（生物医学工程专业论文）基于虚拟仪器的表面肌电信号多路采集与识别系统.pdf

西北= 业大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t t h es u r f a c ee l e c t r o m y o g r a m ( s e m g ) s i g n a l sa r et h et i m ea n ds p a c es y n t h e s i s r e s u l to fc o m p l i c a t e dm u s c l ee l e c t r i c i t ya c t i v eo nt h et o po fs k i n ，t h em e a s u r e m e n t a n da n a l y s ea b o u ts e m gh a sav e r yi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ef o rt h ec l i n i cd i a g n o s i s ， h e a l i n gm e d i c i n e ，a n d a t h l e t i c s m e d i c i n e ；t h e v i r t u a l i n s t r u m e n t ( v i ) i s a r e v o l u t i o n a r yo u t c o m e ，i to r g a n i z e dt h ei n s t r u m e n tt e c h n i q u ea n dt h ec o m p u t e r t e c h n i q u ea n dr e d e f i n e dt h ec o n c e p to fi n s t r u m e n t s ，i tp o i n t e do u tt h ei n s t r u m e n t d e v e l o p m e n td i r e c t i o n s a ns e m ga c q u i s i t i o na n dr e c o g n i t i o ns y s t e mb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n t t e c h n i q u ei si n t r o d u c e di n t h i st h e s i s ，i tc a l la c q u i r ev i v i ds e m gs i g n a la n dd r a wa c o n c l u s i o nt h a ti t sp o w e ri sv e r yl o wa n di t sf r e q u e n c ys p e c t r u ml o c a t e db e l o w3 0 0 h zo r4 0 0 h z t h e nr e c o g n i z ea c t i o np a t t e r nb yt h em e t h o do fp o w e rs p e c t r u mk v a l u e ，a n dt h er e c o g n i z ee f f e c ti sg o o d a d a p t e dt ov a r i o u sp h y s i o l o g i c a ls i g n a l sw i t h t h ee x p a n d e df u n c t i o n s ，t h es y s t e mc a nb ec o n s i d e r e da st h ef u t u r ep h y s i o l o g i c a l i n s t r u m e n t sd i r e c t i o n a sf a ra st h ep a p e rs t r u c t u r ei sc o n c e m e d ，f i r s t ，t h i st h e s i si n t r o d u c e dt h ec o n c e p t ， c h a r a c t e r i s t i c s ，s t a t u sq u oi n s i d ea n do u t s i d eh o m ea n dt y p i c a lc o n f i g u r a t i o no ft h e v i r t u a li n s t r u m e n t ，t h e ng i v ead e t a i l e da n a l y s i sa b o u th o wt h es e m gc o m e si n t o b e i n g ，i t sc h a r a c t e r i s t i c ，a n dh o wa b o u ti t sr e s e a r c hj o b ；s e c o n d ，t h i st h e s i si n t r o d u c e d t h eb a s