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基于LabVIEW的肌电信号采集系统设计.doc
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基于LabVIEW的肌电信号采集系统设计.doc
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摘 要
本文利用 LabVIEW 软件设计了肌电信号实时采集与分析系统。本系统可以
实现肌电信号采集、显示、分析计算和保存等功能。该系统首先利用非侵入性的
银-氯化银导联电极从人体皮肤表面提取肌电信号,并对此信号进行二级放大和
滤波处理。其中第一级放大20倍,第二级放大50倍;滤波电路设计了一个50Hz
陷波器和一个500Hz 的低通滤波器。再将模拟调理后的波形接入 NI PXI-6281采
集卡,进行数据采集,在上位机中使用 LabVIEW 软件设计的频率谱分析和功率
谱分析程序来对采集的肌电信号进行分析处理。
此系统界面简单清晰,还可根据用户的需要方便地进行功能的修改和扩充,
并且可以辅助医生诊断神经性疾病,对神经网络病变的分析有很大的帮助。
关键词:肌电信号 LabVIEW 数据采集 功率谱 神经网络
Abstract
This article designed a real-time EMG signal acquisition and analysis system
with Labview software. The system can realize EMG of acquisition, display, analysis,
calculation and saving. The system use non-invasive Ag-AgCl electrode lead to
extract the EMG signals from the skin surface firstly, then the signal is processed by
amplification and filtering. The first class amplification is 20 times and second is 50.
Filter circuit include a 50Hz notch filter and a 500Hz low-pass filter. After that, the
simulated waveform is accessed to NI PXI-6281 DAQ and collected data, using
Labview software designs the frequency spectrum analysis and power spectral
analysis in order to process the collected EMG in the host computer.
The system's interface is clear and simple, and the system can also easily
modified and expanded other functions based on demand of users. The system can
assist doctors to diagnose neurological diseases, and is very helpful to analysis of
unnational neural network.
Keywords:EMG LabVIEW data acquisition power spectrum neural network
I
目 录
第一章 绪论 ..................................................................................................................1
1.1 研究的目的和意义 ..........................................................................................1
1.2 肌电信号研究现状 ..........................................................................................1
1.2.1 AR 模型法...............................................................................................2
1.2.2 功率谱法 ................................................................................................2
1.2.3 小波变换法 ............................................................................................2
1.3 本文研究内容 ..................................................................................................3
第二章 肌电信号的机理和分析 ..................................................................................4
2.1 肌电信号产生的生理学机理 ..........................................................................4
2.2 肌电信号的特点 ..............................................................................................5
2.3 肌电信号的波形特征 ......................................................................................5
2.3.1 正常肌电信号 ........................................................................................5
2.3.2 异常肌电信号 ........................................................................................6
2.4 表面肌电信号 ..................................................................................................6
2.5 表面肌电信号分析的意义 ..............................................................................7
第三章 模拟调理电路的设计 ......................................................................................7
3.1 表面肌电信号采集电极 ..................................................................................7
3.2 肌电信号的参数要求 ......................................................................................8
3.3 调理电路的设计 ..............................................................................................9
3.3.1 放大电路 ................................................................................................9
3.3.2 滤波电路 ..............................................................................................10
