表面肌电信号测试中工频干扰的抑制
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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
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
x(t) = si (t) + ni (t) (1)
ni (t)的功率谱是
N
2。信号的频谱是si (t)的傅氏变换:
Fsi
(ω) =∫( +∞)
-∞si (t) e - jωtdt (2)
图2匹配滤波器模型
此时,滤波器的输出y(t)也必然包含信号与噪声两部
分:
y(t) = so (t) + no (t) (3)
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)、浙江省自然科学基金(RC02070)资助项目。
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
号输出,送虚拟仪器显示;如果峰值频率在50Hz±Δω
之内,且该峰值与5～500Hz范围内的其它峰值之比大
于常数c(由经验确定) ,则低通滤波器输出的数据尚需
数字滤波。该数字滤波器是一个带阻滤波器,滤波器的
中心频率是匹配滤波器输出数据进行FFT运算所得功
率谱中峰值点的频率,经数字滤波后的数据为最后的肌
virtual instrument . Proceedings of 2nd ISIST , Aug 2002 ,
1 :75～79.
2Qin Shuren , Tang Baoping. Intelligent virtual controls———
The measuring instrument from whole to part . The Chinese
disturbed by power frequency noise. In that cases , it is a problem , because the surface EMGis confused with power fre2
quency noise. A processing circuit for the measurement of surface EMGis designed by using a parallel structure respec2
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
电信号输出,送虚拟仪器显示。表1是用信号发生器模
拟50Hz交流电源工频干扰时,测试系统输出的幅频特
性数据,当交流电源的中心频率改变时,其幅频特性也
作相应改变,但以中心频率为最大陷波的特性不变。
表1交流电源中心频率为50Hz时的测试系统响应特性
输入频率(Hz) 4810 4910 4915 5010 5015 5110 5210
( Hangz houInstituteofElectronic Engineering , Hangz hou 310037 ,China)
AbstractA surface electromyography ( EMG) detection and processing circuit is discussed. The surface EMGis usually
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
= 1 ,于是:
H(ω) = F
3
si
(ω) e - jωT0 (10)
(10)式的含义是,从频域上看,匹配滤波器应具有
以下特点:
(1)幅频特性与信号si的幅频特性相同。
(2)相频特性与信号的相频特性相反。
(3)由(1)、(2)式所得的特性应再乘以线性相位因
子e - jωT0。
4实验测试结果
将表面电极分别固定在人的手臂外侧(尺侧腕伸
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
(ω) 2 < ejωT0
是相位因子,对幅值无影响;
而Q
3 (x) Q(x) = Q(x) 2 = H(ω) 2 ,于是得:
1
2π
∫+∞
-∞H(ω)·Fsi
(ω) ·ejωT0dω
2
≤
1
4π2∫+∞
-∞H(ω) 2dω·∫+∞
-∞Fsi
(ω) 2dω (7)
所以:
r0≤
1
4π2∫+∞
-∞H(ω) 2dω∫+∞
现它与肌肉生理状态和肢体运动模式之间的对应关
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
tively for EMG signal processing and power frequency noise processing. It can be avoided that a 50Hz trap filter abused.
The experimentation proved the developed circuit was effective.
的难度,提高了软件的可读性和可维护性,减少了软件
出错的概率。同时,数据仓库,特别是数据结构,成为
了版本控制的核心,应用软件适配器有利于版本升级
和向下兼容管理。
该智能显示器以强大的功能、简单的操作在虚拟
仪器开发中得到很好的应用。
参考文献
1Qin Shuren. Intelligent virtual controls———new concept of
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
肌)和内侧(尺侧腕曲肌)上,用屏蔽电缆将表面EMG
引入信号处理电路,由低通滤波和匹配滤波输出的两路
信号经A/ D转换输入计算机存储,对匹配滤波器输出
的数据进行FFT运算,找出功率谱中峰值点的频率,如
果峰值频率在50Hz±Δω(Δω是预先设定的频率偏移,
实验确定)之外,则低通滤波器输出即为最后的肌电信
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 ZhizengRen Xiaoliang
Journal of Mechanical Engineering , 2002 , 15 (2) : 131～
135.
3秦树人,汤宝平.面向21世纪的绿色仪器系统.中国机械
工程,2002 ,11 (3) :275～278.
