基于虚拟仪器的表面肌电信号采集与识别系统

　　在人的肢体运动时,大脑皮层中控制运动区域的神经元兴奋并产生一定频率的电脉冲,这个电脉冲通过神经系统精确地传导至特定的肌肉纤维.当这些电脉冲到达神经—肌肉突触时,在肌纤维中产生终极电位,它的去极化将在肌纤维中产生一串动作电位,引起肌肉收缩,使肢体完成大脑所设定的动作.肌纤维中的这种电变化称为运动单元动作电位(Motor Unit Action Potential,MUAP),肌电信号(Electromyography, EMG)是众多肌纤维中MUAP的叠加,表面肌电信号( SurfaceElectromyography,SEMG)则是浅层肌肉EMG和神经干上电活动的综合效应[1].

　　虚拟仪器技术是基于计算机的仪器及测量技术.它最核心的思想是利用计算机的强大资源使本来需要硬件实现的技术软件化,以便最大限度地降低系统成本,并增强系统的功能与灵活性.它的出现是仪器领域的一个突破.而LabVIEW是一种图形化的编程语言和开发环境,是标准的数据采集和仪器控制软件[2].

　　1　系统的构成

　　表面肌电信号采集识别系统由软件和硬件两部分组成,硬件部分的任务是由表面电极拾取肌电信号,并进行信号调理,再由数据采集DAQ卡通过其A/D转换等功能,将信号以数字形式采集到计算机;软件部分通过编程将由硬件部分采集到的信号进行显示、分析和处理.结构框图如图1所示.

　　2　软硬件设计

　　2.1　硬件部分

　　硬件部分包括:表面电极、信号调理卡、插入式数据采集DAQ卡和计算机.SEMG通过贴附在体表的Ag2AgCl表面电极来拾取[3],然后输入给信号调理卡进行放大、滤波等处理;信号调理卡采用NI公司的SCXI21125,它可以实现8通道隔离放大,最高增益可达2000倍,连接方式采用差分DIFF方式;当输入信号被适当调理后,即可输给插入式数据采集卡.数据采集卡采用NI公司的PCI26024E,它有16个模拟输入端口,12位分辨率,采样率可达200 kS/s,它的主要功能是将模拟信号转换为数字信号;当计算机接收到经A/D转换的肌电信号后,即可进行下一步的处理了.

　　2.2　软件部分

　　软件包括应用软件和I/O接口仪器驱动程序.由于LabVIEW开发环境中已经集成了信号调理卡和数据采集卡的驱动程序,所以只需要开发应用软件即可.应用软件主要由数据采集与显示、数据存储与回放、数据处理与分析、以及动作识别四大模块组成.每个模块又可以进一步细分.比如其中的数据采集和显示模块,里面还应该含有软件滤波(NI公司的SCXI21125信号调理卡每通道只包含一个低通滤波器,截至频率可设置为4Hz或10kHz,所以仅靠硬件不能满足滤波要求).由于SEMG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10~500 Hz之间.所以,软件滤波用了一个10~500 Hz的IIR带通滤波器滤除低频和高频干扰信号,然后再用一梳状滤波器除去工频及其谐波的干扰,从而获得满意的信噪比(SNR).另外,比如数据处理模块,应包括求肌电信号的两个最基本特征量即相关函数和功率谱[4].系统前面板如图2所示.