基于LABVIEW的表面肌電信號采集系統設計

王春紅

(鄭州電力職業技術學院，河南 鄭州 451450)

0 引言

肌電信號是人體自主運動時從骨骼及表面通過電極記錄下來的神經肌肉活動發放的生物電信號，它反映了神經、肌肉的功能狀態，是最早被人類發現的生物電現象。由于截肢后，大腦仍然發送支配肢體運動的信號給殘肢，這種信號是患者直覺上的一種響應方式。骨骼肌根據大腦指令產生收縮，在收縮力和外力的共同作用下使人體產生特定的靜止姿態或運動狀態，從而實現了在時間和空間上具有一定特點的運動動作。而肌電(EMG)是相應肌肉中的電行為，這種行為與肌肉的收縮成正比，同時具有提取方便，信號強度大，容易識別的特點。所以，肌電信號可以作為上肢殘端訓練的參考標準。尤其是表面肌電信號(SEMG)以其采集方便，無創傷的優點使它成為上肢殘端情況的理想參考信號。

人體皮膚表面的肌電信號幅值約為10uV-5mV，能量主要集中在10Hz-500Hz之間，信號微弱，易受干擾[2]。因此，用電極采集過來的表面肌電信號必須經過放大濾波，才能有效的識別。本文采用Ag/AgCl表面電極拾取SEMG信號，設計了具有高共模抑制比、抗干擾能力強的信號調理電路，并在LABVIEW環境下，設計開發了表面肌電檢測系統上位機應用程序，取得了良好的實驗效果，為之后對表面肌電信號進行分析辨識提供了可靠的實驗數據。

1 系統的總體結構設計

系統框圖如圖1所示，整個系統主要由Ag/AgCl表面電極、SEMG信號調理電路、DAQ板卡以及LABVIEW框架下的計算機系統組成。本文的工作主要集中在肌電信號調理電路設計、DAQ數據采集系統的軟硬件配置以及LABVIEW程序設計。

圖1 肌電信號采集系統結構框圖

2 硬件電路設計

2.1 SEMG信號預處理電路設計

SEMG信號預處理電路如圖2所示。預處理電路由儀表放大電路和帶通濾波電路組成。為有效放大差模信號并抑制共模信號以獲得較高信噪比，本系統采用電池供電以減少工頻50Hz信號的干擾并采用儀表放大器AD8222作為前置放大器，采用OPA4347作為后級帶通濾波器。AD8222是AD公司生產的高性能、低功耗儀表放大器。AD8222的共模抑制比高達126，失調電壓小于50uV，并且只需外接一個精密電阻就可以在1-10000倍之間設定放大倍數。儀表放大電路對差分輸入CH1+，CH1-上的SEMG信號放大一定倍數并利用電阻R1和電容C1串聯特性進行一階高通濾波抑制運動偽跡的影響。預處理電路的放大倍數為250倍，通頻帶為10-1000Hz。

圖2 SEMG信號調理電路

2.2 DAQ 板卡

數據采集(Data Acquisition-DAQ)卡是基于PXI總線的內置功能插卡，可以充分利用計算機的資源增加測試系統的靈活性和擴展性。利用DAQ板卡，可快速方便地組建信號采集系統。基于DAQ的數據采集系統不但實用而且具有很高的性價比，且PXI總線傳輸速率高，數據吞吐量大，因此本系統采用NI公司生產的M系列PXI-6259型PXI總線數據采集卡。DAQ板卡與SEMG信號預處理電路連接實物圖如圖3所示，選用SCB-68 DAQ板卡連接器的a0通道作為DAQ板卡的輸入信號，即選用SCB-68連接器上的68和34引腳作為正輸入端和負輸入端。

圖3 硬件電路實物接線圖

3 LABVIEW程序設計

本系統利用數據接口卡將前置調理電路拾取的SEMG信號上傳到PC機，然后結合LABVIEW軟件編程實現SEMG信號的實時采集顯示及時頻域的分析處理。整個LABVIEW程序由數據采集程序和波形圖回放程序兩個模塊組成，程序如圖4所示。

圖4 SEMG信號采集系統LABVIEW程序

信號采集模塊是通過DAQ板卡完成對SEMG信號的實時采集與顯示，由參數設置、濾波控制、數據保存、數據分析和生成報表三個部分組成。

參數設置是用來對數據采集卡進行設置的，通過DAQ助手實現。實驗中設置a0為差分式模擬輸入通道，采樣頻率5KHz，采樣數為10K以及連續采樣的方式，同時為了提高精度，輸入范圍設為-3V-+3V。

濾波是由Filter.vi實現的，實驗中將該Filter配置為3階Butterworth帶通濾波器，其頻率范圍為10-1000Hz，以進一步提取10-1000Hz頻段內的SEMG信號。

數據保存是將濾波后的信號進行數字到字符串的變換，并寫入文本文件(.txt)以便回放顯示，它是通過Write To Spreadsheet File.vi實現的。數據報表是通過Report.vi來實現。

信號分析是完成采集信號的特征分析，包括時域中均方根的計算和頻域中的功率譜計算。均方根是SEMG信號時域分析中的一種典型特征值，用來衡量SEMG信號的大小。功率譜是數字信號處理的主要內容之一，主要用來研究信號在頻域中的各種特征，目的是根據有限數據在頻域內提取被淹沒在噪聲中的有用信號。均方根的計算和頻域中的功率譜計算通過RMS.vi和Power Spectrum.vi來實現。

波形回放模塊是通過Write To Spreadsheet File.vi讀取Write To Spreadsheet File.vi路徑對應的.txt文件來實現的。

4 測試結果及分析

程序測試選用了一個通道，使用3片一次性Ag/AgCl電極片，測試部位為右手橈側腕屈肌。從圖5可得，SEMG信號能量主要集中在10Hz-500Hz范圍內，放大后幅值不超過0.2V，信號特別微弱。實驗證明，本系統能夠有效的實現SEMG信號的實時采集、記錄、存儲、顯示和時頻域分析。

圖5 SEMG信號采集分析圖

5 結束語

本文針對SEMG信號的特點，采用Ag/AgCl電極對SEMG信號進行拾取，設計了SEMG信號的檢測方法和相應的信號調理電路，并實現了DAQ數據采集系統的軟硬件配置以及LABVIEW程序設計，很好地解決了SEMG信號的采集和處理問題。本系統具有高效率、便捷快速等優點，為之后對SEMG信號進行特征提取與上肢動作識別打下了良好的基礎。

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