i cf u n c t i o na n dt h ec h o o s ep r i n c i p l ea b o u th a r d w a r ei ns e m ga c q u i s i t i o na n d r e c o g n i t i o ns y s t e m ；f i n a l l y , t h i s t h e s i sd e t a i l e di n t r o d u c e dt h es o f t w a r ed e s i g n m e t h o d sa n dp r o c e s s ，i n c l u d i n gt oc h o o s ed e s i g nl a n g u a g e ，t op a r tf u n c t i o nm o d u l e s ， t oi n t r o d u c em a i n f u n c t i o n s ，t oi n t e g r a t em o d u l e st of o r mh o s tp r o g r a m e ，e t c t h e m o s t w o r k l o a di st oc o m p l e t et h ed e s i g no f t h es o f t w a r e ( t h ef i l t hc h a p t e r ) t h ei n n o v a t i o nv i e w p o i n ti nt h i sr e s e a r c hj o bi st oa c q u i r es e m gs i g n a l sb yv i t e c h n i q u ea n db u i l da s e to fs e m gm u l t i - c h a n n e la c q u i s i t i o na n dr e c o g n i t i o ns y s t e m k e y w o r d ：v i r t u a li n s t r u m e n t s ，s i g n a lc o n d i t i o n i n g ，s e m g , l a b v i e w i i 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 本课题的研究意义 第一章绪论 人类骨骼肌中的每块肌肉均由多个运动单元( m o t o r u n i t ) 构成，当肌肉收缩程 度以及肌肉的疲劳状态不同时，参加收缩的运动单元的数量、每个运动单元放电 的频率、动作电位( a c t i o n p o t e n t i a l ) 的神经传导速率都会有所不同，因此肌电信号 ( e l e c t r o m y o g r a m ；e m g ) 中蕴涵着很多肢体运动的相关信息。 表面肌电信号( s e m g ) 是肌电信号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，并可避免因针电极刺入肌肉中而带来的创伤性 缺陷，如给病人带来痛苦和交叉感染的危险等，故已被广泛地应用于肌肉运动、 肌肉损伤诊断、康复医学及体育运动等方面的研究之中，对于认识了解人体神经 系统信息传递及康复工程都具有深远的意义。 虚拟仪器1 1 是仪器技术和现代计算机技术相结合的革命性产物。它是由计 算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通讯及图形用户界面的软 件组成的测控系统，是一种由计算机操纵的模块化仪器系统，从根本上更新了仪 器的概念。它代表了今后仪器仪表的发展方向。 本课题研究如何采用虚拟仪器技术测量并处理表面肌电信号，得出表面肌电 信号的特征和进行初步的动作识别。 1 。2 论文的主要工作内容 构建一套完善的仪器系统，首先必须对采集对象的特性进行深入的分析研 究，根据对象的性质来选取适合的采集方案；其次，要确定数据采集、存储、分 析和处理的流程，以实现数据的规范化：再次，选择合适的采集硬件：最后，重 点构建软件模块。 因此，本课题在以下几个方面展开工作： 1 开展对虚拟仪器技术的理论研究； 2 研究表面肌电信号的产生机理和特征： 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 ! = ! _ e = = = # e 自_ _ = = = = 自! = e | _ _ l = ! z e = # 3 选择合适的采集电极，信号调理卡，数据采集卡及其他硬件设备； 4 选择合适的软件开发平台，并进行软件开发，内容包括：采集显示、设 计滤波器、计算功率谱、写数据库、读数据库、波形发生、动作识别等： 5 进行表面肌电采集，对采集结果进行分析并得出结论a 2 西北工业大学硕士学位论文 第二章虚拟仪器 2 1 概述 第二章虚拟仪器 一虚拟仪器的概念【l j 所谓虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t s ，简称v i ) ，是由计算机硬件资源、模块化 仪器硬件和用于数据分析、过程通讯及图形用户界面的软件组成的测控系统，是 一种由计算机操纵的模块化仪器系统。 