(hào)采集系統(tǒng)應(yīng)該能夠采集微弱的肌電信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行放大,能屏蔽干擾,濾除雜波,得到有用的肌電信號(hào)。下面對(duì)肌電信號(hào)采集系統(tǒng)做介紹。

1.1表面電極放置

本次實(shí)驗(yàn)使用的電極為三點(diǎn)式差動(dòng)輸入電極,采集電極和接地電極均為氯化銀—銀電極。將電極分為2個(gè)部分安放,一部分是接地電極(1個(gè)),另一部分是采集電極(2個(gè))。 由生理學(xué)特點(diǎn)可知：當(dāng)手指和手腕做伸動(dòng)作主要的控制肌群為前臂背側(cè)的尺側(cè)腕伸肌等；當(dāng)手指和手腕做屈動(dòng)作時(shí)主要的控制肌群為前臂前側(cè)的指伸屈肌等。所以,兩個(gè)采集電極分別放在這兩個(gè)位置上,接地電極則需要放在手臂前側(cè)對(duì)手部運(yùn)動(dòng)沒(méi)什么影響的部位。然后對(duì)不同的手勢(shì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。具體安放位置如圖1所示。

圖1　電極安放位置

在放置電極前,要先進(jìn)行以下準(zhǔn)備工作:①為保證電極與皮膚的良好接觸,先用醫(yī)用酒精擦拭電極所在的手臂部位,去除皮膚表面的死皮、油脂,盡量減小電極之間的阻抗[9]。②電極的放置要順著肌肉纖維的方向。應(yīng)避免放在肌腱上或鄰近肌腱,因?yàn)榧±w維在接近肌腱處變得更細(xì),且肌纖維數(shù)目也減少了,導(dǎo)致肌電信號(hào)幅度的降低[2]。③電極用固定帶固定好,以減小工頻[2]。

1.2數(shù)據(jù)采集放大電路

由于肌電信號(hào)非常微弱,正常人體的肌電信號(hào)僅有mV級(jí),在傳遞過(guò)程中很容易受到外電場(chǎng)和電路噪音的影響。因此整個(gè)采集電路的設(shè)計(jì)不僅要考慮信號(hào)的放大倍數(shù),還要充分考慮到怎樣去除干擾,減小工頻,取得有用的肌電信號(hào)。

在設(shè)計(jì)肌電信號(hào)放大電路時(shí),應(yīng)著重考慮以下問(wèn)題:

(1)放大器的增益要高

肌電信號(hào)幅度約在0～5 mV之間,是一種極其微弱的電信號(hào)[1-2],需將其放大到1 V左右才便于使用,因此放大器的放大倍數(shù)應(yīng)設(shè)置在100～1 000之間。

(2)電路的共模抑制比要大

肌電信號(hào)的采集易受50 Hz工頻電源及其他高頻電噪聲的干擾。但這些干擾信號(hào)在放大器的輸入端表現(xiàn)為同幅同相的信號(hào)——共模信號(hào),因此可利用高共模抑制比的放大電路對(duì)共模干擾信號(hào)進(jìn)行抑制[1-2]。

(3)電極的輸入阻抗要高于電極與皮膚的接觸阻抗。皮膚與電極之間的接觸阻抗的可能變化范圍是十分大的,例如在天氣干燥地區(qū)接觸電阻甚至高達(dá)2 MΩ[2]。因此在類似的條件下,即使放大器的共模抑制比性能十分優(yōu)良,但如果輸入阻抗不夠高,共模干擾信號(hào)依舊會(huì)造成較大的輸出誤差,因此必須提高放大器的輸入阻抗[1-2]。

本次實(shí)驗(yàn)使用的放大電路是已有的放大電路,為分級(jí)放大電路,其基本電路示意圖如圖2所示。

肌電信號(hào)通過(guò)分級(jí)放大,并在放大過(guò)程中將其輸入到濾波器中,通過(guò)低通和高通濾波器濾去無(wú)用信號(hào)、干擾和噪聲頻率后,再經(jīng)由陷波器濾除50 Hz的工頻信號(hào)。經(jīng)過(guò)這一系列的肌電信號(hào)放大采集和處理后,我們可以得到較好的肌電信號(hào)來(lái)進(jìn)行接下來(lái)的實(shí)驗(yàn)。

