基于虚拟仪器技术的肌肉电信号测量系统

　　1　引　　言

　　人类的肌肉电信号作为人体自身的生理信息,可以在人体皮肤表面间接的体现人类神经的活动。然而,肌肉电信号是一种相当复杂的信号,它的主要特点是由多个单独运动电位重叠而形成的,电极作为测量电位场的介质。基于电位场重叠的特性,电极测量到是网络式电位,即来自兴奋肌纤维在时间上、空间上的电势的重叠。它的幅度大概在几个PV到几十个毫伏之间[1],很容易被噪声淹没。有用的信号不便于分离。

　　肌肉电信号作为一种生物反馈(biofeed back)的生物学信息,可以对肌肉电信号的活动信息加以处理,以视觉或听觉的方式显示给人(即信息的反馈),以有意识的控制自身的心理和生理活动,达到调节和改善机体功能的作用[2]。本文以labview作为开发平台,采用自适应滤波技术,对人体前臂的肌肉肌电信号的提取和噪声抑制进行了初步研究。并对手部握拳、腕部屈曲　　等运动时的时域、频域和动作阈值提取等进行了研究,这些研究对进一步深入全面的利用肌肉电信号提供了可能。

　　2　总体设计思想

　　随着计算机技术的不断发展,以虚拟仪器为标志的通用化、智能化、网络化的测试仪器和测试系统得到了全面的发展。由于肌肉电信号测试过程中数据量比较大,要求测试的软件既要信号处理能力强,涉及简单,还要与数据卡兼容。因此选择了可以在通用计算机平台上,根据测试任务的需要来定义和设计仪器的测试功能的采集卡和labview程序语言,它综合应用了计算机技术,数字信号处理技术,标准线技术和软件工程的方法。完全可以满足我们的对肌电信号的测试要求。

　　本文设计的肌肉电信号采集系统主要包括前端的信号调理模块、信号采集模块、信号分析和处理模块、信号管理模块和控制模块。其中信号调理模块主要在于滤除夹杂在信号中的部分干扰,还可以把模拟信号调理到采集卡的量程范围内;采集电路则完成对输入信号的采集和缓存,采集到的数据读入计算机的内存,在有相应的软件完成以后的工作。图1为设计系统的工作流程图。

　　3　系统的硬件设计

　　图2为肌电信号采集系统的硬件工作原理图,肌肉电信号由Ag/Agcl表面电极采集,经由信号调理电路调理后的模拟信号经采集卡DAQ传给计算机的虚拟仪器工作环境,即可进行下一步的处理了。信号调理模块主要由高通滤波、高倍放大、低通滤波三部分组成。由于表面EMG信号中往往夹带着甚低频的(接近直流)和高频的干扰信号,真正有用的肌电信号的频率范围大致在10~500Hz之间[3]。所以,从表面电极检测出的信号必须进行必要的信号处理。即首先需进行隔直处理(高通滤波),其次进行高倍放大,再次用低通滤波器滤去高频干扰信号,最后以工频50Hz为中心频率的陷波滤波器将进一步提升输出信号的信噪比[4-6]。调理后信号的A/D转换和计算机接口等功能由NI公司生产的数据采集卡DAQ卡完成。