虚拟仪器最核一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，增强系统功能与灵活性。从这个意义 上讲，虚拟仪器有如下要素和特征： 1 以个人计算机为核心； 2 具有足够的仪器硬件功能： 3 以强大的仪器操作和测试软件为支撑； 4 在通用计算机平台上用灵活的虚拟软面板实现仪器的测试和控制功能等。 二虚拟仪器的特点 1 强调“软件就是仪器”。 在虚拟仪器中，仪器的功能和性能的实现，除了必备的硬件系统之外，大多 采用硬件软件化或以软件代硬件技术，来完成复杂的控制、分析或处理等能力。 因而从这个意义上讲，虚拟仪器对软件更具依赖性。 2 打破传统仪器小而全且各仪器资源不能共享的现状。 可将传统仪器的公共部分如显示、储存、打印及微处理器控制管理等，都由 计算机来完成，印无论任何功能的仪器都可利用或共享计算机的这些公共资源， 而无需重复地设计。 3 具有模块化、开放性及互换性的特点和好的资源复用性。 用户可以根据自己的需要选购不同功能的板卡或模块化仪器，并可随任务的 不同而灵活组合，提高仪器资源的可再用性。 4 可自定义仪器功能。 传统仪器在出厂时，其功能已经确定，用户不能根据自己的需求而随时进行 西北工业大学硕士学位论文 第二章虚拟仪器 修改，只能一机一用。而虚拟仪器则可借助通用数据采集装置，通过编制不同的 软件测试方案，从而构造几乎任意功能的仪器，即“软件就是仪器”的再次体现。 5 采用虚拟仪器，硬件设备与计算机之间的数据交流将变得非常方便和直 接迅速。 6 利用计算机强大的图形用户界面( g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e ；g u i ) ，虚拟 仪器可以采用多种方式显示采集的数据、分折的结果和控制过程，真正做到界面 友好、人机交互。 综上，虚拟仪器的特点决定了它比传统仪器性能更优越，使用更灵活。二者 的比较列于表1 1 。 表l i 虚拟仪器与传统仪器的比较 虚拟仪器传统仪器 软件使得开发与维护费用降至最低开发与维护开销高 技术更新周期短( 1 2 年)技术更新周期长( 5 1 0 年) 关键是软件关键是硬件 价格低、可复用与可重配置性强价格昂贵 用户定义仪器功能厂商定义仪器功能 开放、灵活、可与计算机技术保持同步发展 封闭、固定 与网络及其他周边设备方便互联，面向应用 功能单一、互联有限，独立设备 三虚拟仅器的发展现状 虚拟仪器的概念是美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t sc o r p ，简称n i ) 于 1 9 8 6 年提出的。8 0 年代以来，n i 公司研制和推出了许多总线系统的虚拟仪器，成 为这类新型仪器世界第一生产大户。此后，美国的惠普( h p ) 公司，t e k t r o n i x 公司，r a c a l 公司等也相继推出了许多此类仪器，并在短短的1 0 余年便占有了世 界仪器市场的1 0 左右。 1 7 1 前，虚拟仪器在发达国家已经十分普及。在美国，虚拟仪器系统及其图形 编程语言，已作为各大学理工科学生的- - l - j 必修课程。据“世界仪表及自动化” 杂志预测，2 l 世纪初叶，世界虚拟仪器的生产厂家将超过于家，其品种将达到数 千种，市场占有率将达到5 0 左右。虚拟仪器将成为下一世纪仪器发展的方向， 而且有逐步取代传统硬件化电子仪器的趋势。 作为仪器领域中最新兴的技术，虚拟仪器的开发和研究在国内尚属于起步阶 段。国内专家预测，未来几年内，我国将有5 0 的仪器为虚拟仪器。国内将有大 批企业使用虚拟仪器系统对生产设备的运行状况进行实时监测。随着微型计算机 4 西北工业大学硕士学位论文第二章虚拟仪器 的发展，虚拟仪器将会逐步取代传统的测试仪器而成为测试仪器的主流。 四虚拟仪器的构成 虚拟仪器通常由硬件设备与接口、设备驱动软件、测试功能软件和虚拟仪器 面板等组成。虚拟仪器自动测试系统构成框图如图2 1 所示，实物示意图如图2 2 所示。其中，硬件设备与接口可以是以p c 总线为基础的内置数据采集卡 ( p c d a q ) 、通用接口总线( 如g p i b ) 接口卡、串行口、v x i 总线仪器、p x i 总 线仪器等设备，或者是其它各种可程控的外置测试设备：设备驱动软件是直接控 制各种硬件接口的i o 驱动程序。虚拟仪器通过底层设备驱动软件与真实的仪器 模块系统进行通讯，并以虚拟仪器面板的形式在计算机屏幕上显示与真实仪器面 板操作元素相对应的各种控件。在这些控件中集成了对应仪器的程控信息，所以 用户用鼠标操作虚拟仪器的面板就如同操作真实仪器一样真实与方便。 测 试 对 象 1 h 一 一现场总线仪器卜一叫 图2 1 虚拟仪器系统结构框图 五虚拟仪器的分类f 2 1 虚拟仪器的硬件一般分为基础硬件平台和仪器硬件设备。基础硬件平台目前 可以选择各种类型的计算机：而仪器硬件设备则主要包括各种计算机内置插卡和 外置测试设备。 根据所用仪器硬件的不同( 见图2 1 ) ，虚拟仪器可分为g p i b ( 1 e e e 4 8 8 ) 总线式、以计算机数据采集卡和信号调理为仪器硬件而组成的p c 总线式、v x i 总线式、p x i 总线式、并行总线式、串行总线式、现场总线式等不同的硬件体系 结构。