1、外表肌電信號測試中工頻干擾的抑制X羅志增任曉亮(杭州電子工業學院杭州310037)摘要介紹了一種外表肌電信號( EMG) 測試調理電路和信號處理的方法。外表EMG測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頻帶之中。針對外表EMG的測量特點設計了一種信號調理電路,使肌電信號和工頻信號并行單獨處理,防止了不加區分地采用工頻陷波器,這一設計思想在實際的肌電信號檢測時取得了較好的實驗結果。關鍵詞外表肌電信號工頻干擾信號處理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( EMG) 是一種伴隨肌肉運動而產生的生物電信號,外表EMG 那么是通過檢測手段獲取的肌肉外表皮膚上的電信號。在人的肢體運動時,大腦皮層中控制運動區域的神經元興奮并產生一定頻率的電脈沖,這個電脈沖通過神經系統精確地傳導至特定的肌肉纖維。當這些電脈沖到達神經肌肉突觸時,在肌纖維中產生終板電位,它的去極化將在肌纖維中產生一串動作電位,引起肌肉收縮,使肢體完成大腦所設定的動作,與此同時,在皮膚外表也產生

5、復雜的生物電現象。外表EMG是肢體運動中各局部肌肉活動所生成的綜合生理電現象,對外表EMG 的分析研究可發現它與肌肉生理狀態和肢體運動模式之間的對應關系,進而可廣泛應用于臨床醫學、運動醫學、醫療康復(包括仿生假肢) 等諸多領域1 。外表EMG是一種很微弱的生理電現象。早先,為了獲得穩定的肌電信號,一般采用針電極(扎入對應的肌肉部位) 。近年來,隨著檢測技術和信號處理手段的進步,研究如何用外表EMG信號代替針電極EMG進行全面臨床無損診斷,已經成為醫學和生物醫學界研究的熱點問題之一3 ,外表電極測量一般會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,因為陷波

6、濾波器盡管濾除了工頻干擾,同時對有用的信號也造成較大的損害。隨著測試技術的開展,肌電測試系統越來越傾向于不加工頻陷波器,因而測試系統是否采用陷波濾波器已成為衡量測試數據是否可靠、精確的重要標志之一2 。下面根據肌電信號及干擾產生的原理,介紹作者所研制的外表EMG 的測試方法、設計思想和信號處理的手段,并用實驗測試的方法驗證了這一設計思想。第26 卷第2 期儀器儀表學報2023 年2 月X 本文于2023 年3 月收到,系國家自然科學基金(60474054) 、浙江省自然科學基金(RC02070) 資助工程。2 系統組成小臂外表肌電信號測試系統框圖如圖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 轉換和數據處理、顯示等局部組成。圖中虛框局部分別是肌電信號、工頻信號預處理電路。肌電信號預處理電路中,首先進行高通濾波,抑制微弱輸入信號中存在的漂移現象。由于輸入信號是皮膚外表的生物電信號,信號源的內阻非常高,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輸入信號產生影響,比擬嚴重的情況是輸入信號緩慢漂移,如果直接接入高倍數的放大器,可能引起輸出飽和。從文獻 3 得知,有效的肌電信號大致在5500Hz范圍,所以,直流至5Hz 的低頻信號經過高通濾波先給予濾除。高通濾波后的信號接入儀器放大器,該放大器采用專用芯片INA114 ,該運放的共模抑制比