4Tang Baoping. Implementation of intelligent virtual controls
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。
3匹配滤波器的设计
匹配滤波器的模型如图2所示,非活动状态下的肌
电信号当作白噪声处理。则,该滤波器的输入端加有已
知信号si (t) (交流电源)和白噪声ni (t) ,总输入为:
Key wordsSurface EMGPower frequency noiseSignal 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神经元兴奋并产生一定频率的电
-∞Fsi
(ω) 2dω
N
4π
∫+∞
-∞H(ω) 2dω
=
1
2π
∫+∞
-∞Fsi
(ω) 2dω
N/ 2
=
εi
N/ 2
(8)
根据巴塞瓦定理,
1
2π
∫+∞
-∞Fsi
(ω) 2dω是输入信号的
能量εi。
由此可见,最大输出信噪比为:
ro max =
2εi
N
(9)
Schwartz不等式取等式的条件是F( x) = k·Q( x) ,取k
输出幅值(V) 2136 1117 0138 0110 0141 1138 2139
肌电信号用虚拟仪器(由Labview编制)可直观地
显示出来,图3分别记录了手臂静止和上下翻腕时尺
侧腕伸肌、尺侧腕曲肌外侧皮肤表面的EMG波形。
图3手腕静止和翻腕时的表面EMG波形对比
(下转第210页)
第2期 表面肌电信号测试中工频干扰的抑制195
o )
=
1
2π
∫+∞
-∞H(ω)·Fsi
(ω) ·ejωtdω
2
N
4π·∫+∞
-∞H(ω) 2dω
(5)
194仪 器 仪 表 学 报 第2 6卷
设计匹配滤波器的目的,就是确定滤波器的频率特性
H(ω) ,使ro取得最大值。
设:F(x)、Q(x)是实变量x的两个复函数,由Schwartz
不等式:
∫F(x)·F
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
3 (x) dx∫Q(x)·Q
3 (x) dx≥
∫F
3 (x) Q(x) dx 2 (6)
当且仅当F(x) = k·Q(x)时,不等式取等号。
式中:k是任意实常数。
令:F
3 (x) = Fsi
(ω) ejωT0 ,Q(x) = H(ω) ,并将Schwartz不
等式应用于(5)式。注意到:
F
3 (x) F(x) = | F(x) | 2 = Fsi
其中:
so (t) =
1
2π
∫+∞
-∞[ H(ω) Fsi
(ω) ]e + jωtdω
输出噪声的平均功率是:
E[ n2
o (t) ] = Rno
(0) =
1
2π·
N
2
∫+∞
-∞| H(ω) | 2dω(4)
令T0为某一指定时刻,在此时刻输出的信噪比定义为:
ro =
| so (百度文库To) | 2
E(n2
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
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
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
x(t) = si (t) + ni (t) (1)
ni (t)的功率谱是
N
2。信号的频谱是si (t)的傅氏变换:
Fsi
(ω) =∫( +∞)
-∞si (t) e - jωtdt (2)
图2匹配滤波器模型
此时,滤波器的输出y(t)也必然包含信号与噪声两部
分:
y(t) = so (t) + no (t) (3)
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)、浙江省自然科学基金(RC02070)资助项目。
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
号输出,送虚拟仪器显示;如果峰值频率在50Hz±Δω
之内,且该峰值与5～500Hz范围内的其它峰值之比大
于常数c(由经验确定) ,则低通滤波器输出的数据尚需
数字滤波。该数字滤波器是一个带阻滤波器,滤波器的
中心频率是匹配滤波器输出数据进行FFT运算所得功
率谱中峰值点的频率,经数字滤波后的数据为最后的肌
virtual instrument . Proceedings of 2nd ISIST , Aug 2002 ,
1 :75～79.
2Qin Shuren , Tang Baoping. Intelligent virtual controls———
The measuring instrument from whole to part . The Chinese
disturbed by power frequency noise. In that cases , it is a problem , because the surface EMGis confused with power fre2
quency noise. A processing circuit for the measurement of surface EMGis designed by using a parallel structure respec2
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
电信号输出,送虚拟仪器显示。表1是用信号发生器模
拟50Hz交流电源工频干扰时,测试系统输出的幅频特
性数据,当交流电源的中心频率改变时,其幅频特性也
作相应改变,但以中心频率为最大陷波的特性不变。
表1交流电源中心频率为50Hz时的测试系统响应特性
输入频率(Hz) 4810 4910 4915 5010 5015 5110 5210
( Hangz houInstituteofElectronic Engineering , Hangz hou 310037 ,China)
AbstractA surface electromyography ( EMG) detection and processing circuit is discussed. The surface EMGis usually
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
= 1 ,于是:
H(ω) = F
3
si
(ω) e - jωT0 (10)
(10)式的含义是,从频域上看,匹配滤波器应具有
以下特点:
(1)幅频特性与信号si的幅频特性相同。
(2)相频特性与信号的相频特性相反。
(3)由(1)、(2)式所得的特性应再乘以线性相位因
子e - jωT0。
4实验测试结果
将表面电极分别固定在人的手臂外侧(尺侧腕伸
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
(ω) 2 < ejωT0
是相位因子,对幅值无影响;
而Q
3 (x) Q(x) = Q(x) 2 = H(ω) 2 ,于是得:
1
2π
∫+∞
-∞H(ω)·Fsi
(ω) ·ejωT0dω
2
≤
1
4π2∫+∞
-∞H(ω) 2dω·∫+∞
-∞Fsi
(ω) 2dω (7)
所以:
r0≤
1
4π2∫+∞
-∞H(ω) 2dω∫+∞
现它与肌肉生理状态和肢体运动模式之间的对应关
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
tively for EMG signal processing and power frequency noise processing. It can be avoided that a 50Hz trap filter abused.