目前虚拟仪器的发展主流是( 3 p i b 、p c - - d a q 、v x i 和p x i 四种标准体 西北工业大学硕士学位论文 第二章虚拟仪器 系结构。 图2 - 2 虚拟仪器系统实物示意图 1 g p i b 总线式的虚拟仪器系统 g p i b ( g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s ，通用接口总线) 技术是i e e e 4 8 8 标准的 虚拟仪器早期的发展阶段，它的出现使电子测量由独立的单台手工操作向大规模 自动测试系统发展。典型的g p i b 系统由一台p c 机、一块g p i b 接口卡和若干 台g p i b 形式的仪器通过g p i b 电缆连接丽成。在标准情况下，一块g p i b 接口 卡可带多达1 4 台的仪器，电缆长度可达2 0 m 。g p i b 技术可用计算机实现对仪器 的操作和控制，替代传统的人工操作方式，可以很方便地把多台仪器组合起来， 形成大的自动测试系统。g p i b 测试系统的结构和命令简单，主要市场在台式仪 器市场。但是它与p c 机相连需要专用接口以及g p i b 仪器，结构复杂，传递速 率较低，逐渐被其他形式的仪器所代替。g p i b 测试系统适合子精确度要求高、 但不要求对计算机进行高速数据传输的应用，成本也较高。 2 p c 总线式的虚拟仪器系统 这种方式借助于插入计算机内的数据采集卡与专用的软件，完成测试任务。 它充分利用计算机的总线、系统内存、机箱、电源以及软件的便利，具有良好的 开放式软、硬件平台。接口总线简化了系统构成，扩充、变更容易，构建自动测 试系统灵活，系统的总体性能优于g p i b 。其关键在于a d 转换技术，借助于高 级定时功能。能完成仪器级的高精度测量。但这种方式受p c 机机箱和总线限制， 且存在电源功率不足、机箱内部的噪声电平较高、机箱内无屏蔽等缺点。插卡式 仪器价格最便宜，性价比较高，灵活性较好，个人计算机数量非常庞大，因此其 6 西北上业大学硕士学位论文 第二章虚拟仪器 用途广泛，在国内势必迅速发展，特别适合于教学部门和各种实验室使用。 3 v x i 总线式的虚拟仪器系统 v x i ( v m eb u se x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n ，v m e 总线在仪器领域的扩展) 总线是高速计算机总线v m e 在仪器领域的扩展，它具有稳定的电源，强有力的 冷却能力和严格的r f u e m i 屏蔽。由于它的标准开放，且具有结构紧凑、数据 吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持的优点，很 快得到广泛的应用。经过l o 多年的发展，v x i 系统的组建和使用越来越方便， 有其他仪器无法比拟的优势，尤其适用于组建大、中规模自动测量系统以及对速 度、精度要求高的场合。然而，组建v x i 总线要求有机箱、零槽管理器以及嵌 入式控制器，造价比较高，硬件设计复杂，面市的品种也较少。 4 p x i 总线式的虚拟仪器系统 p x i ( p c ie x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n ，p c i 在仪器领域的扩展1 总线方式是在 p c i 总线内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的，所增加的多板同步触 发总线的参考时钟，适合于精确定时的星形触发总线，以便用于相邻模块的高速 通信的局部总线。p x i 有高度的可扩展性，它有8 个扩展槽，而台式p c 系统 只有3 4 个扩展槽，通过使用p c i p c i 桥接器，可扩展到2 5 6 个扩展槽，但 成本比较高，硬件设计复杂，目前面市的品种比较少。 由以上分析可知，g p i b 方式控制的虚拟仪器主要针对单一的专用仪器，数 据传输速度有限，通用性不强；v x i 、p x i 仪器结构复杂，需要专用的v x i 机 箱、v x i 控制卡和p x i 机箱、p x i 控制卡等价格昂贵的设备，研制开发比较困 难：由数据采集卡构成的虚拟仪器性能价格比较高，设计手段灵活。通用性强， 应用前景广阔。本次课题是为研究生工程测试实验而设计的，从性价比和灵活性 考虑，采用p c 插入式数据采集卡( p c d a q ) 硬件体系结构，构建模块化、开 放式的高性能虚拟仪器测试系统。 2 2p o - d a o 式虚拟仪器系统 p c - d a q 式虚拟仪器系统典型结构如图2 3 所示，该系统由传感器 ( t r a n s d u c e 0 、信号调理系统( d a t ac o n d i t i o ns y s t e m ) 、数据采集卡( d a t aa c q u i s i t i o n d e v i c e ) 、个人计算机( p e r s o n a lc o m p u t e o 、软件( s o f t w a r e ) 等基本要素构成。 