表面肌電sEMG(surface Electromyography)信號(hào)是在皮膚表面記錄的神經(jīng)肌肉系統(tǒng)的生物電活動(dòng)，反映肌肉的活動(dòng)狀態(tài)，由于其無創(chuàng)性和簡單性在臨床康復(fù)及人機(jī)交互方面[1]有廣泛的應(yīng)用前景。多通道sEMG信號(hào)檢測(cè)是一種新的記錄方法，它能同時(shí)獲得肌肉活動(dòng)時(shí)的大量空間和時(shí)間分布信息[2]，在肌肉活動(dòng)分析中具有重要價(jià)值。

    近年來，國內(nèi)外在多通道sEMG信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面已做了相關(guān)工作。G.Vijaya Krishna Prasad[3]等研究了一種基于DSP的5通道sEMG信號(hào)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)；胡巍[4]等利用單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種無線多通道sEMG信號(hào)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是低成本高性能的計(jì)算機(jī)資源得到普及應(yīng)用，虛擬儀器VI（Virtual Instruments）應(yīng)運(yùn)而生，它是利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算資源和豐富的軟硬件資源來組成的儀器系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)儀器向計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的過渡，以便最大限度地降低系統(tǒng)成本，并增強(qiáng)系統(tǒng)的功能和靈活性。LabVIEW是一種易于編程和調(diào)試的圖形化工具平臺(tái)，是標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理及分析能力。
    本文設(shè)計(jì)了前置調(diào)理電路,并結(jié)合NI公司開發(fā)的DAQ數(shù)據(jù)接口卡和LabVIEW開發(fā)了一種實(shí)驗(yàn)用sEMG信號(hào)檢測(cè)分析系統(tǒng),完成4通道sEMG信號(hào)的實(shí)時(shí)采集顯示和時(shí)頻域的特征分析。
1 硬件電路設(shè)計(jì)
     sEMG信號(hào)是一種微弱的、非平穩(wěn)的隨機(jī)電信號(hào)，其振幅約為10~5 000 ?滋V，頻率分布在20~500 Hz[5]，容易受50 Hz工頻干擾的影響，因此本文設(shè)計(jì)了如圖1所示的硬件電路，主要包括前置放大、帶通濾波、50 Hz陷波、功


    實(shí)際測(cè)得其幅頻特性如圖2(c)所示。

1.3 50 Hz陷波電路
    50 Hz工頻是sEMG信號(hào)有效頻段內(nèi)最主要的干擾，本文采用傳統(tǒng)雙T有源濾波器來濾除50 Hz工頻干擾，具體電路如圖2(a)所示。其中R4=R5=68 kΩ，C4=C5=47 nF，計(jì)算得陷波中心頻率為:
  
波效果不是很理想，會(huì)在后續(xù)分析處理中進(jìn)行數(shù)字濾波來改善這一效果。此外，在100~500 Hz頻段范圍內(nèi),電路的增益大于60 dB,基本接近電路的理論設(shè)計(jì)增益64 dB?？偟膩碚f,整個(gè)電路能對(duì)有效頻段內(nèi)信號(hào)進(jìn)行放大、濾波。
    本實(shí)驗(yàn)同時(shí)對(duì)前置調(diào)理電路4個(gè)通道的性能參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如表1所示。

    由表1可知，實(shí)際實(shí)驗(yàn)中4通道電路性能良好，能獲得20~500 Hz有效頻段內(nèi)的sEMG信號(hào)，并對(duì)50 Hz的工頻干擾有較好的抑制作用。
2 信號(hào)采集與分析
    本研究需利用數(shù)據(jù)接口卡將前置調(diào)理電路拾取的sEMG信號(hào)上傳到PC機(jī)上,并結(jié)合LabVIEW軟件編程實(shí)現(xiàn)sEMG信號(hào)的實(shí)時(shí)采集顯示及時(shí)頻域的分析處理。整個(gè)部分包括數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析兩個(gè)模塊,程序如圖4所示。
2.1 信號(hào)采集
    信號(hào)采集模塊是通過數(shù)據(jù)接口卡完成對(duì)4通道sEMG信號(hào)的實(shí)時(shí)采集與顯示，由參數(shù)設(shè)置、濾波控制、數(shù)據(jù)保存三個(gè)部分組成，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)濾波、數(shù)據(jù)保存以及數(shù)據(jù)控制。
    參數(shù)設(shè)置是用來對(duì)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行設(shè)置的,通過DAQ助手.VI實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)中設(shè)置4通道模擬輸入,采樣頻率2 000 Hz，采樣數(shù)為1 000以及連續(xù)采樣的方式，同時(shí)為了提高精度，輸入范圍設(shè)為-3 V~+3 V。
    濾波是由Filter.VI實(shí)現(xiàn)的，實(shí)驗(yàn)中將該Filter配置為3階Butterworth帶通濾波器，其頻率范圍為20~500 Hz，以進(jìn)一步提取20~500 Hz頻段內(nèi)的sEMG信號(hào)。
　    數(shù)據(jù)保存是將濾波后的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字到字符串的變換，并寫入文本文件（.txt）以便回放顯示，它是通過Write To Spreadsheet File.VI實(shí)現(xiàn)的。
2.2  信號(hào)分析
    信號(hào)分析模塊是完成采集信號(hào)的特征分析，包括時(shí)域中的均方根計(jì)算和頻域中的功率譜峰值計(jì)算。
    (1)均方根
    均方根（Root Mean Square）是sEMG信號(hào)時(shí)域分析中的一種典型特征值，可以用來衡量肌電信號(hào)的大小，并且sEMG信號(hào)的均方根值隨力量水平的增加而增大[6]。計(jì)算公式為：
  