圖2　放大電路示意圖

1.3干擾源和噪聲分析及其解決方案

由于肌電信號(hào)非常微弱,在采集信號(hào)的過(guò)程中,不可避免地會(huì)引入許多干擾,使有用的肌電信號(hào)淹沒(méi)在干擾噪聲中。因此正確區(qū)分及排除干擾是肌電信號(hào)采集過(guò)程中的重要任務(wù)。可以說(shuō),有效的抑制干擾是整個(gè)系統(tǒng)最關(guān)鍵的部分。在這里,通過(guò)分析干擾來(lái)源及其特性以及提供解決方法來(lái)為減少實(shí)驗(yàn)干擾提供依據(jù)。

(1)50 Hz工頻干擾

該干擾來(lái)源于市電電源,愈是靠近電源,干擾愈明顯。50 Hz工頻干擾通常是實(shí)驗(yàn)中最常出現(xiàn)、幅度最大的干擾。減少50 Hz干擾的最簡(jiǎn)便易行的方法是電極連線采用帶屏蔽的電纜,并盡可能縮短電纜的長(zhǎng)度,減少干擾?；蛘吒淖儗?dǎo)線、實(shí)驗(yàn)者或測(cè)量裝置的方向,尋找最佳位置,使被測(cè)試者遠(yuǎn)離電源。當(dāng)然,屏蔽實(shí)驗(yàn)室是最佳解決工頻干擾的方法[1-3]。

(2)高頻干擾

來(lái)源于電臺(tái)、無(wú)線通訊設(shè)施、其他儀器等。這些信號(hào)的頻率遠(yuǎn)在肌電信號(hào)的頻段之外,通常不直接引起干擾。但是當(dāng)出現(xiàn)電極接觸不良或高頻信號(hào)過(guò)強(qiáng)時(shí),可因“檢波”及高頻“削波干擾”產(chǎn)生低頻信號(hào),進(jìn)而形成干擾。解決的方法是加入低通濾波來(lái)濾去高頻干擾信號(hào)[2-3]。

(3)其他生物電信號(hào)

信號(hào)與干擾是相對(duì)的,當(dāng)采集心電信號(hào)時(shí)肌電信號(hào)被視為干擾。當(dāng)采集肌電信號(hào)時(shí)心電信號(hào)也被視為干擾。因此,目的信號(hào)以外的其他生物電信號(hào)均可視為干擾,都應(yīng)設(shè)法去除[10]。

(4)背景噪聲

主要來(lái)源于放大器電子元件本身產(chǎn)生的電壓和電流,一般與放大器內(nèi)部元件的質(zhì)量和性能有關(guān)。在輸入回路中,也會(huì)引入噪聲,其大小與電極電位、接觸電阻有關(guān)[10]。因此,在選擇放大器時(shí),盡可能選擇高質(zhì)量的電子元件,來(lái)減小噪聲[10]。

(5)刺激偽跡

刺激偽跡的實(shí)質(zhì)是放大器直接記錄到的電刺激信號(hào),它是以電的方式傳到記錄端的,是一個(gè)純粹物理的過(guò)程。刺激偽跡過(guò)大會(huì)干擾隨后出現(xiàn)的肌電信號(hào)。采用隔離輸出、縮小刺激電極間距、加大刺激電極與記錄電極的距離、在刺激與記錄電極之間接地、減小刺激波寬等方法有助于減小刺激偽跡[10]。

2　肌電信號(hào)分析

2.1手勢(shì)動(dòng)作的選取

手勢(shì)動(dòng)作包括腕關(guān)節(jié)動(dòng)作、手掌動(dòng)作以及手指動(dòng)作。在手勢(shì)動(dòng)作的選擇上,既要考慮到分類的可行性,又要使得動(dòng)作之間具有較大的差異,此外動(dòng)作需要簡(jiǎn)單易學(xué)。本文在此基礎(chǔ)上選擇了9種手勢(shì)動(dòng)作[3,9,14]。

