人体表面肌电信号采集系统研究

河北工业大学硕士学位论文人体表面肌电信号采集系统研究姓名：李晧申请学位级别：硕士专业：控制科学与工程指导教师：杨鹏20100401河北工业大学硕士学位论文i人体表面肌电信号采集系统的研究摘要肌电信号的研究发展日益迅猛，成为康复工程各种技术实现的关键。表面肌电信号是一种根据肌肉活动在肌肉表面传递的生物电，里边蕴含了很多关于肌肉运动信息。本课题研究设计表面肌电信号采集系统，达到精准采集肌电信号的目的。根据肌电信号的特点和采集系统特性的研究，通过软件仿真和噪声控制等措施设计了一种较好的肌电信号采集系统。研究内容和创新点如下：1.肌电信号提取利用表面电极提取肌电信号，并且通过利用INA128芯片及周边电路软件设计，以实现能够将微弱肌电信号顺利提取进采集系统；2.肌电信号放大滤波电路的设计肌电信号滤波电路是肌电信号采集系统的关键。根据肌电信号的幅频特性以及外界对肌电信号的影响，设计了较好的滤波电路，特别是设计了一种新型的50Hz工频电路，能够很好的解决工频噪声对肌电信号的影响；3.真有效值电路设计真有效值电路能够很好的将肌电信号波形进行整流滤波，方便肌电信号的观测，也实现日后单片机处理肌电信号；4.肌电信号数据显示为了更好采集到得肌电信号使其完整性、准确地显示于计算机，通过利用软件仿真的方式对系统的硬件电路进行验证，并通过利用Matlab软件昀终将肌电信号在计算机上显示出来。本文通过对肌电信号特点的研究和设计，实现了肌电信号的采集显示功能。并且依据设计方法可以推广到低频微弱信号在强电磁波噪声干扰下的采集。关键词：表面肌电信号，滤波电路，50Hz工频陷波，数据采集。人体表面肌电信号采集系统的研究iiRESEARCHOFSURFACEELECTROMYOGRAPHYCOLLECTIONSYSTEMABSTRACTIthasbecomethemainkeytorehabilitationengineeringtechnologywhentheresearchanddevelopmentonEMGgrowrapidly.SurfaceEMGisakindofbiologicalelectricitywhichtransfersunderthesurfaceskinwhenmuscleActivities.Inside,itcontainsalotofinformationaboutmusclemovements.ThispaperresearchesanddesignstheEMGSurfaceelectromyographycollectionsystem,inordertoachievethepurposeofEMGcollectedaccurately.AccordingtothecharacteristicsofEMGsignalandthestudyofcollectionsystem,itdesignsakindofgoodEMGcollectionsystembythesoftwaresimulationandnoisecontroling.Themaincontentandinnovationsareshownasfollows:1.MyoelectricsignalextractionItachievestheabilitytoextractweakEMGsmoothlyintothecollectionsystembyextractionEMGusingsurfaceelectrodesanddesignthecircleusingINA128chipandperipheralcircuits.2.ThedesignofmyoelectricsignalamplificationfiltercircuitTheEMGsignalfilteringcircuitisthekeyofcollectionsystem.AccordingtoEMGamplitude-frequencycharacteristicsandtheimpactoftheoutside,itdesignsthebetterfilteringcircuits,particularlyinthedesignofanewtypeof50Hzfrequencycircuitswhichcanbesatisfactorilyresolve50Hzfrequencynoise.3.ThedesignoftrueRMScircuitThetrueRMScirclecanrectifyEMGsignalwaveformtofacilitateEMGobservationsbutalsotoachievetodealEMGwithSCMinthefuture.4.MyoelectricsignaldatadisplayInordertocollecttheEMGsignalcompletlyandaccuratlyanddisplayedonthecomputer.Thepaperverificatsthesystem'shardwarebythesoftwaresimulationanddisplaystheEMGsignalonthecomputerbyMatlab.Inthispaper,accordingtothestudiesanddesignoncharacteristicsoftheEMG,itachievesthefunctionofcollectionanddisplay.Andbasedonthedesignmethoditcanbeextendedtolow-frequencyweaksignalcollectedinstrongelectromagneticnoiseinterferencing.KEYWORDS:SurfaceEMGsignal,filtercircuit,50Hznotchfrequency,datacollection.