1、外表肌電信號(hào)測(cè)試中工頻干擾的抑制X羅志增任曉亮(杭州電子工業(yè)學(xué)院杭州310037)摘要介紹了一種外表肌電信號(hào)( EMG) 測(cè)試調(diào)理電路和信號(hào)處理的方法。外表EMG測(cè)量中最難處理的問題之一是工頻(50Hz) 干擾,它處在有效的肌電信號(hào)頻帶之中。針對(duì)外表EMG的測(cè)量特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種信號(hào)調(diào)理電路,使肌電信號(hào)和工頻信號(hào)并行單獨(dú)處理,防止了不加區(qū)分地采用工頻陷波器,這一設(shè)計(jì)思想在實(shí)際的肌電信號(hào)檢測(cè)時(shí)取得了較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。關(guān)鍵詞外表肌電信號(hào)工頻干擾信號(hào)處理Power Frequency Noise Restraint in Surface Electromyography MeasurementLuo Zh

2、izeng Ren Xiaoliang( Hangz hou Institute of Elect ronic Engineering , Hangz hou 310037 , China)Abstract A surface electromyography ( EMG) detection and processing circuit is discussed. The surface EMGis usuallydisturbed by power frequency noise. In that cases , it is a problem , because the surface

3、EMGis confused with power fre2quency noise. A processing circuit for the measurement of surface EMGis designed by using a parallel structure respec2tively for EMG signal processing and power frequency noise processing. It can be avoided that a 50Hz trap filter abused.The experimentation proved the d

4、eveloped circuit was effective.Key words Surface EMGPower frequency noise Signal processing1 引言肌電信號(hào)( EMG) 是一種伴隨肌肉運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的生物電信號(hào),外表EMG 那么是通過檢測(cè)手段獲取的肌肉外表皮膚上的電信號(hào)。在人的肢體運(yùn)動(dòng)時(shí),大腦皮層中控制運(yùn)動(dòng)區(qū)域的神經(jīng)元興奮并產(chǎn)生一定頻率的電脈沖,這個(gè)電脈沖通過神經(jīng)系統(tǒng)精確地傳導(dǎo)至特定的肌肉纖維。當(dāng)這些電脈沖到達(dá)神經(jīng)肌肉突觸時(shí),在肌纖維中產(chǎn)生終板電位,它的去極化將在肌纖維中產(chǎn)生一串動(dòng)作電位,引起肌肉收縮,使肢體完成大腦所設(shè)定的動(dòng)作,與此同時(shí),在皮膚外表也產(chǎn)生

5、復(fù)雜的生物電現(xiàn)象。外表EMG是肢體運(yùn)動(dòng)中各局部肌肉活動(dòng)所生成的綜合生理電現(xiàn)象,對(duì)外表EMG 的分析研究可發(fā)現(xiàn)它與肌肉生理狀態(tài)和肢體運(yùn)動(dòng)模式之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,進(jìn)而可廣泛應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)、運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)、醫(yī)療康復(fù)(包括仿生假肢) 等諸多領(lǐng)域1 。外表EMG是一種很微弱的生理電現(xiàn)象。早先,為了獲得穩(wěn)定的肌電信號(hào),一般采用針電極(扎入對(duì)應(yīng)的肌肉部位) 。近年來,隨著檢測(cè)技術(shù)和信號(hào)處理手段的進(jìn)步,研究如何用外表EMG信號(hào)代替針電極EMG進(jìn)行全面臨床無損診斷,已經(jīng)成為醫(yī)學(xué)和生物醫(yī)學(xué)界研究的熱點(diǎn)問題之一3 ,外表電極測(cè)量一般會(huì)帶來較明顯的工頻干擾,通常的方法是采用工頻陷波器。工頻陷波器存在的缺陷是顯而易見的,因?yàn)橄莶?/p>

6、濾波器盡管濾除了工頻干擾,同時(shí)對(duì)有用的信號(hào)也造成較大的損害。隨著測(cè)試技術(shù)的開展,肌電測(cè)試系統(tǒng)越來越傾向于不加工頻陷波器,因而測(cè)試系統(tǒng)是否采用陷波濾波器已成為衡量測(cè)試數(shù)據(jù)是否可靠、精確的重要標(biāo)志之一2 。下面根據(jù)肌電信號(hào)及干擾產(chǎn)生的原理,介紹作者所研制的外表EMG 的測(cè)試方法、設(shè)計(jì)思想和信號(hào)處理的手段,并用實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法驗(yàn)證了這一設(shè)計(jì)思想。第26 卷第2 期儀器儀表學(xué)報(bào)2023 年2 月X 本文于2023 年3 月收到,系國家自然科學(xué)基金(60474054) 、浙江省自然科學(xué)基金(RC02070) 資助工程。2 系統(tǒng)組成小臂外表肌電信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)框圖如圖1 所示,它由拾電電極、高通濾波、儀器放大器