圖3是9種手勢(shì)動(dòng)作(伸食指、伸中指、握拳、屈腕、伸腕、向左揮手、向右揮手、向上揮手、向下?lián)]手)的形態(tài)。

圖3　9種手勢(shì)動(dòng)作的形態(tài)

2.2在線實(shí)驗(yàn)

本次實(shí)驗(yàn)在安靜、燈光適宜的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)時(shí),儀器應(yīng)可靠接地,并遠(yuǎn)離強(qiáng)大的靜電場(chǎng)與電磁場(chǎng),室溫在20 ℃左右。實(shí)驗(yàn)使用表面心電電極,實(shí)驗(yàn)前對(duì)電極粘貼處的皮膚做以下處理:用酒精擦洗并晾干,并用角質(zhì)膏去角質(zhì)。在粘貼電極時(shí)將導(dǎo)電膠對(duì)準(zhǔn)被測(cè)皮膚適當(dāng)施壓,保證導(dǎo)電膠與皮膚接觸良好。將電極放置好后,要用固定帶將電極固定好,以防止電極移動(dòng),影響實(shí)驗(yàn)效果。隨后需要將電極與放大電路連接好,并將放大電路與DSP開(kāi)發(fā)板的GND,16 V和輸出連接到一起。當(dāng)所有準(zhǔn)備工作做完后,受試者在經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的適應(yīng)性訓(xùn)練后,則對(duì)上述9種手勢(shì)動(dòng)作重復(fù)執(zhí)行2次。做完一種動(dòng)作后,休息幾分鐘,以防止肌肉的疲勞。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可以通過(guò)DSP把肌電數(shù)據(jù)存儲(chǔ)下來(lái),也可通過(guò)示波器記錄下肌電波形,示波器記錄下的波形是的采樣率為200 Hz,利用示波器分別記錄下9手勢(shì)動(dòng)作時(shí)肌電信號(hào)的波形圖,并對(duì)其進(jìn)行后續(xù)處理。

2.3數(shù)據(jù)處理

對(duì)于上述實(shí)驗(yàn)所得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),采用MATLAB可以直觀的把采集到的肌電信號(hào)顯示出來(lái),并對(duì)其進(jìn)行離線分析處理。

原始信號(hào)波形圖如圖4所示(按上述手勢(shì)動(dòng)作順序,每?jī)山M為一個(gè)手勢(shì)動(dòng)作)。

圖4　肌電信號(hào)原始時(shí)域波形圖

圖5　肌電信號(hào)原始頻域波形圖

在后續(xù)的數(shù)據(jù)分析中將采集到的信號(hào)進(jìn)行FFT變換,得到原始數(shù)據(jù)的頻域圖如圖5所示。

而后我們使用陷波濾波器來(lái)有效去除肌電信號(hào)中的工頻信號(hào)。陷波器的濾波器特性如圖6所示。

圖6　陷波器的濾波器特性

經(jīng)過(guò)陷波器濾波后,肌電信號(hào)的時(shí)域波形如圖7所示,頻域波形如圖8所示。

圖7　濾波后信號(hào)時(shí)域波形

圖8　濾波后信號(hào)頻域波形

觀察分析上述波形可以得到:

(1)伸食指和伸中指的波形幅度比較小,并不如其他動(dòng)作幅度大。這說(shuō)明,單單只動(dòng)一個(gè)手指,肌電信號(hào)并不強(qiáng)。

(2)當(dāng)執(zhí)行同一組動(dòng)作時(shí),同一塊肌肉的信號(hào)在時(shí)域和頻域上都非常的相似。當(dāng)然,執(zhí)行不同的動(dòng)作時(shí),由于肌肉收縮方式不同,施加的力也有差異,所以產(chǎn)生的肌電信號(hào)也有不同,這點(diǎn)在上述波形中也有明顯的體現(xiàn)。

(3)從每組的兩幅不同的圖中,可以發(fā)現(xiàn):盡管執(zhí)行的是同樣的動(dòng)作,但是肌肉的信號(hào)仍然有差別,并不是一模一樣的。

(4)不同動(dòng)作的肌電信號(hào),并不相同,可以從波形圖上分辨出來(lái),這使得肌電信號(hào)可以用來(lái)做較多腦電信號(hào)做不到的實(shí)驗(yàn),例如信號(hào)識(shí)別等,這在一定程度上擴(kuò)大了肌電信號(hào)的使用范圍。

