生物医学工程硕士论文-肌电信号采集系统设计及模式分类的研究.pdf

东北大学硕士学位论文肌电信号采集系统设计及模式分类的研究申请学位级别：硕士专业：生物医学工程东北大学硕士学位论文摘要肌电信号采集系统设计及模式分类的研究摘要表面肌电信号是一种复杂的表皮下肌肉活动在皮肤表面处的时间和空间上的综合结果。表面肌电信号是一种无创伤检测的生物电信号，在对认溅和了解人体神经系统信息传递、基础医学研究、临床诊瞬、运动医学和康复工程中均有广泛的应用。研究如何采用表面肌电信号作为临床诊断，远程医疗以及表面肌电信号在种经肌电生理方面的基础研究中的作用等，都已成为医学界、康复学界研究的热点问题。本论文主要从表面肌电信号的实时采集和模式分类两个方面进行了研究，设计完成了实时采集系统，对四种典型动作进行了识别和分类。本论文用单片机完成实现了实时数据采集系统设计，用VisualBasic编程语言实现了与上位机的通信。利用小波变换对信号进行六级分解，提取每级小波系数的绝对值的最大值作为神经网络的输入信号，对四种典型动作进行模式识别，用MATLAB编程语言实现，取得了较好的分类结果。关键词表面肌电信号数据采集小波变换特征提取神经网络模式识别东北大学硕士学位论文Abs仃actTheCollectionSystemDesignandResearchforElectromyographyModelClassificationAbstractThesurfaceelectromyography(sEMG)isakindofcomplexresultwithtimeandspacefeatureproducedbymuscleactivityItisasortofbioelectricitysignaldetectedwithouthurtandhasimportantinfluenceininationsendingofnervesystem，basicmedicineresearch，clinicdiagnosis，sportmedicineandrehabilitationengineeringTheresearchforsEMGconcerninghowtoapplysEMGasclinicdiagnosis，telemedicineandbasicmedicineresearchhasbecameresearchfoCUSinthemediciFiefie】dandrehabilitationfieldTwoproblemsaboutthereal-timecollectionofsEMGandmodelclassificationhavebeenstudiedinthispaperattimesametimereal-timecollectionsystemhasbeenrealizedandfourtypicalactionmodelshavebeenrecognizedandclassifiedThispaperhascompletedtherealtimecollectionsystemdesignandtheserialcommunicationfunctionhasbeenrealizedwithVBThesignalhasbeendecomposedintosixdifferentcoefficientsThebiggestabsolutuesofdifferentcoefficientsintotheartificialnervenetworkandthenfourtypicalactionshavebeenclassifiedAllthesoftwareshavebeenprogrammedwithMATLABandtheinspiringresultshavebeenacquiredatlastKeywordssEMG，DataCollection，WaveletTrans，FeatureExtractionNerveNetwork，ModelRecognitionI独创性声明本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：套岔努惫，日期：多砂，2、玎学位论文版权使用授权书本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。(如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。)学位论文作者签名：签字日期：导师签名：签字日期：东北大学硕士学位论文第一章绪论11肌电研究的意义111肌电研究的回顾第一章绪论肌电图学(Electromyography，EMG)是通过获得由肌肉产生的电信号来研究肌肉功能的一门科学。运动是动物生命的基本标志之一一。由于这个原因和其他些原因，人类显示了对于自身和其他生物的运动器官的不断的追求和永恒的探索。文艺复兴时期，随着科学意识的复苏，人类对于肌肉的兴趣也愈演愈烈。例如LeonardodaVinci思考了很多关于肌肉及其功能的问题。现代解剖学之父AndreasVesalius的里程碑似的工作的影响一直持续到今天。但遗憾的是，他更多的只是关心没有生命的肌肉的外在形态。