7、、低通濾波、匹配濾波器、A/ D 轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理、顯示等局部組成。圖中虛框局部分別是肌電信號(hào)、工頻信號(hào)預(yù)處理電路。肌電信號(hào)預(yù)處理電路中,首先進(jìn)行高通濾波,抑制微弱輸入信號(hào)中存在的漂移現(xiàn)象。由于輸入信號(hào)是皮膚外表的生物電信號(hào),信號(hào)源的內(nèi)阻非常高,而且電極與皮膚的接觸良好程度、汗液的分泌等諸多不確定因素均可對(duì)輸入信號(hào)產(chǎn)生影響,比擬嚴(yán)重的情況是輸入信號(hào)緩慢漂移,如果直接接入高倍數(shù)的放大器,可能引起輸出飽和。從文獻(xiàn) 3 得知,有效的肌電信號(hào)大致在5500Hz范圍,所以,直流至5Hz 的低頻信號(hào)經(jīng)過高通濾波先給予濾除。高通濾波后的信號(hào)接入儀器放大器,該放大器采用專用芯片INA114 ,該運(yùn)放的共模抑制比

8、高達(dá)115dB ,失調(diào)電壓 50V ,并且只需外掛一個(gè)電阻就可以在110000 倍之間設(shè)定放大倍數(shù),一般,儀器放大器的放大倍數(shù)要到達(dá)1000 以上。低通濾波(截止頻率約500Hz) 用來濾去高頻噪聲。圖1 肌電信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)的組成目前,常規(guī)的信號(hào)調(diào)理電路在低通濾波后再接一個(gè)50Hz 的陷波器就完成了4 ,這樣的處理方法不僅盲目,而且對(duì)50Hz 及附近頻率的有效肌電信號(hào)也要產(chǎn)生很大的衰減作用,這是任何一種好的處理方法都應(yīng)該防止的。首先,輸出信號(hào)中有無工頻干擾,需要科學(xué)地界定;其次,模擬帶阻濾波器的阻帶頻段有一定范圍,在該范圍內(nèi)的肌電信號(hào)將都受到帶阻濾波器的影響;再者,工頻本身也可能有漂移,所以用一

9、個(gè)固定頻率的帶阻濾波器進(jìn)行濾波也是有缺陷的。作者在這里的設(shè)計(jì)思想是,增加一路匹配濾波器,匹配信號(hào)直接來自引發(fā)工頻干擾的交流電源,匹配濾波器將對(duì)肌電信號(hào)中可能存在的工頻信號(hào)進(jìn)行顯著的放大,對(duì)其它信號(hào)或噪聲那么給予有效的抑制,繼而確定所輸出的肌電信號(hào)中有無工頻干擾,被干擾的程度又怎樣。匹配濾波器的輸出經(jīng)A/ D 轉(zhuǎn)換進(jìn)入計(jì)算機(jī)后,用常規(guī)的頻譜分析法5 ,由計(jì)算機(jī)對(duì)肌電信號(hào)中存在的工頻信號(hào)實(shí)施“顯著性判斷,如果存在工頻干擾,那么測(cè)出干擾頻率,并對(duì)另一路輸入的肌電信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波(陷波) ,否那么,不作陷波濾波處理。3 匹配濾波器的設(shè)計(jì)匹配濾波器的模型如圖2 所示,非活動(dòng)狀態(tài)下的肌電信號(hào)當(dāng)作白噪聲處理

10、。那么,該濾波器的輸入端加有已知信號(hào)si (t) (交流電源) 和白噪聲ni (t) ,總輸入為:x(t) = si (t) + ni (t) (1)ni (t) 的功率譜是N2 。信號(hào)的頻譜是si (t) 的傅氏變換:Fsi() = ( + )- si (t) e - jtdt (2)圖2 匹配濾波器模型此時(shí),濾波器的輸出y(t) 也必然包含信號(hào)與噪聲兩部分:y(t) = so (t) + no (t) (3)其中:so (t) =12+ - H() Fsi() e + jtd輸出噪聲的平均功率是:E n2o (t) = Rno(0) =12N2+ - | H() | 2d (4)令T0 為