其中，s(t)為肌電信號(hào)；Xi為s(t)的采樣值；T為觀測(cè)時(shí)間長度；t0為觀測(cè)起始時(shí)間；N為觀測(cè)點(diǎn)數(shù)。
    均方根計(jì)算的具體實(shí)現(xiàn)方法：先將濾波后的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為一維數(shù)組，然后調(diào)用RMS.VI讀取數(shù)組中的數(shù)字并計(jì)算其均方根值，將結(jié)果存于數(shù)組，最后調(diào)用波形圖表（waveform chart）讀取數(shù)組中的RMS值并顯示，這樣不斷計(jì)算采樣窗內(nèi)的濾波信號(hào)，直到窗內(nèi)無信號(hào)輸出為止。
    (2)功率譜峰值
    研究表明，當(dāng)肌肉收縮力變化不大時(shí)，sEMG信號(hào)的功率譜峰值比較穩(wěn)定[7]，并且sEMG信號(hào)的功率譜峰值會(huì)隨著力量的增加而增加[6]。功率譜峰值計(jì)算可分兩步實(shí)現(xiàn)：先計(jì)算濾波后信號(hào)的功率譜，公式為：
    
其中SXX(f)為輸出信號(hào)序列的功率譜； X(f)為肌電信號(hào)X(t)的傅里葉變換；N為信號(hào)序列的點(diǎn)數(shù)。然后計(jì)算信號(hào)功率譜最大值。
    功率譜峰值計(jì)算的實(shí)現(xiàn)方法：先調(diào)用Spectrum measurement.VI，讀取濾波后的數(shù)字信號(hào)，計(jì)算功率譜值，其中窗選用hanning窗，輸出結(jié)果方式配置為線性輸出，結(jié)果保存在數(shù)組中；然后調(diào)用Array Max & Min.VI計(jì)算數(shù)組中的最大值，并以數(shù)組形式保存，最后利用波形圖表（waveform chart）讀取數(shù)組中的值并顯示。這樣不斷計(jì)算采樣窗內(nèi)濾波后的信號(hào),直到采樣窗內(nèi)無信號(hào)輸出為止。
2.3 采集分析結(jié)果
    結(jié)合前臂表面肌電電極陣列[8]以及手部運(yùn)動(dòng)機(jī)能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[9]，實(shí)驗(yàn)采集了1名健康在校研究生前臂指總伸肌的sEMG信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行了特征分析。信號(hào)采集和分析程序的運(yùn)行界面如圖5所示，當(dāng)前顯示的是受試者在力量逐漸增大時(shí)采集到的4通道5 s時(shí)間的sEMG信號(hào)及其特征分析后的結(jié)果。

    實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，sEMG信號(hào)的幅值、RMS值和功率譜峰值隨著力量的增加而增大，與參考文獻(xiàn)[6]結(jié)果一致，從而可知本文設(shè)計(jì)的4通道sEMG拾取電路能采集到健康受試者的sEMG信號(hào)，并且編寫的LabVIEW程序能實(shí)現(xiàn)采集信號(hào)的實(shí)時(shí)顯示及其不同特征分析處理。
    本文搭建了4通道sEMG信號(hào)拾取電路并結(jié)合數(shù)據(jù)接口卡以及LabVIEW編程軟件，設(shè)計(jì)基于LabVIEW的4通道sEMG信號(hào)檢測(cè)分析系統(tǒng)。結(jié)合前臂表面肌電極陣列以及手部運(yùn)動(dòng)機(jī)能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)采集并分析了受試者在力量增大時(shí)前臂肌肉的sEMG信號(hào)及其均方根、功率譜峰值。結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的多通道sEMG信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)4通道sEMG信號(hào)的實(shí)時(shí)采集顯示及其時(shí)頻域特征分析。
    當(dāng)然，本設(shè)計(jì)也存在一些不足，如由于陷波器中R、C不完全對(duì)稱,從而引起50 Hz附近sEMG信號(hào)產(chǎn)生不同程度的衰減，后續(xù)以50 Hz的數(shù)字陷波器代替模擬陷波器。此外，本文只針對(duì)4個(gè)通道的信號(hào)進(jìn)行了采集及時(shí)頻域特征分析，如果擴(kuò)展到更多通道信號(hào)的采集及其他特征分析處理，則需考慮采樣數(shù)據(jù)的大小以及各通道間的延遲效應(yīng)，保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。
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