随后的年代里许多科学家开始对有生命的肌肉进行研究。公元1666年意大利科学家FrancescoRedi研究了电鳗后认为电鳗产生的电击是由它的胍肉产生的，他曾写道：我觉得电鳗的痛苦的动作来源于它的两个镰刀状的身体部分或是肌肉丽不是身体的其他部分。1791年，LuiggiGalvani最早观察到了有关电和肌肉的磋系，他的“动物电”理论被整个欧洲热情地接受，这一发现被广泛地认为是神经生理诞生的标志。很多人都来证实LuiggiGalvani的结论并称赞他的发现，AlessandroVolta就是其中之一。他一开始是认同LuiggiGatvani的发现的，并在回忆中写道：这是最美丽最令人惊奇的发现之一，它将是许多其它发现的基础。但是，过了两年，在1793年，AlessandroVolta通过证明不弼的金属与电解液接触会产生电流而质疑了LuiggiGalvani的发现。隧后，LuiggiGalvani发现通过将一个神经的自由端放置在肌肉上而不是接触金属也可以产生肌肉收缩，这又重新确认了他的理论。然而AlessandroVolta的影响太大导致在今后近80年的时间里，“动物电”理论被认为是没有任何意义。AlessandroVolta促进了工程技术的发展，制作了产生电流的设备，使得刺激肌肉变得方便。公元1825年，Nobeli改进了检测电流的技术，通过补偿由地球磁场产生的力1。东北大学硕士学位论文第一章绪论矩，提高了检流计的灵敏度，并在肌肉的横切面和完整的纵切面之间得到了电流，其损伤处为负，完整部分为正。这是首次实现了对生物电(损伤电位)的直接测量。利用这一改进的检流计，意大利生理学家CarloMatteucci在1838年发现了肌肉动作电位。他于1842年进行了被称为“二次收缩”的著名实验，这一实验结果又清楚地表明了左侧标本的肌肉收缩是由于右侧标本的肌肉兴奋(动作电位)所引起的。德国生理学家DuBiosReymond对CarloMatteueei的工作产生了兴趣。一方面改进和设计了许多研究生物电现象的设备和仪器如电键、感应线圈和更为灵敏的电流计等；另一方面，又对生物电进行了广泛和深入的研究，如在大脑皮层、腺体、皮肤和眼球等生物组织或器官都发现了生物电，特别是1849年他又在神经干上记录到损伤电位和活动时产生的负电变化，及神经的静息电位和动作电位，并在此基础上首次提出了关于生物电产生机制的学说，即极化分子说。接着DuBiosReymond的学生Bemstein又在电化学进展的影晌下，发展了生物电的既存说，提出了现在看来仍相当正确的、并推动动了生物电研究的膜学说(membranetheory)。Bernstein和Hermann分别在1874年和1877年开始提出了引人注目的肌肉电活动原理方面的报告，并定名为动作电位(ActionPotentials)。1901年，Einthoven发明了弦线检流计(StringGalvanometer)，通过弦线检流计可以记录到微弱的动作电位。隧着弦线电流计和毛细血管电位计等测量仪器的应用，关于生物电的研究虽膏进展，但比较缓慢。1897年，在Braun发明了阴极射线管后，Forbes和Thaeher在1920年利用阴极射线管“显示”动作电位，使检测技术进一步简化。两年后，Gasser和Erlanger用阴极射线管示波器代替电流计，显示了肌肉电信号，他们也因为这一应用和关于动作电位的解释而获得了1944年的诺贝尔奖。Liddetl和Sherington在1925年提出了运动单位(MotorUnit)的生理概念。Proebster在1928年第一个分析了病人的肌肉动作电位，研究了周围神经损伤和脊髓灰质的肌电图。Adrian和Bronk在1929年用同心针电极并借助示波器研究了单个运动单位的功能。1939年，英国生理学家Hodgkin和Huxley将毛细玻璃电极从切口纵向插入乌贼神经二f中的巨轴突内，首次实现了静息电位和动作电位的胞内记录，并在对这两种电位的精确定量分析的基础上，证实并发展了Bernstein关于静息电位膜学说的同时，又提出了动作电位的钠学说。DenngBrown和sehi鼢别在1938和1951年研2东北大学硕士学位论文第一章绪论究了纤颤电位，Hodes在1948年完成了运动神经传导速度的测定，Dawson在1949年研究了感觉神经传导速度，Buchthal在1950年研究了及萎缩同步电位，1960年，Kobri-nsky领导的一些科学家展示了由前臂肌肉产生的肌电信号控制的假手，这一贡献极大的激励了工程学在康复医学中的应用。接着，许多北美和欧洲的科学家开始了对这一新领域的探索12。112肌电研究的现状表面肌电信号是一种复杂的表皮下肌肉活动在皮肤表面处的时间和空间上的综合结果。它可以通过表面电极收集到，并可避免针电极刺入肌肉中丽带来的创伤性缺陷，如给病人带来痛苦和交叉感染的危险，已被广泛地应用于肌肉活动、肌肉损伤诊断、康复医学以及体育运动等方面的研究。随着信息科学和计算机技术的发展，人们对表面肌电信号的研究有了长足进步，其主要的具体研究如下【3j：1肌电假肢控制：近代假肢控制力图采用表面肌电信号进行，即通过对表面肌电的某些特征作为模式分类来驱动假肢的不同动作，如提取其相应的统计参数特性、时间序列模型参数、频谱参数等。