8、高達115dB ,失調電壓 50V ,并且只需外掛一個電阻就可以在110000 倍之間設定放大倍數,一般,儀器放大器的放大倍數要到達1000 以上。低通濾波(截止頻率約500Hz) 用來濾去高頻噪聲。圖1 肌電信號測試系統的組成目前,常規的信號調理電路在低通濾波后再接一個50Hz 的陷波器就完成了4 ,這樣的處理方法不僅盲目,而且對50Hz 及附近頻率的有效肌電信號也要產生很大的衰減作用,這是任何一種好的處理方法都應該防止的。首先,輸出信號中有無工頻干擾,需要科學地界定;其次,模擬帶阻濾波器的阻帶頻段有一定范圍,在該范圍內的肌電信號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、個固定頻率的帶阻濾波器進行濾波也是有缺陷的。作者在這里的設計思想是,增加一路匹配濾波器,匹配信號直接來自引發工頻干擾的交流電源,匹配濾波器將對肌電信號中可能存在的工頻信號進行顯著的放大,對其它信號或噪聲那么給予有效的抑制,繼而確定所輸出的肌電信號中有無工頻干擾,被干擾的程度又怎樣。匹配濾波器的輸出經A/ D 轉換進入計算機后,用常規的頻譜分析法5 ,由計算機對肌電信號中存在的工頻信號實施“顯著性判斷,如果存在工頻干擾,那么測出干擾頻率,并對另一路輸入的肌電信號進行數字濾波(陷波) ,否那么,不作陷波濾波處理。3 匹配濾波器的設計匹配濾波器的模型如圖2 所示,非活動狀態下的肌電信號當作白噪聲處理

10、。那么,該濾波器的輸入端加有已知信號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,濾波器的輸出y(t) 也必然包含信號與噪聲兩部分: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、某一指定時刻,在此時刻輸出的信噪比定義為:ro =| so ( To) | 2E(n2o )=12+ - H() Fsi() ejtd2N4+ - H() 2d(5)194 儀器儀表學報第2 6 卷設計匹配濾波器的目的,就是確定濾波器的頻率特性H() ,使ro 取得最大值。設:F(x) 、Q(x) 是實變量x 的兩個復函數,由Schwartz不等式:F(x) F3 (x) dx Q(x) Q3 (x) dx F3 (x) Q(x) dx 2 (6)當且僅當F(x) = kQ(x) 時,不等式取等號。式中:k 是任意實常數。令:F3 (x) = Fsi() ejT0 ,Q(x) = H() ,并

12、將Schwartz 不等式應用于(5) 式。注意到:F3 (x) F(x) = | F(x) | 2 = Fsi() 2 ejT0是相位因子,對幅值無影響;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)根據巴塞瓦定理,12+ - Fsi() 2d 是輸入信號的能量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,匹配濾波器應具有以下特點:(1) 幅頻特性與信號si 的幅頻特性相同。(2) 相頻特性與信號的相頻特性相反。(3) 由(1) 、(2) 式所得的特性應再乘以線性相位因子e - jT0 。4 實驗測試結果將外表電極分別固定在人的手臂外側(尺側腕伸肌) 和內側(尺側腕曲肌) 上,用屏蔽電纜將外表EMG引入信號處理電路,由低通濾波和匹配濾波輸出的兩路信號經A/ D 轉換輸入計算機存儲,對匹配濾波器輸出的數據進行FFT 運算,找出功

14、率譜中峰值點的頻率,如果峰值頻率在50Hz (是預先設定的頻率偏移,實驗確定) 之外,那么低通濾波器輸出即為最后的肌電信號輸出,送虛擬儀器顯示;如果峰值頻率在50Hz 之內,且該峰值與5500Hz 范圍內的其它峰值之比大于常數c(由經驗確定) ,那么低通濾波器輸出的數據尚需數字濾波。該數字濾波器是一個帶阻濾波器,濾波器的中心頻率是匹配濾波器輸出數據進行FFT 運算所得功率譜中峰值點的頻率,經數字濾波后的數據為最后的肌電信號輸出,送虛擬儀器顯示。表1 是用信號發生器模擬50Hz 交流電源工頻干擾時,測試系統輸出的幅頻特性數據,當交流電源的中心頻率改變時,其幅頻特性也作相應改變,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 時的測試系統響應特性輸入頻率(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尺側腕伸肌、尺側腕曲肌外側皮膚外表的EMG波形。圖3 手腕靜止和翻腕時的外表EMG波形比照(下轉第210 頁)第2 期外表肌電信號測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性,減少了軟件出錯的概率。同時,數據倉庫,特別是數據結構,成為了版本控

16、制的核心,應用軟件適配器有利于版本升級和向下兼容管理。該智能顯示器以強大的功能、簡單的操作在虛擬儀器開發中得到很好的應用。參考文獻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

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