CN116035599A - 表面肌电信号采集系统及方法 - Google Patents

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张亚奇
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Abstract

本发明提供了一种表面肌电信号采集系统及方法，包括标准Ag/AgCl电极片，用于采集人体发出的肌电信号；硬件滤波网络，包括依次相连的差分放大模块、高通滤波模块、工频陷波模块、二级放大模块和低通滤波模块，所述差分放大模块用于接收标准Ag/AgCl电极片采集到的两路差分肌电信号，并转为单端信号后进行一级放大输出，所述工频陷波模块包括两个运放和双T陷波器；上位机模块，用于接收硬件滤波网络处理后的EMG信号。本发明能够实现自由组合表面肌电信号采集的通道数，且不受软件处理速率的限制，可节省后端处理时间，降低对后端处理器的性能要求并降低成本。

Description

表面肌电信号采集系统及方法
技术领域
本发明涉及一种表面肌电信号采集系统及方法，属于信号采集技术领域。
背景技术
肌电信号（EMG）是众多肌纤维中运动单元动作电位（MUAP）在时间和空间上的叠加。表面肌电信号（SEMG）是浅层肌肉EMG和神经干上电活动在皮肤表面的综合效应，能在一定程度上反映神经肌肉的活动；相对于针电极EMG，SEMG在测量上具有非侵入性、无创伤、操作简单等优点。因而，SEMG在临床医学、人机功效学、康复医学以及体育科学等方面均有重要的实用价值。
根据神经生理知识，运动单元动作电位将产生-90mV到30mV的电势差，由于人体是电的不良导体（1MΩ数量级内阻），故从体表的贴片电极上只能获得1mV左右的峰值。研究发现，SEMG信号容易受到甚低频（接近直流）、工频和高频的干扰，而有效的肌电信号频谱分布在10-1000Hz间，此为SEMG信号基本的时频域特点。
有鉴于此，确有必要提出一种表面肌电信号采集系统及方法，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种表面肌电信号采集系统及方法，用于采集人体表面肌电信号。
为实现上述目的，本发明提供了一种表面肌电信号采集系统，包括：
标准Ag/AgCl电极片，用于采集人体发出的肌电信号；
硬件滤波网络，包括依次相连的差分放大模块、高通滤波模块、工频陷波模块、二级放大模块和低通滤波模块，所述差分放大模块用于接收标准Ag/AgCl电极片采集到的两路差分肌电信号，并转为单端信号后进行一级放大输出，所述高通滤波模块的截止频率为10Hz且通带增益为1，所述工频陷波模块包括两个运放和双T陷波器，所述低通滤波模块用于消除高频噪声；
上位机模块，用于接收硬件滤波网络处理后的EMG信号。
作为本发明的进一步改进，所述肌电信号的信号频率位于1-10000Hz之间，在经过所述硬件滤波网络处理后的所述肌电信号的信号频率位于10-500Hz之间。
作为本发明的进一步改进，所述差分放大模块的增益G1为
Figure SMS_1
，
其中，RG为所述差分放大模块引脚之间的单个外部电阻器的阻值。
作为本发明的进一步改进，所述高通滤波模块的传递函数为
Figure SMS_2
，
其中，s为拉普拉斯变换。
作为本发明的进一步改进，所述工频陷波模块还包括反馈电阻R1和反馈电阻R2，其中，阻带宽度的系数k为
Figure SMS_3
，
作为本发明的进一步改进，所述二级放大模块的增益G2为
Figure SMS_4
，
其中，R3和R4为所述二级放大模块的电阻。
作为本发明的进一步改进，所述低通滤波模块为二阶巴特沃斯低通滤波。
作为本发明的进一步改进，所述上位机模块用于进行小波变换处理，在小波变换处理中，标度a和时间位置b对应的小波为
Figure SMS_5
,
其中，t为母小波。
作为本发明的进一步改进，在离散时域中连续低通和高通滤波的离散小波变换为
Figure SMS_6
，
其中，a = 2，b = 2kl，d(k,l)是离散点k和离散点l上ψ(a,b)的采样。
为实现上述目的，本发明还提供了一种表面肌电信号采集方法，应用于如上所述的表面肌电信号采集系统。
本发明的有益效果是：本发明能够实现自由组合表面肌电信号采集的通道数，且不受软件处理速率的限制，可节省后端处理时间，降低对后端处理器的性能要求并降低成本。
附图说明
图1为本发明表面肌电信号采集系统的结构示意图。
图2为本发明表面肌电信号采集方法采集的表面肌电信号图。
实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
在此，需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
如图1和图2所示，本发明揭示了一种表面肌电信号采集系统及方法，通过将标准Ag/AgCl电极片平行粘贴于被测肌肉对应的皮肤位置上，采集人体发出的原始肌电信号，此时的信号频率分布在1-10000Hz，幅值在uV级别，而有效肌电信号分布在10-500Hz，需进行滤波处理和信号放大。
所述表面肌电信号采集系统包括所述标准Ag/AgCl电极片、硬件滤波网络和上位机模块，其中，所述硬件滤波网络包括依次相连的差分放大模块、高通滤波模块、工频陷波模块、二级放大模块和低通滤波模块。所述表面肌电信号采集系统还包括对所述硬件滤波网络进行供电的供电模块。