2功能电刺激：在功能电刺激和生物反馈研究中，人们利用表面肌电信号来产生所需要的电刺激或反馈调节作用。3运动医学：在运动医学中，人们将表面肌电信号的谱分析结果作为判断肌肉疲劳程度的客观依据，或作为快肌与馒肌成分多少的判别依据；同时，对于肢体运动时所产生的表面肌电信号，人们对其进行的研究分析还可以作为运动或康复医学中动作分析的依据。4临床诊断：即利用表面肌电信号代替针电极肌电信号来诊断神经肌肉系统疾病。总之，表面肌电信号的研究对于认识和了解人体神经系统信息传递及康复：I=程都具有深远的意义。随着检测技术、信号处理方法和计算机技术的发展，研究如何从表面肌电中识别出肢体的多种运动模式，实现多个自由度的假肢控戋；研究如何采用表面肌电信号作为临床诊断，以及表面肌电信号在神经肌电生理方面的基础研究中的作用等，都已成为医学界、康复学界研究的热点问题。3东北大学硕士学位论丈第一章绪冶12课题的引入和研究的意义表面肌电信号是人体骨骼肌表面通过电极记录F来的神经肌肉活动时发放的生物电信号，它反映了神经、肌肉的功能状态。在临床上广泛应用于诊断神经肌肉接头的功能，判定神经系统、肌肉功能障碍及疾病治疗疗效；在运动医学中用于肌肉疲劳程度及训练强度的判定，如根据运动中每块肌肉的放电顺序和肌电幅度，结合实时采集等技术，对运动员的动作进行分析诊断，科学的安排教学与训练：康复工程上通过表面肌电的某些特征的分类可以驱动假肢、实现功能性电刺激和生物反馈调节，如将脑电、肌电等以视觉或听觉的形式反馈给人体，然后人在通过训练和意念来主动控制这些生理信号的变化来达到治疗的目的：肌电信号也是情绪的生理指标之一，情绪变化会引起皮肤电的变化。近年来，以小波理论和人工神经元网络理论为基础的对肌电信号的研究受到了广泛的关注成为当前生物医学工程等领域研究盼个热点；肌电信号采集的实时性和准确性也是学术界和临床医学尤其是远程医学关注的焦点。本论文从这两点出发，设计了表面肌电信号的实时采集系统，用两种神经附络结合小波分析理论对肌电信号的分类进行了研究。旨在探索。条肌电信号的实时采集、动作分析实际应用新的可行的途径。时采集、动作分析实际应用新的可行的途径。4一东北大学硕士学位论文第二章表面肌电信号的生理学基础厦特点第二章表面肌电信号的生理学基础及特点21表面肌电信号产生的原理211神经元及其生理基础一个多世纪以来，通过神经解剖学、神经组织学和神经生理学等的研究，人们知道了神经元是由细胞体、树突、轴突和突触等组成，如图21所示。细胞图2，1生物神经元结构Fig21Thestructureoflifeneuron神经元的形状在不同的位置可能有所不同，但结构大体如此。神经元的轴突一般来说很长，在它的尾部分成很多枝梗，这些技权可能有成酉上千个，它们的顶端有突起，称为突触，附着在其它的神经元的细胞体或树突上。神经元在神经生理学中最受人们的注意，原因是它可以传播电活动，神经元的轴突是神经元传递电信号的输出端。神经元的电信号经过轴突与其他神经元相联系就构成了神经元网络L“。神经系统中的信号是以细胞膜的电变化来传导的。细胞膜内外的电位有差别，外正内负，大约70以0毫伏。周围环境和内部环境变化都会引起膜电位的高低变化。这种变化当幅度不大时是局部的，随着变化幅度的增加，达到一定闭值时，膜电位会发生突然的变化。这些变化沿着轴突传导，称为动作电位(或作用电位)。电位变化的幅度和传导的速度因神经轴突纤维的种类不同而不同。但对一种纤维来说，动作电位和传导速度是确定的，这种现象称为“全或无”定律。一个神经-5一东北大学硕士学位论文第二章表面肌电信号的生理学基础及特点元通过它的轴突和突触与成千个上百神经元相联系，同时也受到成千个i二百其他神经元的作用。不是每个动作电位的脉冲都能引起下个神经元发放动作电位脉冲。一般说来，它只引起下一个神经元的膜电位的局部变化。只有几千个电信号的总和作用才能决定一个神经元的动作。不论形状大小或突触性质的如何，神经元都可模型化地分为4个功能部位：接受区(与上位神经元形成突触的成分或感觉神经元的感受成分)、接合区(轴丘，即轴突从胞体发出部位)、传导区(轴突)和输出区(轴突末梢)，如图22所示。个神经元对接受区接受的多路信号在整合区进行处理，由传导区输出，传给效应器或下位神经的活动称为神经元的整合功能【51。神经元模型信号，、输入区L臻和区l俦粤区输出区逮厨图22神经元的功能分区Fig22Thefunctionalsectionofneuron2。12表面肌电信号的产生孛几制表面肌电(SurfaceEMG，sEMG)是当肌肉兴奋收缩时，所有激活的肌纤维动作电位在皮肤表面电极处综合叠加的结果。骨骼肌在发挥功能时，肌纤维就收缩，肌肉的收缩在肌纤维内部有一一系列的生物化学的变化，同时也有动作电位的变化。如果用一种实时的肌电电极将这种动作电位变化显示出来，就形成一种波形凰，称为肌电图(Electromyography，EMG)。从信号分析的角度讲，也可称为胍电信号。它是肌肉中许多运动单元动作电位在在时间和空间上的叠加，反映了神经、肌肉的功能状态16J。肌纤维产生的动作电位，即为肌电信号。