一传感器( t r a n s d u c e r ) 传感器是把物理量转换成电信号的装置。例如：热电偶、电阻温度检测器 ( r t d s ) 、热敏电阻、集成电路温度传感器等，是将温度转变成电压和电阻；又 西北工业大学硕士学位论文第二章虚拟仪器 如应变片、流量传感器等，是将压力、流速转换成电信号。对于每种传感器，电 信号的大小都与被监测的物理参数成比例。选用不同传感器，可以完成对不同物 理量的测试。一些传感器，像热电偶等，由于精度较低，信号也微弱。因而需要 对其调理和校正才可能得出精确结果。 图2 - 3p c d a q 式虚拟仪器系统典型结构 二信号调理系统( d a t ac o n d i t i o n i n gs y s t e m ) 从传感器输出的信号必须经过调理才能够有效的进行数据采集，常见的信号 调理包括放大、滤波、隔离、传感器激励、线性化等处理。 ( 1 ) 放大( a m p l i f i c a t i o n ) 微弱信号要进行放大以提高分辨率，也使调理后信号的最大电压值和a d c 的最大输入值相等，这样可以提高精度。同时，程控放大可以提供较宽的动态范 围。仪器信号调理( s c x i ) 的前端系统有几种放大模式，最常见的有通用集成 放大器、仪器放大器、隔离放大器等，它们在靠近传感器处进行微弱信号的放大， 然后送给计算机，以使噪声影响减到最小。 ( 2 ) 滤波( f i l t e r i n g ) 滤波可以消除或减低噪声信号。对于常见的测试系统，混入的一般为高频噪 声，所以测试系统中，一般采用低通滤波器，用于直流、低频交流信号。交流信 号通常需要抗混叠的低通滤波器，因为这样的滤波器有一个陡峭的截止频率，几 乎能够完全消除高频干扰信号。 ( 3 ) 隔离( i s o l a t i o n ) 隔离也是信号调理中的一种。从安全的角度把传感器信号同计算机隔离开， 因为被监测系统可能产生瞬时高电压；另一个原因是隔离可使从数据采集板出来 的数据不受地电位和输入模式的影响。当输2 k d a q 板的信号与原始的信号不共 地时，可能产生较大误差甚至损坏系统，而用隔离办法就能保证信号准确。 ( 4 ) 激励( e x c i t a t i o n ) 信号调理也能够为某些传感器提供工作电流。电阻温度计( r t d ) 需要电流 8 西北f 业大学硕士学位论文第二章虚拟仪器 将电阻变化反映出来，而应变片需要一个完备的桥式电路及电源。很多设备都提 供电流源和电压源以便使用这些传感器。 ( 5 ) 线性化( l i n e a r i z a t i o n ) 很多传感器对被测量都有非线性响应，因而需要对输出信号进行线性化。可 以在驱动程序和一些应用软件中对信号进行线性化处理。 三数据采集卡( d a t a a c q u i s i t i o nd e v i c e ) 数据采集卡是虚拟仪器的重要组成部分，完成模拟量到数字量的转换，然后 再传送到计算机中。数据采集卡有如下参数。 ( 1 ) 采样频率( s a m p l i n gf r e q u e n e y ) 采样频率高，就能在定时间获得更多的原始信号信惠。为了再现原始信号， 必须有足够高的采样频率。如果信号变化比采集板的数字化要快，或者采样太慢， 就会产生波形失真( 如图2 4 所示) 。根据奈奎斯特理论，采样频率至少是原始 信号最高频率的两倍，才不至于产生波形失真。 合适的采样频率 不舍适的采样频率 图2 - 4 采样频率与信号 ( 2 ) 采样方法( s a m p l i n gm e t h o d ) 要从几个通道得到数据，通常使用多路开关把每个信号端连接到模数转换器 ( a d c ) 。采用连续扫描方法，要比给每个通道一个放大器和a d c 要经济得多， 但这仅适用于在采样点之间时间不是很重要的场合；如果采样点之间对时间要求 严格，则必须同时采集；对于低频信号，可以用间隔扫描办法来产生同时采样的 效果而不必增加采样保持电路。这种方法以一定时间间隔扫描输入通道，用脉 冲来计算各通道两次被扫描的时间间隔。 ( 3 ) 分辨率( r e s o l u t i o n ) 分辨率是数据采集卡的精度指标，用a d c 的数字位数来表示。a d c 的位数 越多，分辨率就越高，可区分的电压就越小。例如，三位转换把模拟电压范围分 成2 3 = 8 段，每段用二进制代码在o o o 到1 1 l 之间表示。因而，数字信号并不能真实 西北工业大学硕士学位论文第二章虚拟仪器 地反映原始信号，因为一部分信息被漏掉了。如果增加到1 6 位，代码数从2 3 = 8 增加到2 ”= 6 5 5 3 5 ，这样就可以较精确地反映原始信号的数字信息。 ( 4 ) 电压范围( r a n g e ) 电压范围指a d c 能扫描到的最高和最低电压。一般情况下，由于a d c 板的 电压范围可调，所以可将信号电压范围调到与微机相配以便利用其可靠的分辨率 范围。 在对模拟输入进行测量的过程中，电压范围、放大增益、分辨率决定了可分 辨的最小电压，表示为1 l s b 。例如，d a q 板的分辨率为1 6 位，电压范围取0 1 0 v ， 增益取1 0 0 ，则有1 l s b = 1 0 v ( 1 0 0 6 5 5 3 5 ) = 1 5uv 。