第四章 LabVIEW 软件采集分析系统的设计...........................................................11
4.1 LabVIEW 软件介绍........................................................................................11
4.2 数据采集卡(DAQ)简介............................................................................12
4.3 肌电信号采集和分析系统的设计 ................................................................15
4.3.1 采集系统的设计 ..................................................................................15
4.3.2 分析系统的设计 ..................................................................................17
结 论 ......................................................................................................................21
参考文献 ......................................................................................................................22
致 谢 ......................................................................................................................24
附 录 ......................................................................................................................25
1
第一章 绪论
1.1 研究的目的和意义
肌电是神经、肌肉兴奋发放生物电的结果,它是产生肌力电信号根源。
自1851年法国科学家 Duois-Reymond 最先检测到人体肌肉收缩时能产生电
信号起,人们就不断地进行肌电研究。如今,肌电得到了比较广泛的应用如
用表面肌电控制假肢,用表面肌电作为功能电刺激的控制信号,而达到某种
反馈调节的作用,试图通过表面肌电的谱分析判断肌肉疲劳程度,通过平均
积分电位研究人的工作负荷等。目前的临床肌电图检查多采用针电极插入肌
肉检测肌电图,其优点是干扰小,定位性好,易识别,但由于它是一种有创
的检测方法,其应用受到一定限制。表面肌电则是从人体皮肤表面通过电极
记录下来的神经肌肉活动时发放的生物电信号,属无创性,操作简单,病人
易接受,有着广泛的应用前景。近年来,表面肌电信号的研究引起了越来越
多人的兴趣,并已成为竞技体育研究的热点问题之一
[3]
。
表面肌电信号是一种简单、无创、容易被受试者接受的肌电活动,可用于测
试较大范围内的 EMG 信号,并有助于反映运动过程中肌肉生理、生化等方面的
改变;不仅可在静止状态测定肌肉活动,而且可在各种运动过程中持续观察肌肉
活动的变化;不仅是一种对运动功能有意义的诊断评价方法,而且也是一种较好
的生物反馈治疗技术
[4]
。因而在临床医学的神经肌肉疾病诊断、高等院校人机工
效学领域的肌肉工作的工效学分析、体育系统(体科所)疲劳判定、运动技术合
理性分析、肌纤维类型和无氧阈值的无损伤性预测,医院康复领域神经肌肉疾病
诊断,肌肉功能评价等方面均有重要的实用价值
[5]
。
1.2 肌电信号研究现状
传统的常规肌电图诊断方法是由三大功能模块组成:肌电信号的记录、分析
和表述结果,这三者都是由手工完成的,完全依靠医生的临床经验,在结果分析
方面存在个体差异,并且在肌电图结果的保存方面也有不便
[6]
。随着计算机技术
的发展,计算机在肌电图中的应用为人们从事肌电学研究和进行临床诊断提供了
现代化的手段,如果把传统肌电图仪的信号分析和处理、结果表达与输出等的功
能由计算机完成,可以使传统肌电图仪在数据处理、表达、传送、存储等方面获
得突破。目前主要的采集方法有 AR 模型法、功率谱法和小波变换法。
1.2.1 AR 模型法
2
自回归(auto-regressive)模型法,简称 AR 模型法。随机信号建立参数模型是
研究随机信号的一种基本方法。肌电信号可以等价为零均值白噪声过程激励一线
性系统的输出,只要激励白噪声的功率和系统的参数已知,我们就可以通过研究
模型参数和性质以及白噪声通过此系统后的输入输出关系来研究肌电信号。参数
模型把肌电信号的随机性和一定程度的可预测性结合起来,激励白噪声反映过程
的随机性,确定性模型反映过程的可预测性,所以肌电信号的性质可以用模型的
若干系数来表征。
AR 模型法仅是在频域中分析数据,并且将肌电信号视为平稳信号或分段平
稳信号。虽然简化了计算,然而肌电信号在本质上是一种具有非平稳特性的生理
信号,其统计特性随着时间的变化而变化,将统计结果作为 EMG 的特征值,显
然是不合理的。其次,没有充分考虑肌电信号在肌肉活动时的频率的变化所蕴涵
的信息,也就是利用信息不充分
[7]
。
1.2.2 功率谱法
肢体活动时,肌肉收缩力量的大小取决于运动神经纤维传出动作电位的频率,
因而用功率谱来表征肌电信号的特征是合适的。此外,大量的试验表明:肌电信
号的功率谱出现峰值且幅值在峰值的两侧逐步递减;不同时刻(或场合) 、不同个
体做出不同的肢体动作,功率谱峰值出现的位置会有所差异,但峰值附近的形状
还是保持一定的相似性。因此,基于以上理论依据和事实,可将功率谱峰值附近
的形状参量作为肌电信号的特征,即肌电信号功率谱所占的带宽可以表征肌电信
号所代表的运动模式
[8]-[9]
。
1.2.3 小波变换法
小波变换是傅立叶变换的新发展。小波分析既能在整体上提供信号的全部信
息,又能提供任一局部时段信号变化剧烈程度的信息.利用小波变换的时频定位
特性,可以实现信号的时变谱分析,可以在任意细节上分析信号,而且对噪声不
敏感,因此小波变换是分析表面肌电信号的有力工具
[10]
。
小波函数
)(t
�
通常是一带通滤波器, 满足容许条件
����
�
dw
w
w
C
R
2
)(
ˆ
�
�
(1.1)
)(t
�
经平移和伸缩生成函数系:
)(
1
)(
,
a
bt
a
t
ba
�
�
��
a,b∈R,a≠0
(1.2)
构成平方可积空间L
2
(R ) 的一组正交基或框架。函数f (t) ∈L
2
(R ) 的小波
3
变换定义为:
dttftfbaW
babaf
)()(,),(
,,
�
��
��
��
��
(1.3)
其中
a
称为尺度因子,小尺度的变换包含信号的高频成分,大尺度的变换
包含信号的低频成分;b 称为平移因子,它是关于时间的系数,决定了小波变换
的时域信息
[11]
。
小波变换法所需数据量少,运算快,提取的特征鲁棒性好且易于识别,将该
特征参数作为神经网络分类器的输入,有效地缩小了网络的规模,提高了运行速
度,并且可以有效的抑制噪音。但是在编写程序上复杂,需要专门的业内人士。
1.3 本文研究内容
本设计提出了使用美国 NI 公司开发的 LabVIEW 软件平台来设计一个数据
采集和分析系统,该系统可以对肌电信号进行时域和频域分析,有利于检测人体
表面肌电信号的瞬态,本设计将重点放在采集卡的使用以及软件编程采集和分析
系统的研究。
肌电信号采集的硬件电路主要包括:Ag-AgCl 导联电极、放大滤波器、数据
采集卡(DAQ)和 PC 机;软件主要是利用 LabVIEW 软件编写采集系统,包括
采集、显示、分析、存储四部分。系统总体框图如图 1.1。
图 1.1 系统总体框图
首先通过 Ag-AgCl 导联电极提取人体的表面肌电信号(实验中提取的是人上
臂肱二头肌的肌电信号),然后将信号进行 1000 倍放大以及 50Hz 工频滤波和
500Hz 低通滤波,最后将模拟调理信号输入 DAQ 转变为数字信号,交与上位机
分析处理。
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oligaga
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