所述标准Ag/AgCl电极片采集到的两路差分肌电信号经屏蔽双绞线传输到差分放大模块，在此由差分信号转为单端信号，并进行一级放大输出。
所述差分放大模块的增益G1为
Figure SMS_7
其中，RG为所述差分放大模块引脚之间的单个外部电阻器的阻值。
所述高通滤波模块为二阶巴特沃斯高通滤波，其传递函数由下式给出：
Figure SMS_8
，
其中，s为拉普拉斯变换，所述高通滤波模块为截止频率为10Hz、通带增益为1的巴特沃斯高通滤波器，用于滤除心电图伪影，肌纤维差异等造成的低频噪声。
所述工频陷波模块为50HZ且包括两个运放和双T陷波器，同时引入负反馈改善选频作用，运放既提供反馈环路的增益，同时又起到对双T网络隔离的作用。
所述工频陷波模块还包括反馈电阻R1和反馈电阻R2，其中，阻带宽度的系数k为
Figure SMS_9
，
k值取得越大，阻带宽度越窄，品质因数α值则越高，陷波特性好，但同时会使得稳定性变差。反之，k值取得越小，阻带宽度越宽，品质因数α值则越低，陷波特性差但同时稳定性好。陷波电路的特性参数由下式给出：
Figure SMS_10
其中，中心频率f0=50Hz，RC=1/314，令R=31.85欧姆，则C=100nf。选用高精度电阻(精度>0.1%)电容(精度>1%)，去除50Hz干扰。
所述二级放大模块的增益G2为
Figure SMS_11
，
其中，R3和R4为所述二级放大模块的电阻。
所述低通滤波模块为二阶巴特沃斯低通滤波，用于除掉串扰等高频噪声；
经过前面步骤处理后的肌电信号由上位机以大于1000Hz的采样率采集，在上位机模块进行小波变换处理，得到精确、高信噪比、可反应肌肉运动状态的肌电信号。所述上位机模块用于进行小波变换处理，在小波变换处理中，标度a和时间位置b对应的小波为
Figure SMS_12
，
其中，t为母小波，可以视为带通函数。该因子用于确保节能，对于a和b的所有值都相同。离散化时标参数（a，b）有多种方法，每种方法都会产生不同类型的小波变换。
在离散时域中连续低通和高通滤波的离散小波变换为
Figure SMS_13
，
其中，a = 2，b = 2kl，d(k,l)是离散点k和离散点l上ψ(a,b)的采样。采用小波变换处理表面肌电信号的好处在于可以很好地保留最大信号特征，又能有效地消除来自EMG信号的随机噪声，例如高斯白噪声（WGN）。
综上所述，本发明结合实际情况设计了软硬结合的滤波方案，硬件上以多重滤波网络为基础，包含高通滤波、工频陷波、低通滤波等滤波器，又有精密差分放大器和二级放大来提高信号的幅值，使得原本峰值小干扰大的信号转换成易于软件处理的信号；软件上以小波变化为优化方式，在各模块间减少串扰和损伤，达到高信噪比的效果。同时降低硬件成本，避免竞品价格高昂的缺点，为大规模应用创造条件。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种表面肌电信号采集系统，其特征在于，包括：
标准Ag/AgCl电极片，用于采集人体发出的肌电信号；
硬件滤波网络，包括依次相连的差分放大模块、高通滤波模块、工频陷波模块、二级放大模块和低通滤波模块，所述差分放大模块用于接收标准Ag/AgCl电极片采集到的两路差分肌电信号，并转为单端信号后进行一级放大输出，所述高通滤波模块的截止频率为10Hz且通带增益为1，所述工频陷波模块包括两个运放和双T陷波器，所述低通滤波模块用于消除高频噪声；
上位机模块，用于接收硬件滤波网络处理后的EMG信号。
2.根据权利要求1所述的表面肌电信号采集系统，其特征在于：所述肌电信号的信号频率位于1-10000Hz之间，在经过所述硬件滤波网络处理后的所述肌电信号的信号频率位于10-500Hz之间。
3.根据权利要求1所述的表面肌电信号采集系统，其特征在于：所述差分放大模块的增益G1为
Figure QLYQS_1
，
其中，RG为所述差分放大模块引脚之间的单个外部电阻器的阻值。
4.根据权利要求1所述的表面肌电信号采集系统，其特征在于：所述高通滤波模块的传递函数为
Figure QLYQS_2
，
其中，s为拉普拉斯变换。
5.根据权利要求1所述的表面肌电信号采集系统，其特征在于：所述工频陷波模块还包括反馈电阻R1和反馈电阻R2，其中，阻带宽度的系数k为
Figure QLYQS_3
。
6.根据权利要求1所述的表面肌电信号采集系统，其特征在于：所述二级放大模块的增益G2为
Figure QLYQS_4
，
其中，R3和R4为所述二级放大模块的电阻。
7.根据权利要求1所述的表面肌电信号采集系统，其特征在于：所述低通滤波模块为二阶巴特沃斯低通滤波。
8.根据权利要求1所述的表面肌电信号采集系统，其特征在于：所述上位机模块用于进行小波变换处理，在小波变换处理中，标度a和时间位置b对应的小波为
Figure QLYQS_5
，
其中，t为母小波。
9.根据权利要求8所述的表面肌电信号采集系统，其特征在于：在离散时域中连续低通和高通滤波的离散小波变换为
Figure QLYQS_6
，
其中，a = 2，b = 2kl ,d(k,l)是离散点k和离散点l上ψ(a,b)的采样。
10.一种表面肌电信号采集方法，其特征在于：应用于如权利要求1-9中任一项所述的表面肌电信号采集系统。
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