这样，在数字化过程中， 能分辨的最小电压为1 5uv 。 四软件( s o f t w a r e ) 没有软件甚至没有好的软件，数据采集系统硬件不可能发挥很大的作用，更 谈不上构建虚拟仪器系统。 ( 1 ) 驱动软件( d r i v es o f t w a r e ) 驱动软件是直接对数据采集硬件系统进行操作的软件层，管理着系统的操作 以及和计算机资源的组合，比如c p u 中断、d m a 传送、存储器等。驱动软件在 保持高性能、提供给用户易于理解的基础的同时，隐藏了复杂、详细的硬件级程 序设计。越来越复杂的d a q 硬件、计算机、软件等实际上更提高了驱动程序的 重要性和价值。合适的驱动软件不但减少了组合d a q 板系统的时间，而且是高 性能和系统性的最佳组合。 ( 2 ) 应用软件( a p p l i c a t i o ns o t t w a r e ) 虚拟仪器应用软件主要有三个目的：提供一个集成的开发环境；一个与仪器 硬件的高级接口：一个与虚拟仪器用户的接e 1 。对虚拟仪器系统进行程序设计， 最常用和最有效的办法就是利用应用软件，来增加分析和显示功能。 2 3 本章小结 本章介绍了虚拟仪器的概念、发展状况以及分类和p c d a q 式虚拟仪器系 统的典型软硬件构成，为组建基于虚拟仪器的表面肌电信号多路采集与识别系统 打下了理论基础。 两北工业大学硕士学位论文第三章表面肌电信号 第三章表面肌电信号 自1 7 9 1 年伽伐尼( g a i v a n i ) i 正实肌肉收缩与电有密切关系以来，1 8 5 1 年法国 的杜波依斯一雷蒙德( d u b o i s r e y m o n d ) 首先检测到人体肌肉随意收缩时能产生 电信号，随后1 9 2 2 年加塞( g a s s e r ) 和厄兰格( e r l a n g r e ) 利用阴极射线示波器代替传 统的检流计观察到肌电图，并因此而荣获1 9 4 4 年的诺贝尔奖。2 0 世纪以来，随 着电子技术的迅猛发展和微电脑的出现，使肌电信号的定量分析以及更深入研究 成为可能。 3 1 产生机理 人体中的肌肉共分三类：骨骼肌、平滑肌和心肌。其中骨骼肌的数量最大， 平均约占体重的4 0 ，躯体运动就是由它实现的，而内脏运动则是由平滑肌( 如 胃肠道运动) 和心肌( 心脏的活动) 实现的。本课题的研究对象是骨骼肌。 肌肉的功能是收缩。在正常情况下，肌肉收缩是由神经冲动引起的。生理学 中把一个口运动神经元及其所支配的肌纤维的集合称为一个运动单元( m o t o r u n i t ；m u ) ，它是神经肌肉系统的最小控制单位。g 运动神经元在神经支配或外 加刺激作用下，产生一次细胞膜内外的电位变化，即神经冲动( n e r v ei m p u l s e ) 。 当神经系统命令肌肉收缩时，口运动神经元的细胞体将产生神经冲动，该冲动通 过细胞体的轴突传递到神经未梢时，经神经肌肉接头与肌纤维藕合( 是生化过程 性质的藕合) ，使终板区突触小泡释放化学物质乙酰胆碱( a c e t y l e h o l i n e ，分子式为 c 7 hi 7 n 0 3 ) ，从而使接头后膜通透性增高，引起肌膜的去极化( d e p o l a r i z a t i o n ) ，从 而产生肌纤维的动作电位。一个运动单元中所有肌纤维上的动作电位合成被称为 运动单元动作电位( m o t o ru n i t a c t i o np o t e n t i a l ；m u a p ) 。 动作电位沿着肌纤维传播，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即肌肉的收缩。为了 保持肌肉的收缩，运动单位必须反复被激活，从而得到一系列的动作电位，即运 动单位的动作电位序列。由此可见生理电信号( 肌纤维的动作电位) 在肌肉纤维中 的传播导致了肌肉收缩，同时传播中的电信号在人体软组织中引起电流场，并在 检侧电极间表现出电位差即肌电信号。当检测点位于皮肤表面，检测电极是表面 西北工业大学硕士学位论文 第三章表面肌电信号 电极时，此时检测到的信号即为表面肌电信n ( s u r f a c ee m g ：s e m g ) 。 肌电信号产生的机理如图3 - 1 所示【3 ： 舢慷懒hc 主嚣器h 一 ! 榆测 肌电信呼 h 啊1肌纤 3 1 特点与干扰 。 乙麓襞黔h 肌膜去极化( 终板区) 。 厂 圳摊u 位l 一 动作r u 位卜一一j l - j 图3 - ! 肌电信号产生机理 表面肌电信号是一种非常微弱的信号，其幅值在1 0 0 5 0 0 0 # v ，其峰一峰 值一般在0 6 m v ，均方根在o 1 ，5 m v ，一般有用的信号频率成分位于1 0 5 0 0 h z 范围内，其中主要能量集中在5 0 1 5 0 h z 范围内，如波士顿大学神经肌肉研究中 心发现利用双极型模型得到的肌电频谱分布在2 0 5 0 0 h z ，绝大部分频谱集中在 5 0 1 5 0 h z 之间。 表面肌电的干扰主要来自电源和肌肉收缩以外的噪音。