基于虚拟仪器技术的肌肉电信号测量系统

第２７卷第６期增刊

２００６年６月

仪器仪表学报

ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ

Ｖ０１．２７ＮＯ．６Ｊｕｎｅ．２００６

基于虚拟仪器技术的肌肉电信号测量系统

赵长宽１

姬彦巧２

李

琪２

王

宏２

１（东北大学计算中心沈阳

２（东北大学机械工程与自动化学院沈阳

１１０００４）１１０００４）

摘要人类的肌肉电信号是一种相当复杂的微弱信号，根据肌肉电信号的特点，采用虚拟仪器设计开发了一套肌肉电信号

的采集和处理系统，该系统采用自适应滤波器，基于ＬＡＢＶＩＥＷ和ＭＡＴＬＡＢ编程完成。通过这一系统可以对肌肉电信号进行时域分析、频域分析和采集数据的管理。实验证明，该系统具有自动化程度高，测试灵活，信号采集准确可靠，数据处理能力强等特点。关键词

肌肉电信号（ＥＭＧ）

自适应滤波ＬＡＢＶＩＥＷ虚拟仪器

ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍｆｏｒＥＭＧｓｉｇｎａｌｂａｓｅｄ

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ＥＭＧａｄａｐｔｉｖｅｆｉｌｔｅｒＬＡＢＶＩＥＷｖｉｒｔｕａｌｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ

能的作用心］。本文以ｌａｂｖｉｅｗ作为开发平台，采用自适

１

引言应滤波技术，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。

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到几十个毫伏之间口］，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（ｂｉｏｆｅｅｄｂａｃｋ）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

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

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仪器仪表学报

第２７卷

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。

匪磊雨司

数据采ｌ一信号采ｋ一信号分析和ｌ・一信号管理ｋ一信号控

集硬件Ｉ

Ｉ集模块ｌ

Ｉ处理模块Ｉ

Ｉ模块、ｌ

Ｉ制模块

实时数据库

图１肌电信号采集系统的工作流程图

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“］。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。

图２肌电信号采集系统的硬件工作原理图

４系统软件设计

信号的采集和处理系统的软件部分是很重要的一部分，通过它实现对测试数据的统一存储和管理，完成计算机和采集设备之间的传输和处理，实现设备状态的特征提取、自动辨识、以及试验模态分析等等。软件

的设计采用模块化的设计，主要由信号采集模块、信号

处理和分析模块、信号管理模块、信号控制模块和数据库模块组成。图３为肌电信号信号采集系统的软件结构图。以下介绍肌肉电信号采集系统的每一组成部分的功能、作用和实现方法。

硬件设备

信号采集模块

数据与波形显示

主窗

信号处理和

口

分析模块

操作界面

信号管理模块

信号控制模块

动作特征的提取

图３肌电信号信号采集系统的软件结构

一一一一一一

４．１信号采集模块

信号采集模块主要有两部分组成：即硬件设备的

参数设定和采集到的肌电信号的数据和波形显示。

基于Ｌａｂｖｉｅｗ的模拟信号的采集主要是通过

ＤＡＱ（ＤａｔａＡｅｑｕｉｓｉｔｉｏｎ）卡来实现的，在一般情况下，

ＤＡＱ硬件设备的基本功能包括模拟输入（Ａ／Ｄ）、模拟输出（Ｉ／Ｑ）、（ＤｉｔｉｔａｌＩ／Ｑ）和定时（Ｔｉｍｅ）／（Ｃｏｕｎｔｅｒ）。因此ｌａｂｖｉｅｗ环境下的ＤＡＱ的模板设计也是围绕着这４大功能组织的。

Ｌａｈｖｉｅｗ软件提供了可以模拟真实仪器的操作面板，提供了强大的交互式设计功能。在设计数据和波形显示时，按照测量数据的方式和显示过程的不同，设计了事后记录图（Ｇｒａｐｈ）和实时趋势图（Ｃｈａｒｔ）两种波形和数据的显示方式。这种设计有利于对肌肉电信号进行实时观察和事后分析。４．２信号分析和处理模块