河北工业大学硕士学位论文v符号说明EMG——肌电信号（electromyographysignal）。sEMG——表面肌电信号（surfaceEMG）。RMS——均方根（rootmeansquare)。MVC——昀大自主收缩值（maximumvoluntarycontraction）。MAV——绝对值平均。VAR——方差。WAMP——Willison幅值。WL——波长。ZC——过零点数。NORM——范数。RF——股直肌（Rectusfemoris）。VM——股内侧肌（Vastusmedialis）。BF——股二头肌（Bicepsfemoris）。GM——臀大肌（gluteusmaximus）。河北工业大学硕士学位论文1第一章绪论§1-1研究背景及意义肌电信号(EMG)是一种复杂的表皮下肌肉电活动在皮肤表面处的时间和空间上的综合的结果[1][2][3]。由于肌电信号来源于人自身的电信号，因此肌电信号具有直接、自然的特点[4][5][6]，如今利用肌电信号已经成为一种重要的信息量，可以用来进行肌肉运动[7][8]、肌肉损伤诊断[9][10]、康复医学[11][12]以及运动体育等方面的研究[13]。通常，从动作的肌肉表面皮肤处所测取的多通道EMG信号，即可为提供一个安全、非侵入的肌电信号提取方式，由此可用于人类运动和生物机械的研究。肌肉收缩时能产生电信号，这是早就为人所知的事情。早在1791年加伐尼(Galvani)就通过一系列蛙类的肌肉收缩研究，证明肌肉的收缩与电信号有密切关系。到1851年法国的杜波依斯一雷蒙德(Dubofs-Reymond)昀先检测到人体肌肉收缩时能产生电信号。1907年派帕(Piper)利用弦线检流计记录到人臂肌肉的电势差。到1922年加塞(Gasser)和厄兰格(Erlangre)才用阴极射线示波器观察到了肌电图(Electromyography)。20世纪中叶以来，随着电子新技术的发展、电子计算机的出现和发展以及神经肌肉生理学研究的进展，新的检测和记录技术已经使人们可以对肌电信号和神经肌肉功能进行更加极为细致的研究。复杂的信号处理与分析技术的出现和微处理器的引入使得肌电信号的定量分析成为可能。这些都使肌电检测更加敏锐、可靠，并且可以实现某种程度的可复现性。这为肌电信号检测处理的广泛应用开拓了良好的前景[14]。但是肌电信号采集过程中也存在一些问题，如肌电控制装置采集肌电信号时候肌肉易疲劳[15][16][17]，信息模式的重复再现性相对较差，模式形态亦不稳定，外电场对其干扰严重，表面电极检出的肌电信息是肌群的交错信息，并不能完全反映脑运动区对该肌肉的运动指令。§1-2国内外研究概况国外的肌电放大采集系统发展半个多世纪，已经较好的解决了原始信号的提取放大分析。加拿大Thought公司是全球表面肌电领域的领导厂商，经过三十年的持续发展，其表面肌电的提取、分析、训练技术已成为全球公认的昀高标准。其全球专利数字传感器技术，有效的还原原始信号，可以对多路的肌电，心电，脑电等生理参数进行分析。提供多种函数运算,同时支持全程数据分析、分段分析、实时分析，和开放数据输出至SPSS、MatLab、ASCLL。荷兰BioSemi公司的ActiveTwo采用280通道，24位解析度能有效的检测肌电和脑电，其应用程序可直接与电脑相连。国外公司肌电采集系统能很好的完成肌电信号的提取采集，但是由于高昂的价格和较差的兼容性，以及较差的便携性，对于我们的康复工程和假肢控制带来不便。在国内生理信号采集技术已有几十年的技术积累。70年代末，国内医学信息技术进入了新的发展阶段。许多专家开始了以赶超国际医学研究水平为目标的课题实施。而真正以微型计算机为基础的革命性生物医学工程研究则从80年代初开始。83年后，由Z--80至8086/8088CPU及PC总线机种与DOS系统的普及，尤其是国产化优质价廉的采集控制接口产品的推广，给国内生理医学工程技术的发展，注入了强有力的增长剂。国内近几年肌电采集放大系统发展迅速。南京大学微弱信号研究中心研制的HB-851系统能采集到原始的肌电信号，能够比较好的消除噪声的影响。Pclab生物信号采集处理系统是国内对生理信号采集研究的昀新科研成果，它主要由硬件与软件两大部分组成。硬件主要完成对各种生物电信号（如：心电、肌电、脑电）与非电生物信号（如：血压、张力、呼吸）的采集，并对采集到的信号进行调理、放大，进而对信号进行模/数（A/D）转换，使之进入计算机。特别是近2人体表面肌电信号采集系统的研究2年合肥旭宁有限公司的表面肌电仪可以选择有线/无线模式，存储器保存原始肌电数据，数据完整性，在不需要计算机干预的情况下，独立实现肌电信号采集和存储。对于国内进行的已经研究出来的采集系统，也都能较好的实现肌电信号提取采集，但是对于我们日后进行的假肢控制依旧会因为设备体积，繁琐性带来不便。§1-3研究内容假肢是人体缺损肢体的人工替代品，用以弥补其外形及功能。2006年第二次全国残疾人抽样调查数据显示，我国各类残疾人总数为8296万人，其中肢体残疾的为2412万人，截肢人数为226万，这些人失去了人类昀基本的运动功能。因此，为这些截肢者安装假肢就成了恢复其行走能力的唯一手段[18][19][20]。人体肢体是一个复杂精巧的动力控制系统，因此如何再造这种结构并进行控制成为假肢研究的主要内容。随着康复医学和康复工程学、材料学、电子学和控制理论等技术的发展，人们对假肢的研究开始向着实用性、智能性、准确性和灵活性发展，本文研究并设计一种采集表面肌电信号系统，以求采集出肌电信号昀终得以实现智能假肢控制为目标[21][22]。表面肌电信号是一种非常微弱的生物电信号，在设计肌电信号采集系统时，要根据其特性进行放大，人体是一导电体受到周围的电场，磁场的干扰肌电信号的采集，影响有用信号的提取放大[23]。所以如何设计放大电路和滤波电路成为肌电信号系统采集的关键。基于此本文各章研究内容如下：第一章“绪论”，介绍了本课