电源的干扰，主要表 现为5 0 h z 的干扰，可以通过增大受试者与仪器之间的距离来减少：心电是主要 噪音之一，心电持续存在而且心电信号比肌电信号强，心电信号对身体左侧的影 响大，所以我们选择在身体的右侧肢体上进行表面肌电采集；电极移动产生局部 电流是另一干扰源，在患者运动过程中，电极很容易发生微小的移位，在电极局 部产生电位：另外，还有呼吸肌电的干扰、无线电波的干扰等。 3 2 研究现状 表面肌电信号( s e m g ) 是一种复杂的表皮下肌肉电活动在皮肤表面处的时间 和空间上的综合结果。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，其主要的具体研究方面如下： ( 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模式分类来驱动假肢的不同动作，如提取其相应的统计特性 参数、时间序列模型参数、频谱参数等。 辞 一 维 一 西北工业大学硕士学位论文第三章表面肌电信号 ( 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，或作为快肌与慢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员 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了解人体神经系统信息传递及康复工程 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制，研究 如何采用表面肌电信号作临床诊断，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、康复医学界研究的热点问题。 目前人们已利用诸多方法对表面肌电信号进行研究，但就其所利用的理论方 法而言，主要分为以下五个方面：时域分析法、频域分析法、时频域分析法、高 阶谱法及混沌与分形。 一时域分析法 传统的肌电信号处理方法是把肌电信号近似看成服从零均值高斯分布、方差 仃2 与其强弱有关的随机信号。目前最常用的e m g 特征有以下几种： 1 绝对值积分( i a v ) 。其计算式为：尉y2 亩吾h 2 过零点数( z c ) 。其计算式为：z c = z s g n ( 一x i x i + 1 ) ，s g n ( x ) = ：。f 舳x 。0 。 3 方差( v a ：r ) 。其计算式为：以r2 丙三善# 4 w i l l i s o n 幅值( w a m p ) 。其计算式为： w a 御：z s v , 一训，厂( x ) = 砖镒值 i = 1 它是由w i l l i s o n 在1 9 6 3 年提出的一种计算e m g 幅值变化的次数，1 9 8 8 年 p h i l i p s o n 等人通过研究认为阀值取为5 0 1 0 0 , u v 为最合适的。 5 v 阶和l o g 检测器( d e t e c t o r ) 。1 9 8 0 年h o g a n 等人给出了e m g 信号产生 】3 西北工业大学硕士学位论文 第三章表面肌电信号 方式的功能数学模型：x ( t ) = s ( t ) n ( t ) ，其中疗( f ) 属于遍历的高斯过程，j 与 肌肉力收缩有关，其关系是：s ( t ) = ，( 肌( ，) ) = y m ( t ) 。，其中m ( t ) 是肌肉收缩力， ，和盘是常数。理论上，d 为o 5 ，但在实验中，口在1 和1 7 5 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滤波器等组成。其中非线性 检测器为v 阶检测器，即：y ，= i x “，其中，v 的最佳值为2 。 非线性检测器也可为l o g 检测器( 倍增同态信号处理器m u l t i p l i c a t i v e h o m o m o r p h i cs i g n a lp r o c e s s o r ) ，其表达式为：y i2l o g p 限l 6 e m g 信号的时序模型。1 9 7 5 年d g r a u p e 等人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a r m a 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a r 模型，即：首先假设e m g 信号是平稳的高斯 s 过程，则有线性a r 模型：2 乙缉x k 一，+ e k ，其中仃是a r 系数，p 是模型 t = l 阶数，是残差白噪声。 关于a r 模型阶次的决定，己由许多人从实验和理论两方面作出了广泛的研 究，并且均认为4 阶模型是最佳的。j e r - j u n nl u h 等人1 9 9 5 年利用时变a r 模型 来提高e m g 信号的幅值估计的准确度。j a n g w o ok w o n 等人1 9 9 6 年提出通过建 立隐马尔可夫模型来提取e m g 信号的特征，来进行模式分类，并获得了较好的 结果。 7 e m g 直方图 由于肌肉高度收缩时，e m g 信号极其偏离其基线，故检测不同幅值的e m g 信号的采样个数可作为一种有效的特征。为了提取该特征，首先要设定一个阀值， 接着将f 负阀值间的距离等分成不同幅值段，最后将不同幅值的e m g 的采样个 数定为垓特征。