表面肌电信号测试中工频干扰的抑制

quency noise. A processing circuit for the measurement of surface EMGis designed by using a parallel structure respec2
tively for EMG signal processing and power frequency noise processing. It can be avoided that a 50Hz trap filter abused.
浙江省自然科学基金(RC02070) 资助项目。 2 系统组成 小臂表面肌电信号测试系统框图如图 1 所示,它
由拾电电极、高通滤波、仪器放大器、低通滤波、匹配滤 波器、A/ D 转换和数据处理、显示等部分组成。图中 虚框部分分别是肌电信号、工频信号预处理电路。 肌电信号预处理电路中,首先进行高通滤波,抑制 微弱输入信号中存在的漂移现象。由于输入信号是皮 肤表面的生物电信号,信号源的内阻非常高,而且电极 与皮肤的接触良好程度、汗液的分泌等诸多不确定因 素均可对输入信号产生影响,比较严重的情况是输入 信号缓慢漂移,如果直接接入高倍数的放大器,可能引
The experimentation proved the developed circuit was effective. Key words Surface EMG Power frequency noise Signal processing 1 引 言 肌电信号( EMG) 是一种伴随肌肉运动而产生的 生物电信号,表面 EMG 则是通过检测手段获取的肌 肉外表皮肤上的电信号。在人的肢体运动时,大脑皮 层中控制运动区域的来自百度文库经元兴奋并产生一定频率的电 脉冲,这个电脉冲通过神经系统精确地传导至特定的 肌肉纤维。当这些电脉冲到达神经—肌肉突触时,在 肌纤维中产生终板电位,它的去极化将在肌纤维中产 生一串动作电位,引起肌肉收缩,使肢体完成大脑所设 定的动作,与此同时,在皮肤表面也产生复杂的生物电 现象。表面 EMG 是肢体运动中各部分肌肉活动所生 成的综合生理电现象,对表面 EMG 的分析研究可发 现它与肌肉生理状态和肢体运动模式之间的对应关
表面肌电信号测试中工频干扰的抑制 X 罗志增 任晓亮 (杭州电子工业学院 杭州 310037) 摘要 介绍了一种表面肌电信号( EMG) 测试调理电路和信号处 理的方法。表面 EMG 测量中最难处理的问题之一是工频 (50Hz) 干扰,它处在有效的肌电信号频带之中。针对表面 EMG 的测量特点设计了一种信号调理电路,使肌电信号和工频信 号并行单独处理,避免了不加区分地采用工频陷波器,这一设计思 想在实际的肌电信号检测时取得了较好的实验结果。 关键词 表面肌电信号 工频干扰 信号处理 Power Frequency Noise Restraint in Surface Electromyography Measurement Luo Zhizeng Ren Xiaoliang ( Hangz hou Institute of Elect ronic Engineering , Hangz hou 310037 , China) Abstract A surface electromyography ( EMG) detection and processing circuit is discussed. The surface EMGis usually disturbed by power frequency noise. In that cases , it is a problem , because the surface EMGis confused with power fre2
系,进而可广泛应用于临床医学、运动医学、医疗康复 (包括仿生假肢) 等诸多领域[1 ] 。 表面 EMG 是一种很微弱的生理电现象。早先,为 了获得稳定的肌电信号,一般采用针电极(扎入对应的 肌肉部位) 。近年来,随着检测技术和信号处理手段的 进步,研究如何用表面 EMG 信号代替针电极 EMG 进 行全面临床无损诊断,已经成为医学和生物医学界研究 的热点问题之一[3 ] ,表面电极测量一般会带来较明显的 工频干扰,通常的方法是采用工频陷波器。工频陷波器 存在的缺陷是显而易见的,因为陷波滤波器尽管滤除了 工频干扰,同时对有用的信号也造成较大的损害。随着 测试技术的发展,肌电测试系统越来越倾向于不加工频 陷波器,因而测试系统是否采用陷波滤波器已成为衡量 测试数据是否可靠、精确的重要标志之一[2 ] 。 下面根据肌电信号及干扰产生的原理,介绍作者 所研制的表面 EMG 的测试方法、设计思想和信号处 理的手段,并用实验测试的方法验证了这一设计思想。 第 26 卷第 2 期 仪 器 仪 表 学 报 2005 年 2 月 X 本文于 2003 年 3 月收到,系国家自然科学基金(60474054) 、
起输出饱和。从文献[ 3 ]得知,有效的肌电信号大致在 5～500Hz 范围,所以,直流至 5Hz 的低频信号经过高 通滤波先给予滤除。高通滤波后的信号接入仪器放大 器,该放大器采用专用芯片 INA114 ,该运放的共模抑 制比高达 115dB ,失调电压< 50μV ,并且只需外挂一个 电阻就可以在 1～10000 倍之间设定放大倍数,一般, 仪器放大器的放大倍数要达到 1000 以上。低通滤波 (截止频率约 500Hz) 用来滤去高频噪声。
图 1 肌电信号测试系统的组成 目前,常规的信号调理电路在低通滤波后再接一 个 50Hz 的陷波器就完成了[4 ] ,这样的处理方法不仅 盲目,而且对 50Hz 及附近频率的有效肌电信号也要 产生很大的衰减作用,这是任何一种好的处理方法都 应该避免的。首先,输出信号中有无工频干扰,需要科 学地界定;其次,模拟带阻滤波器的阻带频段有一定范 围,在该范围内的肌电信号将都受到带阻滤波器的影 响;再者,工频本身也可能有漂移,所以用一个固定频 率的带阻滤波器进行滤波也是有缺陷的。作者在这里 的设计思想是,增加一路匹配滤波器,匹配信号直接来 自引发工频干扰的交流电源,匹配滤波器将对肌电信 号中可能存在的工频信号进行显著的放大,对其它信 号或噪声则给予有效的抑制,继而确定所输出的肌电 信号中有无工频干扰,被干扰的程度又怎样。匹配滤 波器的输出经 A/ D 转换进入计算机后,用常规的频谱 分析法[5 ] ,由计算机对肌电信号中存在的工频信号实 施“显著性”判断,如果存在工频干扰,则测出干扰频 率,并对另一路输入的肌电信号进行数字滤波(陷波) , 否则,不作陷波滤波处理。