其产生机理如下：当神经系统命令肌肉收缩时，运动神经元的细胞体将产生冲动，孩冲动通过细胞体的轴突传递到6东北大学硕士学住论文第二章表面肌电信号的生理学基础菔特点肌纤维处，经终板区与肌纤维融合，使神经与肌肉的接点释放化学物质乙烯胆碱，引起肌膜的去极化，从而产生肌纤维的动作电位，而与每个神经元联系着的肌纤维不止一条，这些部分台在一起就构成了运动单元。动作电位沿着肌纤维分剐向个两方传播，引起了肌纤维内的一系列变化，导致构成肌纤维的肌凝蛋白和肌球蛋白相互重叠，从而产生了肌纤维的收缩，这些肌纤维分别属于不同的运动单元。单个运动单元内肌纤维几乎是同步兴奋的，而各个不同的运动单元之间的兴奋是相互独立的。因此，sEMG又可被看成是所有募集的运动单元动作电位串(MotorUnitActionMotionTrains，MUAPT)的综合叠加。MUAPT就是一系列运动单冠动作电位，它是sEMG的基础。当脊髓中枢发出收缩指令时，会有一系列兴奋信号，即神经脉冲序列沿着运动神经元轴突传导至神经肌肉接头处，这样就诱导出。个运动单元动作电位序列。不同的收缩力，对应的募集运动单位数目不同，所有被募集的运动单位的MUAPT叠加后形成表面肌电信号，如图23所示J。由此看来，生理电信号在肌肉纤维中的传播导致了肌肉的收缩，同时传播中的电信号在人体软组织中引起电流场，并在检测电极间表现出电位蔗，如图23所示，即肌电信号。当检测点位于皮肤表面处，检测电极是表面电极时，此时榆测的信号即为表面肌电信号。Q百审表面电极圈23表面肌电产生过程Fig23ThegenerationofSEMG7东北大学硕士学位论文第二章表面肌电信号的生理学基础及特点i1X-；趁翻澎翻翻兹翻磬盔毛嬲。日1卜22肌电信号的特点尽管肌电信号在不同肌肉有所不同，不同人的肌电信号也有很大的个体差异，多方面因素对肌电信号参数都会发生影响，但仍有一定的规律性。肌电信号一般有以下典型特征：】-肌电信号是一种交流电压，它在幅值上与肌肉产生的力大致成比例。肌肉松弛和紧张度与产生的表面肌电电压幅度之间存在着良好的线性关系；2肌电信号是一种微弱的电信号。肌电信号的幅度一般在10050009V，肌肉收缩时为：60300pV；松弛时约为20-309tV，而且一般不会超过噪音水平。对于健康人，肌电幅度的峰峰值可达l3mV。对于残肢者，其肌电幅值一般小于3509V，有的甚至不足llxV，约比正常人减小数倍至几十倍；3采用表面电极时，肌电信号能量主要集中在1000Hz以下，频谱分布在20500Hz，主要集中在500Hz以下，300Hz以上显著减弱。其中，绝大部分频翳集中在50150Hz之间。频域通常在O1000Hz之间。功率谱最大频率随肌肉而定，通常在30300Hz之间。4频域参数比时域参数更能反映肌电特征。因为当力大小稍有变化时，其时域波形变化较大，而频域特征变化不是很大；5同一块肌肉在作不同动作时，其幅值谱频率特性曲线形状仍然相似，从而说明不同肌肉的肌电发放存在麓一定的规律性【8J。8东北大学硕士学位论文第三章肌电信号数据采集系统设计第三章肌电信号数据采集系统设计31数据采集系统的基本概念在将信号送入计算机存储、记录、处理、分析以前，必须将模拟形式的信号变为数字形式的信号。从模拟域到数字域之间的接口系统定义为数据采集系统(DataAcquisitionSystem，DAS)。一个典型的生物医学数据采集系统的框图如图31所示【9I。计簋机图31数掘采集系统框图Fig31ThesketchmapofDAS各部分作用如下：1多路开关：生物医学信号经常是多路的。如脑电信号，一般需要同时采集8道信号；在采集心电时，也常需要多路采集。但各路信号的调理及采样保持等后续电路可以共用，这可以通过多路开关按序切换来实现。2信号调理(signalconditioning)：抑制干扰，提高信噪比。特别是在电极或换能器通过较长电缆与计算机相连的场合，共模干扰及高频干扰明显，信号常被淹没，信号调理器应尽量抑制予扰和噪声，不使信号受污染；完成信号的低电乎、极性等的转换，以便于AD变换器所需要的电平、檄性相匹配；9东北大学硕士学位论文第三章肌电信号数据采集系统设计防止混迭现象，即对信号预先进行防混迭滤波。32干扰的来源与排除在生物电信号的采集过程中，尤其是采集微弱生物电信号时，不可避免地会引入干扰。正确区分及排除干扰是生物信号采集过程中的重要任务。有时，能否有效的排除干扰成为实验成败的关键J。321干扰的来源150Hz工频干扰该干扰来源于市电电源，主要是通过电源线、电源变压器、开关、插座等与电源相连的器件辐射出来。到达生物组织及放大器的方式主要是靠分布电容，幽此，愈是靠近电源，干扰愈明显。另外，磁辐射也起部分作用。50Hz工频干扰通常是实验中最常出现、幅度最大的干扰。2高频干扰来源于电台、无线逶讯设施、其他仪器等。这些信号的频率远在生物电信号的频段之外，通常不直接引起干扰。但是当出现电极接触不良或高频信号过强时，可因“检波”及高频“削波干扰”产生低频信号，进而形成干扰。3其他生物电信号信号与干扰是相对的，当采集心电信号时肌电信号被视为干扰。当采集肌电信号是心电信号也视为干扰。因此，目的信号以外的其他生物电信号均可视为二|二扰，都应设法区分和排除。4背景噪声主要来源于放大器电子元件本身产生杂乱无章的电压和电流等噪声，一般与放大器内部元件的质量和性能有关。在输入回路中，也会引入噪声。