其中闽值水平和分段数依据实验而定。同时e m g 信号的直方图 也可用于肌肉病理研究。 二频域分析法 e m g 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，如e m g 功率谱的平均功率( m p f ) 和中值频率( m f ) 。八十年代初，r o n a g e r j 利用傅里叶变 换对表面肌电信号作了功率谱分析，通过高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的差异。w e n - j u hk a n g 等人 1 9 9 5 年对e m g 信号进行了倒频谱分析，并提取倒频谱系数作为特征矢量a 1 4 西北工业大学硕士学位论文 第三章表面矾电信号 r m e r l e t t i l 9 9 5 年总结并比较了基于f f t 变换和基于a r 模型的两种频谱估计方 法，并讨淦了它们的实用性和局限性。 在假肢使用时，常会出现肌肉疲劳的情况，为此人们广泛地利用s e m g 的 功率谱分析来检测肌肉疲劳，从而可以进行疲劳补偿，以便进行假肢控制和力估 计。当然通过功率谱对s e m g 的肌肉疲劳进行分析，也有其他的作用。如e c k a r d t 于1 9 9 6 年发表的篇论文中指出，脸部的结构功能与肌肉营养失调有关，这一 结论就是通过s e m g 的f f t 处理得出的，他发现低频中心频率发生了偏移。故 肌电信号的频谱分析不但在肌电信号的检测与分析中具有极大的应用价值，而且 也具有重要的临床意义。 三时频域分析法 传统的傅里叶变换只能较好地刻划信号的全局频率特征，而几乎不提供信号 在任何时域中的频率信息。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。目前用于s e m g 信号分析的时频域分析法主 要有短时f f t 变换、w i g n e r - v i l l e 变换、c h o i w i l l i a m s 变换及小波变换等。 1 短时f f t 变换 对于非平稳信号的处理，最直接的方法是将该信号分成几小段，然后将各小 段分别视为平稳信号来处理。短时f f t 变换就是这样处理的，但它不能敏感地 反映信号的突变。不过对于慢变化的信号，通过适当选择窗函数，仍可获得较好 的效果。 2 w i g n e r - v i l l e 变换 维格纳分布是信号能量在时间、频率两维空间上的分布，它具有许多优良特 征。例如，定义域的同一性、反演特性等，这使它在非平稳肌电信号的处理中颇 有潜力。w i g n e r _ v i i i e 变换为：w v ( t ，厂) = f 芒s ( t + r 2 ) s + o r 2 ) e - j 2 t c ；f ， 其中s ( o 是s ( o 的共扼复数，f 为时间，j r 为频率，r 为延时。 w i g n e r - v i l l e ，变换的不足之处在于变换是非线性的，所以当信号成份多时， 不同成份之间容易出现交叉项，会引起伪像。 3 c h o i w i l l i a m s 变换 c h o i w i l l i a m s 变换有效地消除了交叉项的存在。其表达式为： d ( t ，) ：rrr j ( f + r 2 ) s ( f r 2 ) g ( o ，f ) g 哪即乙p 川埘d 毋出d r ，其中 g ( o ，f ) = e 卅1 。，若盯很大，g ( o ，r ) 刽1 ，这样就得到了w i g n e r - v i l l e 分布； 但若盯很小，g ( o ，f ) 接近目，r 平面的边缘，通常被视为模糊函数面。 15 西北工业大学硕士学位论文 第三章表面肌电信号 4 小波变换 小波理论及其思想来自f o u r i e r 分析，它是f o u r i e r 分析的新发展。小波变换 能反映信号局部特性，分析非周期函数。平移其基本子波或变化比例尺就可以实 现信号的多分辨率变换。这种分解方法类似于一组带宽相等、中心频率可变的带 遥滤波器，可用于分析非平稳肌电信号。 四高阶谱分析 传统的随机信号处理技术是建立在二阶统计量基础上的，它只能完整反映服 从高斯分布的随机信号的概率结构，而当肌肉力变化时实际的肌电信号是非平稳 的，不是高斯型信号，它的相位谱含有丰富的信息。高阶谱分析能够克服传统处 理方法的不足，给出信号本身更多的信息。例如，可以用双谱分析( b i s p e c t r a l a n a l y s i s ) 分析肌肉力变化时的非高斯型肌电信号，及肌肉恢复分析。 五混沌与分形 混沌与分形理论可用于s e m g 产生机理的研究。国外一些学者已开始利用 分形理论来研究s e m g 信号，并有研究表明s e m g 的分形维数随肌肉收缩强度 的增加表现为单调上升的趋势，s e m g 分形维数的这一特性可以用来研究比例控 制的肌电假肢。也有人利用非线性滤波器来研究静态承受负载下的s e m g 信号。 国内也有人利用混沌理论研究了肌肉在等张力收缩情况下所测取得肌电信号的 相空间，通过计算其关联维数、l y a p u n o v 指数，表明所测的s e m g