The experimentation proved the developed circuit was effective.
的难度,提高了软件的可读性和可维护性,减少了软件
出错的概率。同时,数据仓库,特别是数据结构,成为
了版本控制的核心,应用软件适配器有利于版本升级
和向下兼容管理。
该智能显示器以强大的功能、简单的操作在虚拟
仪器开发中得到很好的应用。
参考文献
1Qin Shuren. Intelligent virtual controls———new concept of
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
肌)和内侧(尺侧腕曲肌)上,用屏蔽电缆将表面EMG
引入信号处理电路,由低通滤波和匹配滤波输出的两路
信号经A/ D转换输入计算机存储,对匹配滤波器输出
的数据进行FFT运算,找出功率谱中峰值点的频率,如
果峰值频率在50Hz±Δω(Δω是预先设定的频率偏移,
实验确定)之外,则低通滤波器输出即为最后的肌电信
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 ZhizengRen Xiaoliang
Journal of Mechanical Engineering , 2002 , 15 (2) : 131～
135.
3秦树人,汤宝平.面向21世纪的绿色仪器系统.中国机械
工程,2002 ,11 (3) :275～278.
4Tang Baoping. Implementation of intelligent virtual controls
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。
3匹配滤波器的设计
匹配滤波器的模型如图2所示,非活动状态下的肌
电信号当作白噪声处理。则,该滤波器的输入端加有已
知信号si (t) (交流电源)和白噪声ni (t) ,总输入为:
Key wordsSurface EMGPower frequency noiseSignal 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神经元兴奋并产生一定频率的电
-∞Fsi
(ω) 2dω
N
4π
∫+∞
-∞H(ω) 2dω
=
1
2π
∫+∞
-∞Fsi
(ω) 2dω
N/ 2
=
εi
N/ 2
(8)
根据巴塞瓦定理,
1
2π
∫+∞
-∞Fsi
(ω) 2dω是输入信号的
能量εi。
由此可见,最大输出信噪比为:
ro max =
2εi
N
(9)
Schwartz不等式取等式的条件是F( x) = k·Q( x) ,取k
输出幅值(V) 2136 1117 0138 0110 0141 1138 2139
肌电信号用虚拟仪器(由Labview编制)可直观地
显示出来,图3分别记录了手臂静止和上下翻腕时尺
侧腕伸肌、尺侧腕曲肌外侧皮肤表面的EMG波形。
图3手腕静止和翻腕时的表面EMG波形对比
(下转第210页)
第2期 表面肌电信号测试中工频干扰的抑制195
o )
=
1
2π
∫+∞
-∞H(ω)·Fsi
(ω) ·ejωtdω
2
N
4π·∫+∞
-∞H(ω) 2dω
(5)
194仪 器 仪 表 学 报 第2 6卷
设计匹配滤波器的目的,就是确定滤波器的频率特性
H(ω) ,使ro取得最大值。
设:F(x)、Q(x)是实变量x的两个复函数,由Schwartz
不等式:
∫F(x)·F
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
3 (x) dx∫Q(x)·Q
3 (x) dx≥
∫F
3 (x) Q(x) dx 2 (6)
当且仅当F(x) = k·Q(x)时,不等式取等号。
式中:k是任意实常数。
令:F
3 (x) = Fsi
(ω) ejωT0 ,Q(x) = H(ω) ,并将Schwartz不
等式应用于(5)式。注意到:
F
3 (x) F(x) = | F(x) | 2 = Fsi
其中:
so (t) =
1
2π
∫+∞
-∞[ H(ω) Fsi
(ω) ]e + jωtdω
输出噪声的平均功率是:
E[ n2
o (t) ] = Rno
(0) =
1
2π·
N
2
∫+∞
-∞| H(ω) | 2dω(4)
令T0为某一指定时刻,在此时刻输出的信噪比定义为:
ro =
| so (百度文库To) | 2
E(n2
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