其大小与电极电位、接触电阻有关。5刺激伪迹刺激伪迹的实质是放大器直接记录到的电刺激信号，它是以电的方式传到记录端的，是一个纯粹物理的过程。刺激信号传到输入端的途径主要有两方面；是通过组织容积导体，二是通过分布电容。适当大小的刺激伪迹可以作为刺激的标记，有助于图形的分析。但刺激伪迹过大会干扰随后出现的生物电信号。采用10东北大学硕士学位论文第三章肌电信号数据采集系统设计隔离输出、缩小刺激电极间距、加大刺激电极与记录电极的距离、在刺激与记录电极之间接地、减小刺激波宽等措施有肋于减小刺激伪迹。6与干扰产生有关的因素电极电位由原电池效应产生的，在电极配对不佳时比较明显。一般要求对电极要用同一种金属，要求高时应用乏极化电极。电极电位的危害主要有以下几个方面：使放大器前级接近饱和或截止，产生削波干扰或阻塞：使电极弓I线荷电，产生电容话筒相应，把弓l线的移动或震动转变为电信号，形成干扰：极化电流在通过电极与组织的接触部位(通常电阻较大)时形成噪声。接触电阻记录电极与生物组织接触的部位存在一定的电阻称为接触电阻或电极电阻。如果电极较细、接触的部位较小或中间有阻隔(如皮肤的角化层及皮脂)时，接触电阻往住较大。接触电阻大对实验不利，一方面使干扰和噪声加大，另它1方丽使有效信号衰减。分布电容生物体、电极及引线与周围环境及干扰源之问存在一定的分布电容。分布电容的大小与信号引导系统和干扰源之间的相对面积此正比，而与两者之间的距离呈负相关。因此，尽量缩短引线及远离干扰源有利于减小分布电容介导的于扰。322干扰的排除1屏蔽用金属材料将实验对象、电极、连线及放大器的前级遮蔽起来，防止干扰的方法称为屏蔽(电学屏蔽)。屏蔽方法防干扰是靠静电屏蔽原理来实现的。该原理认为导体内部电场强度为处处为零，在屏蔽层外的电场的任何改变郄不会影响到屏蔽层内。所以，屏蔽可用于减小或摔除电场干扰，而磁场干扰需用磁屏蔽消除。一般屏蔽层应该可靠接地，或接屏蔽驱动电路。根据所需屏蔽物体的大小，可使用屏蔽室、屏蔽笼、屏蔽箱、屏蔽盒等设备或装置。一般来说不应该把电源直接引到屏蔽笼内，仪器也要尽可能放在笼外。对于必须摆放仪器的屏蔽室，应使用隔离电源。室内的电源线及插座要做两次屏蔽处理。屏蔽的效果，可以用一。只小收音机做试验，一般来说收音机在屏蔽区内收不到任何电台可视为有效屏蔽。11东北大学硕士学位论文第三章肌电信号数据采集系统设计2接地接地的意义主要是实现与大地的等电位，与地等电位就意味着与周围环境等电位。如果不接地，通电的仪器外壳与大地之间就有电位差，或者称外壳带电。动物、引线也可能会因为感应到周围的电磁场而带电。这些电位都会影响到仪器对微弱电信号的记录。而接地使系统与大地之间以及系统各部分之间电位相等，避免干扰的引入。多台仪器之间接地时要遵循“一点接地”的原则。33放大器的特征肌电信号由两个电极来检测，两个输入信号“相减”，去掉“共模”成份，放大“差模”成份。任何噪声如果离检测点很远，在检测点上都表现为“共模”信号；而附近豹信号表现为“差模”，信号将被放大。因此，相对较远的电力线噪声将被消除，而相对较近的肌电信号将被放大【11】。1常用的生物电放大器必须具备下列要求：差分式平衡放大；低噪声，整机噪音不大于159V：有较高抗市电干扰能力，从而提高信噪比，有利于弱信号的放大；最大放大倍数大于1000：频率响应从O100KHz；低噪声，整机噪音不大于15pV；本机不受静电及磁场的干扰。2放大器参数的选择实验中，正确选择放大器参数十分重要，尤其是时间常数和高遵滤波的选择，一般的原则是在允许所记录的生物电信号通过的情况下，尽量减小带宽，以滤除噪声和干扰。增益的选择主要依生物电信号的强度而定，一般要求主波的幅度或信号波动的范围占记录范围的12蛰J23为适宜。增益控制增益控制，即改变放大器的放大倍数。放大倍数指输出与输入之间的电压比。输入阻抗对于干燥的皮肤来说，检测电极和皮肤接触处的阻抗可以从几千欧姆到几兆欧姆，为了避免检测信号由于输入负载的影响而减小和扭曲，差动放大嚣的输入12东北大学硕士学位论文第三章肌电信号数据采集系统设计阻抗越大越好。目前的差动放大器的输入阻抗可以很容易达到1012欧姆。滤波即使经过上面的一些考虑，肌电信号仍然会被一些噪声污染。如不把所需频带以外的成份滤掉，则在有限采样频率下，那些高频成份及高频噪声将使所需频带内的信号产生混迭，造成失真。故必须设置一截止频率为五(采样频率)的低通滤波器，滤去大于正的那些频率分量，防止混迭。低通滤波器常用无源或有源的高阶模拟巴特沃兹(Buttcrworth)或切比雪夫(Chebyshev)滤波器实现。我们可以通过将信号中的20Hz500Hz以12dBdec的向上转移频率进行滤波来增大信噪比(严格的来说应该将截止频率设置为400Hz，500Hz是为了给放大器留个安全的范围)。时间常数控制放大器下限截止频率(低端截止频率)。时间常数有0001秒、O01秒、01秒、1秒等档，分别对应的放大器的下限频率为160Hz、16Hz、16Hz、016Hz。时问常数越小，下限截止频率就越离，对低频成分的滤波程度就越大。DC(直流)是直流输入，是信号直接到放大器内部的输人端，放大器无任何低端的信号进行滤除。34预处理放大器的选择肌电预处理电路的熬体性能的好坏，关键在于前置放大器(也就是上文提到的差动放大器)，它的大多数参数直接决定了罄个预处理电路的性能。