11、某一指定時(shí)刻,在此時(shí)刻輸出的信噪比定義為:ro =| so ( To) | 2E(n2o )=12+ - H() Fsi() ejtd2N4+ - H() 2d(5)194 儀器儀表學(xué)報(bào)第2 6 卷設(shè)計(jì)匹配濾波器的目的,就是確定濾波器的頻率特性H() ,使ro 取得最大值。設(shè):F(x) 、Q(x) 是實(shí)變量x 的兩個(gè)復(fù)函數(shù),由Schwartz不等式:F(x) F3 (x) dx Q(x) Q3 (x) dx F3 (x) Q(x) dx 2 (6)當(dāng)且僅當(dāng)F(x) = kQ(x) 時(shí),不等式取等號(hào)。式中:k 是任意實(shí)常數(shù)。令:F3 (x) = Fsi() ejT0 ,Q(x) = H() ,并

12、將Schwartz 不等式應(yīng)用于(5) 式。注意到:F3 (x) F(x) = | F(x) | 2 = Fsi() 2 ejT0是相位因子,對(duì)幅值無影響;而Q3 (x) Q(x) = Q(x) 2 = H() 2 ,于是得:12+ - H() Fsi() ejT0d2142 + - H() 2d+ - Fsi() 2d (7)所以:r0 142 + - H() 2d+ - Fsi() 2dN4+ - H() 2d=12+ - Fsi() 2dN/ 2=iN/ 2(8)根據(jù)巴塞瓦定理,12+ - Fsi() 2d 是輸入信號(hào)的能量i 。由此可見,最大輸出信噪比為:ro max =2iN(9)S

13、chwartz 不等式取等式的條件是F( x) = kQ( x) ,取k= 1 ,于是:H() = F3si() e - jT0 (10)(10) 式的含義是,從頻域上看,匹配濾波器應(yīng)具有以下特點(diǎn):(1) 幅頻特性與信號(hào)si 的幅頻特性相同。(2) 相頻特性與信號(hào)的相頻特性相反。(3) 由(1) 、(2) 式所得的特性應(yīng)再乘以線性相位因子e - jT0 。4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果將外表電極分別固定在人的手臂外側(cè)(尺側(cè)腕伸肌) 和內(nèi)側(cè)(尺側(cè)腕曲肌) 上,用屏蔽電纜將外表EMG引入信號(hào)處理電路,由低通濾波和匹配濾波輸出的兩路信號(hào)經(jīng)A/ D 轉(zhuǎn)換輸入計(jì)算機(jī)存儲(chǔ),對(duì)匹配濾波器輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT 運(yùn)算,找出功

14、率譜中峰值點(diǎn)的頻率,如果峰值頻率在50Hz (是預(yù)先設(shè)定的頻率偏移,實(shí)驗(yàn)確定) 之外,那么低通濾波器輸出即為最后的肌電信號(hào)輸出,送虛擬儀器顯示;如果峰值頻率在50Hz 之內(nèi),且該峰值與5500Hz 范圍內(nèi)的其它峰值之比大于常數(shù)c(由經(jīng)驗(yàn)確定) ,那么低通濾波器輸出的數(shù)據(jù)尚需數(shù)字濾波。該數(shù)字濾波器是一個(gè)帶阻濾波器,濾波器的中心頻率是匹配濾波器輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT 運(yùn)算所得功率譜中峰值點(diǎn)的頻率,經(jīng)數(shù)字濾波后的數(shù)據(jù)為最后的肌電信號(hào)輸出,送虛擬儀器顯示。表1 是用信號(hào)發(fā)生器模擬50Hz 交流電源工頻干擾時(shí),測(cè)試系統(tǒng)輸出的幅頻特性數(shù)據(jù),當(dāng)交流電源的中心頻率改變時(shí),其幅頻特性也作相應(yīng)改變,但以中心頻率為最大