(5)雖然在設(shè)計(jì)電路與實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,我們已經(jīng)考慮到了50 Hz工頻信號(hào)的影響,并且盡可能的去除了工頻信號(hào),但是由于某些不可抗因素,例如電極線有一定的長(zhǎng)度,實(shí)驗(yàn)時(shí)使用的電源與示波器的影響使得仍然有部分50 Hz工頻信號(hào)存在,當(dāng)然,這部分信號(hào)可以通過(guò)后期對(duì)信號(hào)的處理來(lái)去除。

(6)肌電信號(hào)具有很強(qiáng)的可利用性,它可以有比較小的幅值,例如伸食指和伸中指,同時(shí)它也可以有比較大的幅值,例如屈伸腕和揮手等,這說(shuō)明肌電信號(hào)在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中可以發(fā)揮很大的作用。

3　總結(jié)

本文基于DSP開(kāi)發(fā)板對(duì)肌電信號(hào)做了初步的探索,采集并研究分析了不同手勢(shì)產(chǎn)生的肌電信號(hào),可以發(fā)現(xiàn),肌電信號(hào)比其他生物電信號(hào)更具有實(shí)用性,不同手勢(shì)的肌電信號(hào)差別較大,在信號(hào)識(shí)別方面具有更大的優(yōu)勢(shì);做實(shí)驗(yàn)的受試者只需要稍加訓(xùn)練即可進(jìn)行試驗(yàn),并且在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中肌電信號(hào)的延遲時(shí)間較小。這表明肌電信號(hào)在日后實(shí)驗(yàn)研究中有更為廣泛的應(yīng)用。

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馮艷梅(1991-),女,江蘇鹽城人,碩士研究生,研究方向?yàn)轱@示科學(xué)與技術(shù);

仲雪飛(1975-),女,江蘇南京人,副教授,研究生導(dǎo)師,專業(yè)為物理電子學(xué),方向?yàn)轱@示技術(shù)。2001年留校任教,2006年至今在東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院任副教授。2002年5月至2003年5月赴荷蘭飛利浦公司工作,主要從事場(chǎng)發(fā)射顯示器的理論模擬和工藝研究。2003年至今從事顯示器質(zhì)量評(píng)價(jià)、圖像視覺(jué)感知及場(chǎng)發(fā)射顯示理論模擬的研究。主持了一項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金課題,先后參與了多項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金、863課題,主持并完成了多項(xiàng)與飛利浦公司的合作項(xiàng)目。在國(guó)內(nèi)外期刊和會(huì)議上發(fā)表了數(shù)十篇文章。

ElectromyographyCollectionandProcessingBasedonDSP*

FENGYanmei,ZHONGXuefei*,WANGJunjun,SUNHan,ZHAOHuaping,ZHANXiong

(School of Electronic Science and Engineering,Southeast University,Nanjing 210096,China)

Abstract:As an important biological signal,electromyography(EMG)has been used widely in bionics,biofeedback,sports medicine and rehabilitation engineering.Recently,the research and development on EMG grow rapidly.Focusing on the collection and analysis of the EMG,the muscle localization can be found to generate strong EMG,i.e.the most suitable position for the placement of the electrode based on the existing data collection amplifying circuit and DSP development platform.MATLAB is used to analyze the EMG signal from 9 gestures,filter the signal and draw the conclusions.The interference sources in the acquisition process are also analyzed and the method of reducing interference of the 50 Hz power frequency signal is found.

Key words:EMG;electrode;DSP development platform;signal acquisition

doi:EEACC:7210G10.3969/j.issn.1005-9490.2014.05.007

中圖分類號(hào):R337

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1005-9490(2014)05-0830-05

收稿日期:2013-09-29修改日期:2013-10-09

項(xiàng)目來(lái)源:國(guó)家“973”計(jì)劃項(xiàng)目(2010CB327705)