对于一个级联系统，它的噤声系数可由下式表示：肚l+等+警+型K1K2K3+1K。砭投1其中为系统总嗓声指标，l，2，3分别为器级的噪声指标，K，墨，局为各级增益【13】。由上式可以看出，当第一级的增益足够大时，第二项开始以后都可以忽略不计，系统的噪声系数主要取决于第一级。所以，从系统的噪声系数角度考虑，前置放大器必须选择低噪声器件，并且能提供尽可能大的增益。但是，由于检测电极和皮肤表面接触处会产生较大的直流电压，这可能引起放大器的阻塞，所以要综合考虑121。13东北大学硕士学位论文第三章肌电信号数据采集系统设计35肌电信号实时采集系统设计肌电信息的采集，包括肌电信息的检出与引入、现实与汜录以及特殊的采集技术，如电极的固定与定位技术等。本实验的肌电采集系统如图32所示：图32肌电信号采集系统Fig32ThecollectionsystemofthesEMGsignals2前置放大滤波电路对肌电信号进行前期处理，再经ADC0832进行模数转换，因为肌电信号有正有负，其负值在用计算机分析处理时很不方便，所以我们又设计了JE向偏置电路，所有的信号都产生正向偏置，这样在进行数据处理时并不影响其结果。再将转换结果由MAX232芯片通过串口送入上位机，实现了用单片机控制采样、计算机实时处理的功能。主要是设计了图33虚线所示部分。设计的实时显示电路板如图33所示。图33实时显示系统电路板Fig33Theboardofrealtimedisplaysystem-14-东北大学硕士学位论文第三章肌电信号数据采集系统设计351硬件电路设计单片机数模转换电路主要完成数据由模拟量转换成数字量、实时显示咀及与上位机的串曰通信等功能【141。1单片机的选择因为肌电信号的频率在50150Hz之间，且是缓慢变化的信号，综合考虑AT89C523的功能，我们选择的是ATMEL公司MCS51系列的AT89C523单片机。其引脚图如34所示：AT89C5213是一个低电压、高性能COMS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写得Flash只读程序存储器(PEROM)和256bytes的随机存取数据存储器(RAM)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MSC5l指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元。AT89C523有40个引脚，32个外部双向输入输出(IO)端口。同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时器，2个全双工串行通信口，2个读写口线，它可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效的降低开发成本。门HD02嘲，I，l矗tPL3，1毒PI515轴t阮吖mO哥氍lZ螂铷乏f姆2瑚。嘲3两1，雠拍；5艇I拣蝴糍纂鞲蔑，键lmSP2酊皤142彰垂l舱4，m2P231直01I托2，朋lO21，曲lP2O，蠹幸图34AT89C52引脚图Fig34ThepinsofAT89C5215秘摹；嚣_耵祷辅辩嚣、艇姥酶错狂盯嚣抟珥豁托牡Jr，；2拳零t，t，n艟垤“膳”博孔镦舢“躲辨。膳纛，5，睁，l，m隧鸭托擞h|喜彰瓣oo东北大学硕士学位论文第三章肌电信号数据采集系统设计主要功能特性：兼容MCS5l指令系统时钟频率0-24MHz32个双工Io口256Sbit内部RAM3个16位可编程定时计数中断8k可反复擦写(i000次)FlashROM2个串行中断可编程UART串行通道2个外部中断源共6个中断源2个读写中断口线低功耗空闲和掉电模式2模数转换器件的选择选择模数转换器件主要考虑要转换的信号特点与AD转换器的性能的关系。综合考虑信号的频率、特征及AD器件的技术指标，再结合AT89C523芯片对AD转换速率的支持等因素，选择了ADC0832模数转换器。其引脚如图35所示：CSCHoCHlGNDVC0CLKDODI图35ADC0832引脚圈Fig35ThepinsofADC0932ADC0832是带有串行输入、输出功能的g像逐次逼近式双列直插8引脚模数转换器，其转换时间为321xs。它的两个模拟量输入通道是可编程的，可以由串行输入口DI的三位控制字指定遵道，并选择单端输入和差分输入两种工作方式之一。主要功能及特性：分辨率：8bits量化误差：+I2LSB低功耗：15mw转换时闻：32ps输入输出与TTLCOMS兼容5V单电源供电选择ADC0832的CH0为单端输入工作方式，CHl不工作。DI端输入的控制字为“11l”，可将DI固定接高电平。当单片机的P13口将ADC0832的CS脚置j6东北大学硕士学位论文第三章肌电信号数据采集系统设计低电平时，在CLK的前三个脉冲上升沿从DI端输入控制字“111”，在接下来的八个脉冲完成转换过程。按照逐次逼近式的机理，依先高位后低位的顺序，转换一位，存储一位，并在下降沿由DO端输出一位，在后续七个脉冲的下降沿又将存储好的转换结果按照先低位后高位的顺序从DO端输出。