15、陷波的特性不變。表1 交流電源中心頻率為50Hz 時(shí)的測(cè)試系統(tǒng)響應(yīng)特性輸入頻率(Hz) 4810 4910 4915 5010 5015 5110 5210輸出幅值(V) 2136 1117 0138 0110 0141 1138 2139肌電信號(hào)用虛擬儀器(由Labview 編制) 可直觀地顯示出來,圖3 分別記錄了手臂靜止和上下翻腕時(shí)尺側(cè)腕伸肌、尺側(cè)腕曲肌外側(cè)皮膚外表的EMG波形。圖3 手腕靜止和翻腕時(shí)的外表EMG波形比照(下轉(zhuǎn)第210 頁)第2 期外表肌電信號(hào)測(cè)試中工頻干擾的抑制195的難度,提高了軟件的可讀性和可維護(hù)性,減少了軟件出錯(cuò)的概率。同時(shí),數(shù)據(jù)倉庫,特別是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),成為了版本控

16、制的核心,應(yīng)用軟件適配器有利于版本升級(jí)和向下兼容管理。該智能顯示器以強(qiáng)大的功能、簡單的操作在虛擬儀器開發(fā)中得到很好的應(yīng)用。參考文獻(xiàn)1 Qin Shuren. Intelligent virtual controls new concept ofvirtual instrument . Proceedings of 2nd ISIST , Aug 2023 ,1 :7579.2 Qin Shuren , Tang Baoping. Intelligent virtual controls The measuring instrument from whole to part . The Chin

17、eseJournal of Mechanical Engineering , 2023 , 15 (2) : 131 135.3 秦樹人,湯寶平. 面向21 世紀(jì)的綠色儀器系統(tǒng). 中國機(jī)械工程,2023 ,11 (3) :275278.4 Tang Baoping. Implementation of intelligent virtual controlsbased on Qins model ISIST , 2023 ,144151.5 Luchham D ,Vera J ,Meldw S. Three concepts of system ar2chitecture. Technical

18、 Report , CSL2TR2952674 , StandfordUniversity ,1995.6 楊芙清,梅宏,李克群. 軟件復(fù)用與軟件構(gòu)件技術(shù). 電子學(xué)報(bào),1999 , (2) :6875.7 W. M. P. van der Aalst , K. M. van Hee , R. A. van derToorn. Component2based software arhitectures : a frame2work based on inheritance of behavior. Science of ComputerProgramming , 2023 ,42 :129171

19、.8 John Grundy , John Hosking. Developing adaptable use in2terfaces for component2based systems. Interacting withComputers , 2023 ,14 :175194.9 Jonathan Lee , Kuo2Hsuo Hsu. Modeling software arhitec2tures with goals in virtual university environment . Informa2tion and Software Technology ,2023 ,44 :

20、361380.10 張世琨,張文娟,常欣,王立福,楊芙清. 基于軟件體系結(jié)構(gòu)的可復(fù)用構(gòu)件制作和組裝. 軟件學(xué)報(bào),2001 ,12 (9) :13511359.11 鮑時(shí)全,郭錫伯. 計(jì)算機(jī)繪制三維圖形的數(shù)學(xué)模型及其實(shí)現(xiàn). 工科數(shù)學(xué),1994 , (10) :125131.12 崔漢國,陳玉林,張慧. 基于微機(jī)的三維數(shù)據(jù)場(chǎng)可視化系統(tǒng)的研制. 計(jì)算機(jī)工程,1998 ,24 (3) :3133.13 程芳真,蔣滋康. 通用型智能化實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示與處理系統(tǒng),計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,1997 ,14 (1) :3741.(上接第195 頁)從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可直觀地看到,尺側(cè)腕伸肌、尺側(cè)腕曲肌外側(cè)皮膚外表的EMG在靜止和手腕動(dòng)作時(shí)有明顯的變化。經(jīng)測(cè)試系統(tǒng)處理的EMG 信號(hào),不但無明顯的工頻干擾痕跡,而且有良好的一致性,即,手腕上下翻腕與尺側(cè)腕伸肌、尺側(cè)腕曲肌外側(cè)皮膚外表的肌電信號(hào)變化(強(qiáng)弱) 有很好的對(duì)稱性。5 結(jié)論肌電信號(hào)的提取和分析處理是一個(gè)集生物醫(yī)學(xué)、電子學(xué)、信息處理等多門學(xué)科的綜合應(yīng)用技術(shù),它的研究還很不完善。作者針對(duì)肌電信號(hào)的檢測(cè)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種獨(dú)特的信號(hào)調(diào)理電路,使肌電信號(hào)和工頻信號(hào)并行單獨(dú)處理,并將工頻信號(hào)的處理結(jié)果作為肌電信號(hào)是否進(jìn)行數(shù)字陷波器處理的判斷條件,防止了不加