信号处理和分析模块。主要有３部分组成：即自适应滤波处理、时域分析与波形显示、频域分析与波形

第６期增刊

基于虚拟仪器技术的肌肉电信号测量系统

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显刁≮。

４．２．１

自适应滤波在实验过程中发现，虽然对信号的调理和采集设备采取了抗噪措施，但在数模转换时又会加入量化噪声进入了测量系统。由于采用常规的滤波器难以取得较好的效果。因此在虚拟仪器中采用了自适应滤波器进行滤波。

本文采用了递推最小二乘算法（ＲＬＳ）（ｒｅｃｕｒｓｉｖｅｌｅａｓｔ—ａｑｕａｒｅ）来实现自适应滤波器的设计。ＲＬＳ算法的关键是用二乘方的时间的最小均方准则，并按时间进行迭代计算。对于非平稳的信号的自适应处理，最合适的方法是采用最小二乘自适应滤波器，它可以使

误差的总能量最小。ＲＬＳ算法可以应用在横向结构

上，也可以应用在格形的结构上。横向和格形的主要区别在于前者的阶次是固定的，后者是阶次递增的。本文讨论的是横向结构，即阶次固定的情况［７］。

通过对的自适应滤波前后的波形比较发现利用自适应滤波技术可以很好消除核抑制噪声的干扰。这样就可以针对不同的个体确定此个体完成不同动作时的特征值。因此，我们考虑可以深入利用肌肉电信号来控制仿生机械手的运动了。４．２．２时域分析和频域分析

（１）时域分析

在ＬＡＢＶＩＥＷ程序中的时域分析中提供了卷积、相关计算、移位运算、积分、脉冲测量等功能。在时域分析中我们主要应用ＰｅａｋＤｅｔｅｃｔｏｒ模块进行了尖峰的测量和记录。此处分析尖峰捕获的目的在于为不同的个体、不同的采集部位、完成不同的动作时的特征进行必要分析的依据。

（２）频域分析

在ＬＡＢＶＩＥＷ程序中提供了丰富的频域分析函数，包括傅里叶变换、Ｈｉｌｂｅｒｔ变换、小波变换、Ｈａｒｔｌｅｙ变换、功率谱分析、联合时频分析、谐波分析、系统辨识等。在时域分析中对采集到的肌肉电信号进行了傅里叶变换分析和功率谱分析。通过对不同部位的肌肉电信号在做不同动作时的傅里叶变换的分析发现，不同部位的肌肉电信号在做不同动作时，他们的傅里叶变换后的波形图也存在一定的差异。４．３信号管理模块

信号管理模块。主要涉及到对肌电信号的资料进行管理，包括数据的存储和打印两部分。

信号存储主要包括采集到的信号数据的保存，动作峰值、谷值、均值等特征值的提取，以及被存储信号

的打开、访问、移动、复制和删除等内容。

打印主要包括测量数据的打印和试验报告的打印

两部分。实验报告的内容主要包括：报告模板和信号

处理模块中的自适应滤波、时域分析、频域分析的主要数据和波形图。４．４信号控制模块

主要是通过对肌肉电信号进行分析和处理，采用统计识别的方法获得手部做不同动作时的阈值，并由此对不同动作进行特征提取。本实验系统获得了多个不同个体的动作阈值。由于不同个体身体素质的差异，所获得的阈值也有所不同，但通过这个模块可以针对不同的个体获得不同的阚值。并以此对人类手的部分动作进行控制。

５结束语

通过理论分析表明，本文所介绍的软件和硬件的设计方法是切实可行的。应用虚拟仪器的软件平台开发的信号采集与处理系统操作简单，灵活，并且可以快速准确地采集和分析肌肉电信号。并通过这一系统获得了手部做不同动作时的域值，这一域值的确定为进一步利用肌肉电信号来控制仿生机械手或肌电假肢的运动提供了可能。该虚拟仪器信号采集与处理系统具有一定的通用性和适应性，也可以应用于采集和分析其他部位的肌肉电信号。

参考文献

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ｃａｎ

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［Ｍ］．刘郁林译．北京：电子工业出版社，２００４．

基于虚拟仪器技术的肌肉电信号测量系统

作者：作者单位：

赵长宽， 姬彦巧， 李琪， 王宏

赵长宽(东北大学计算中心,沈阳,110004)， 姬彦巧,李琪,王宏(东北大学机械工程与自动化学院,沈阳,110004)

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引用本文格式：赵长宽.姬彦巧.李琪.王宏 基于虚拟仪器技术的肌肉电信号测量系统[会议论文] 2006