至此，一次完整的模数转换过程完成。转换后的八位数据就从P17口读入到单片机中。从实际应用角度出发，系统在其备采集处理功能的基础上，必须要有通信接口，具备远程传输功能。3正向偏置电路正向偏髭电路由LM324构成两级反相输入放大电路。电路如图36所示：接前重放大器正向输如图36正向偏置电路Fig36Thepositivecircuit下面介绍一下LM324，其引脚如图37所示：LM324是四运放可单双电源供电的集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装。内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。每一组运算放大器可用如图37所示的符号来表示，其中“+”、“一”为两个信号输入端，“v+”、“v”为正、负电源端，“vo”输出端。两个信号输入端中，Vi(。)为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi(+)为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。17东北夫学硕士学位论文第三章肌电信号数据采集系统设计JT4IN140NGfN了lN3十uuI1413I12111IloI98|驯|扮、N沙1r、一0其它眦2击善茸一1智尉矿：土争IxNjWAMP=fix-x“(41)(42)(43)(44)(46)x阙值(47)其它5vfft和Ilog检测器(detector)1980年Hogan等人给出了EMG信号产生方式的功能数学模型：x(f)=J(f)以(f)(47)其中，玎(f)属于各态遍历的高斯过程，而s0)与肌肉收缩里有关，其关系式为：S(，)=f(m(t)=y聊(t)4(48)其中m(t)是肌肉收缩力，y和口是常数。理论上，球为05，但实验中，日在1和175之间。基于上述模型，许多研究人员提出了最优肌电处理器。最优肌电处理器由预白化滤波器、非线性检测器、平滑滤波器和重构线性器等组成。其中非线性检测器为一v阶检测器，即：M刊tiv(49)其中，v的最佳值为2或log检测器(倍增同态信号处理器)a只=log。|tl(410)6EMG直方图由于肌肉高度收缩时，EMG信号极其偏离其基线，故检测不同程度的EMG的24，东北大学硕士学位论文第蚂章表面肌电信号分析与处理方法采样个数是一种有效的特征。为了提取该特征，首先要设定一个闽值，接翁将正与负之间的距离等分成不同程度段，最后将不同程度的EMG的采样个数定为孩特征。其中闽值水平和分段数应依据实验而选定的。另一方面，EMG信号的直方翻也可用于肌肉病理研究【2Sl。7时间序列分析法时间序列分析法包括线性模型法和重现量化分析(QRA)法。线性模型法包括移动平均(MA)模型、自回归(AR)模型和回归移动平均混合(ARMA)模型。(1)线性模型法1975年，DGraupe等Jk191首次将时间序列分析技术引入肌电信号研究中，并提出利用ARMA模型对肌电信号进行分类，以便控制假肢。随后又有人将其改进为AR模型，即201首先假设EMG信号是平稳的高斯过程，则有线性AR模型：坼=Zaxk一，+ek(411)i=l口是AR系数，P是模型阶数，吒是残差白噪声。关于AR模型阶次的决定，已由许多人从实验上和理论上作了广泛的研究，并且均认为4阶模型是最佳的。JerJunnLuh等人f2111995年利用时变AR模型来提高EMG的幅值估计的准确度。JangwooKwon等人1996年提出通过建立隐马尔可夫模型来提取EMG信号特征，以便进行模式分类，并获得了较好结果。线性模型法在分析时间序列上有较好的结果，但在分析具有宽带频谱、随机或混沌时间序列时，要求有较长的历史数据，这就导致了模型的阶次很高，计算量很大221。(2)递归图示法(RecurrencePlot，RP)由Eckmann等c231提出的一种简单的图形，显示出了其在表征系统动力学特性方面的优点，被证明是一新的非线性分析的有效工具。新近的研究表明，对RP作定量的分析(RecurrenceQuantificationAnalysis，RQA)，可以得到许多表征RP的特征量，如递归点的百分数、确定性线段的百分数、线段分布的香农熵等。一些文献指出QRA法非常适合分析某些生理信号，因为QRA法对时间序列的大小和稳定性并无要求2们。重现图161：对时间序列x(f)和y(r)，重现图显示两点之间的标准化距离25东北大学硕士学位论文第四章表面肌电信号分析与处理方法D(i，-，)=(412)其中va“)是序列的变异，如果D(i，)小于某个阈值，就画点(f，)，否则不画。由于一点与它自身的距离为零，故在重现图中总可以看到一条主对角线根据定义，重现图是关于主对角线对称的。递归点的百分数17】是递归点在图上占据的相对数量聊“r(呦=丽2。n(413)式中聆是主对角线上半部分的递归点数，|是重构空间时的矢量数，NN2可看作是递归圈对角线所分割的三角形面积。对生理信号而言，较高的递归百分数意味着种加强的周期性嵌入过程。确定性线段的百分数(determ)是形成上部对角线段的递归点占总递归点的百分数，这些线段由2个或更多中间没有间隙的连续点组成，确定性线段的百分数为：妇()=坠(414)坍是第i段大于七点线段的点数。