基于LABVIEW的表面肌电信号采集系统设计

2013-08-14王春红

河南科技 2013年7期

王春红

(郑州电力职业技术学院，河南郑州 451450)

0 引言

肌电信号是人体自主运动时从骨骼及表面通过电极记录下来的神经肌肉活动发放的生物电信号，它反映了神经、肌肉的功能状态，是最早被人类发现的生物电现象。由于截肢后，大脑仍然发送支配肢体运动的信号给残肢，这种信号是患者直觉上的一种响应方式。骨骼肌根据大脑指令产生收缩，在收缩力和外力的共同作用下使人体产生特定的静止姿态或运动状态，从而实现了在时间和空间上具有一定特点的运动动作。而肌电(EMG)是相应肌肉中的电行为，这种行为与肌肉的收缩成正比，同时具有提取方便，信号强度大，容易识别的特点。所以，肌电信号可以作为上肢残端训练的参考标准。尤其是表面肌电信号(SEMG)以其采集方便，无创伤的优点使它成为上肢残端情况的理想参考信号。

人体皮肤表面的肌电信号幅值约为10uV-5mV，能量主要集中在10Hz-500Hz之间，信号微弱，易受干扰[2]。因此，用电极采集过来的表面肌电信号必须经过放大滤波，才能有效的识别。本文采用Ag/AgCl表面电极拾取SEMG信号，设计了具有高共模抑制比、抗干扰能力强的信号调理电路，并在LABVIEW环境下，设计开发了表面肌电检测系统上位机应用程序，取得了良好的实验效果，为之后对表面肌电信号进行分析辨识提供了可靠的实验数据。

1 系统的总体结构设计

系统框图如图1所示，整个系统主要由Ag/AgCl表面电极、SEMG信号调理电路、DAQ板卡以及LABVIEW框架下的计算机系统组成。本文的工作主要集中在肌电信号调理电路设计、DAQ数据采集系统的软硬件配置以及LABVIEW程序设计。

图1 肌电信号采集系统结构框图

2 硬件电路设计

2.1 SEMG信号预处理电路设计

SEMG信号预处理电路如图2所示。预处理电路由仪表放大电路和带通滤波电路组成。为有效放大差模信号并抑制共模信号以获得较高信噪比，本系统采用电池供电以减少工频50Hz信号的干扰并采用仪表放大器AD8222作为前置放大器，采用OPA4347作为后级带通滤波器。AD8222是AD公司生产的高性能、低功耗仪表放大器。AD8222的共模抑制比高达126，失调电压小于50uV，并且只需外接一个精密电阻就可以在1-10000倍之间设定放大倍数。仪表放大电路对差分输入CH1+，CH1-上的SEMG信号放大一定倍数并利用电阻R1和电容C1串联特性进行一阶高通滤波抑制运动伪迹的影响。预处理电路的放大倍数为250倍，通频带为10-1000Hz。

图2 SEMG信号调理电路

2.2 DAQ 板卡

数据采集(Data Acquisition-DAQ)卡是基于PXI总线的内置功能插卡，可以充分利用计算机的资源增加测试系统的灵活性和扩展性。利用DAQ板卡，可快速方便地组建信号采集系统。基于DAQ的数据采集系统不但实用而且具有很高的性价比，且PXI总线传输速率高，数据吞吐量大，因此本系统采用NI公司生产的M系列PXI-6259型PXI总线数据采集卡。DAQ板卡与SEMG信号预处理电路连接实物图如图3所示，选用SCB-68 DAQ板卡连接器的a0通道作为DAQ板卡的输入信号，即选用SCB-68连接器上的68和34引脚作为正输入端和负输入端。

图3 硬件电路实物接线图

3 LABVIEW程序设计

本系统利用数据接口卡将前置调理电路拾取的SEMG信号上传到PC机，然后结合LABVIEW软件编程实现SEMG信号的实时采集显示及时频域的分析处理。整个LABVIEW程序由数据采集程序和波形图回放程序两个模块组成，程序如图4所示。

图4 SEMG信号采集系统LABVIEW程序

信号采集模块是通过DAQ板卡完成对SEMG信号的实时采集与显示，由参数设置、滤波控制、数据保存、数据分析和生成报表三个部分组成。

参数设置是用来对数据采集卡进行设置的，通过DAQ助手实现。实验中设置a0为差分式模拟输入通道，采样频率5KHz，采样数为10K以及连续采样的方式，同时为了提高精度，输入范围设为-3V-+3V。

滤波是由Filter.vi实现的，实验中将该Filter配置为3阶Butterworth带通滤波器，其频率范围为10-1000Hz，以进一步提取10-1000Hz频段内的SEMG信号。

数据保存是将滤波后的信号进行数字到字符串的变换，并写入文本文件(.txt)以便回放显示，它是通过Write To Spreadsheet File.vi实现的。数据报表是通过Report.vi来实现。

信号分析是完成采集信号的特征分析，包括时域中均方根的计算和频域中的功率谱计算。均方根是SEMG信号时域分析中的一种典型特征值，用来衡量SEMG信号的大小。功率谱是数字信号处理的主要内容之一，主要用来研究信号在频域中的各种特征，目的是根据有限数据在频域内提取被淹没在噪声中的有用信号。均方根的计算和频域中的功率谱计算通过RMS.vi和Power Spectrum.vi来实现。

波形回放模块是通过Write To Spreadsheet File.vi读取Write To Spreadsheet File.vi路径对应的.txt文件来实现的。

4 测试结果及分析

程序测试选用了一个通道，使用3片一次性Ag/AgCl电极片，测试部位为右手桡侧腕屈肌。从图5可得，SEMG信号能量主要集中在10Hz-500Hz范围内，放大后幅值不超过0.2V，信号特别微弱。实验证明，本系统能够有效的实现SEMG信号的实时采集、记录、存储、显示和时频域分析。

图5 SEMG信号采集分析图

5 结束语

本文针对SEMG信号的特点，采用Ag/AgCl电极对SEMG信号进行拾取，设计了SEMG信号的检测方法和相应的信号调理电路，并实现了DAQ数据采集系统的软硬件配置以及LABVIEW程序设计，很好地解决了SEMG信号的采集和处理问题。本系统具有高效率、便捷快速等优点，为之后对SEMG信号进行特征提取与上肢动作识别打下了良好的基础。

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