另一与确定性线段有关的是线段分布熵，它按照香农信息熵的定义进行计算s=一nl092P，(415)用来说明递归图的复杂性，A表示大于或等子所规定的最短线段点长度的几率，单位是比特。递归图确定结构越复杂，要反映动力学的比特数就越大，即熵值越高。422频域分析EMG信号的频率分析也能提供关于肌肉某种特征的有价值信息。女FIEMG功率谱的平均功率、中值频率。80年代，RonagerJ利用Fourier交换对表面肌电信号作了功率谱分析【261。通过高频低频的幅值比了解到正常个体的自发用力、控制用力及神经肌肉疾病患者之间的功率谱差异。wJKang等人【2711995年对EMG信号进行了倒频谱分析，并提取了倒频谱系数为特征矢量。RMerletti在1995年总结和26东北大学硕士学位论文第四章表面肌电信号分析与处理方法比较了基于FFT变换与基于人AR模型的两种频谱估计方法，并讨论了它们的实用性和局限性【2引，MartinBilodean【29】等人通过对分析EMG功率谱形状随力程度的增加而变化，发现皮层厚度是起决定性作用。表面肌电信号在频域常用的指标是中值频率、均值频率、频率范围、最高波峰幅值等。其中中值频率具有对参数变化敏感、抗噪声和信号混叠能力强的特点，被公认为一种可靠、精确的频谱特征参数。频域分析的经典的理论是傅立叶变换。1连续时间、连续频率的傅立叶变换一一傅氏变换FT(FourierTrans)傅立叶变换是法国科学家JFourier在1807年为了得到热传导方程简便解法而首次提出的著名的傅立叶分析技术。傅立叶变换的基本思想是将信号分解成一系列不问频率的连续正弦波的叠加，或者从另外一个角度说是将信号从时间域转到频率域【30】。傅立叶变换公式如下：正变换：F()=研，(f)】-Ef(t)e一埘者(416)反变换：f(t)=F。IF(训=去e矿d(4”)2连续时间、离散频率的傅立叶变换一一傅立叶级数当时域为周期的连续时间函数时，其傅里叶变换为离散非周期的频谱函数(傅立叶级数、离散频谱)，变换公式如下：正变换：x(jkf2。)=1t产12(谚埘dt(418)反变换：工(f)=X(yk哦)e业q(419)下3离散时间、连续频率钓傅立叶变换一一序列的傅立叶变换当时域为非周期序列时，其傅立叶交换为连续周期韵频谱函数，变换公式船一27-东北大学硕士学位论文第四章表面肌电信号分析与处理方法正变换：反变换：X(e脚)=x(nT)e删7(420)x。D2可1kas2：肖(e埘脾搬(4-21)4离散时间、离散频率的傅立叶变换DFT：离散傅立叶变换(DFT)是利用计算机对信号进行频谱分析的理论依据口”。离散傅立叶变换是分析有限场序列的有用工具。它不仅对信号处理的理论研究有重要意义，而且在运算方法上起着核心的作用。它把计算机的应用和信号分析理论结合在一起，使得谱分析、卷积、相关等运算都可以通过DFT在计算机上实现。当时域周期序列时，其傅立叶变换也为周期序列，变换的公式如下：正变换：芒=一f坚m(七)=x(n)e。”“(422)反变换：朴l芝x(k(423)423时频分析传统的Fourier变换只能较好地划信号的频率特征，而几乎不提供信号在时域中的任何信息。因而近年来时频分析方法倍受人们关注，这种方法很适合于对非平稳信号的分析研究。时频分析的基本思想是设计时间和频率的联合函数，用来表征信号在不同时间和频率的能量密度。这种时间和频率的联合函数，通常被简称为信号的时频分布。而基于时频分布的信号分析方法被称为时频分析。j前用于表面EMG信号分析的时频分析方法主要由短时FFT变换、WignerVille变换、hoiWilliams变换及小波变换等。1短时傅立叶变换STFT(又称加窗傅立叶变换)28东北大学硕士学位论文第四章表面肌电信号分析与处理方法Dabor在1946年给出的现在以他的名字命名的Gabor变换，代表了改进傅立叶变换的一个方向，即信号加窗或基函数加窗，有时也称为窗口傅立叶变换331。这是一一种信号局部分析的新思想，其基本思路是给信号加个小窗，信号的傅立叶变换主要集中在对小窗内的信号进行变换。这个方向的深入研究最终导致小波分析的出现。对平方可积的能量型信号x(f)，即rlx(t)ldt，乘以一定持续时间的窗函数(f)并作傅立叶变换，可以得到信号的短时傅立叶变换：s觋(地r)=exo(f。-t)e-Jzdt(424)其中“半”表示复数的共轭。短时傅立叶变换重构的公式为：x(o=瓦1嬲(珊，f，wp-t)eJdtd(425)实际应用中，为了准确定位信号中高频成分的发生时间，应该使用较窄的时域窗，而为了使STFT在低频时仍具有较高的频率分辨率，则应该使用较窄的频域窗，即较宽的时域落。而STFT只能使用一个确定的窗函数，因此必须在其时间分辨率和频率分辨率中作一折衷的选择。这也是信号短时傅立叶变换的最大缺点。2Wigner-V1le变换如果对非平稳的信号进行短时傅立叶分析，通常要求时间窗内的信号基本上是乎稳的，即窗的宽度应该和非平稳信号的局部平稳性相适应。当信号具有较强的非平稳性时，使用的窗必须很短，而很短的时间窗不可能得到较高的频率分辨率。WignerVille分布是时频分布中形式最为简单的一种，它直接对信号的二