電針系統(tǒng)肌電信號采集及特征提取研究

薛方

西安醫(yī)學(xué)院 衛(wèi)生管理系 計(jì)算機(jī)教研室， 陜西 西安 710021

電針系統(tǒng)肌電信號采集及特征提取研究

薛方

西安醫(yī)學(xué)院 衛(wèi)生管理系 計(jì)算機(jī)教研室， 陜西 西安 710021

自適應(yīng)反饋電針系統(tǒng)工作時(shí)，患者反饋的肌電信號（EMG）具有懸浮地平面、幅值微弱和信噪比低等缺點(diǎn)，造成信號采集及特征提取困難。為準(zhǔn)確提取患者生理特征和耐針特性，本文對EMG信號產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行了研究，并建立數(shù)學(xué)模型，分析EMG信號特征。本研究設(shè)計(jì)了高精度EMG信號采集電路，采用小波變換提取EMG特征，能夠?yàn)殡娽樝到y(tǒng)提供準(zhǔn)確的反饋信息，保證閉環(huán)系統(tǒng)工作的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確性。

電針系統(tǒng)；肌電信號；共模干擾；動作電位

0 引言

當(dāng)肌肉受到外界刺激后會在細(xì)胞膜內(nèi)產(chǎn)生一個動作電位（Intracellular Action Potential，IAP），動作電位在神經(jīng)肌肉接頭處產(chǎn)生，并沿著肌纖維向肌肉兩邊傳導(dǎo)。傳導(dǎo)過程中，在單一肌纖維上產(chǎn)生單纖維動作電位（Single Fiber Action Potential，SEAP），而同一運(yùn)動單位由眾多纖維組成，稱其為運(yùn)動單位（Motor Unit，MU），經(jīng)過一系列組織結(jié)構(gòu)電活動后，產(chǎn)生運(yùn)動單位動作電位（Motor Unit Action Potential，MUAP)[1-2]。肌電信號（Electromyographic，EMG）是眾多MUAP在時(shí)間和空間上的疊加[3-4]，該信號能在一定程度上反映出神經(jīng)肌肉的活動狀況，在臨床及康復(fù)醫(yī)學(xué)中具有重要的使用價(jià)值。

自適應(yīng)電針系統(tǒng)采用閉環(huán)控制方式實(shí)現(xiàn)對處方信號的自動調(diào)整[5]，作為系統(tǒng)的反饋環(huán)節(jié)，EMG信號質(zhì)量直接影響著控制的有效性和精度。肌電信號具有微弱性、低頻性、交變性等特點(diǎn)[6-7]，在時(shí)域上幅度不大于μV量級，頻域上頻譜主要集中在150～1000 Hz之間，此外患者自身具有導(dǎo)電特性，使得空間環(huán)境中的電磁場對EMG信號產(chǎn)生較大干擾，因此必須有效抑制共模干擾，使采集的信號不受人體電位變化影響。本文設(shè)計(jì)了共模信號采集、放大、濾波電路，將EMG信號送入數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP），將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號（A/D）后，對其進(jìn)行處理及特征提取，使得微弱的EMG信號不丟失、不失真，最終獲取準(zhǔn)確的人體生理特征，報(bào)道如下。

1 EMG產(chǎn)生機(jī)理及數(shù)學(xué)模型

1.1 EMG產(chǎn)生機(jī)理及建模

由肌電采集儀記錄下來的神經(jīng)肌肉系統(tǒng)活動生物電信號，是由電極附近不同深度、不同遠(yuǎn)近的運(yùn)動單元活動時(shí)的電位變化在電極處時(shí)間和空間的疊加結(jié)果[8]。設(shè)Ik(t)為單位電脈沖，且多個脈沖間獨(dú)立分布，則Ik(t)表示為：

其中為第i個單位延遲，設(shè)為電勢，為沖擊響應(yīng)，為運(yùn)動單元的耦合度，則EMG信號表示為：

EMG信號的功率譜密度為：

其中Lk、Pk、Gk，分別是Ik、pk、gk的傅立葉變換。

1.2 EMG信號特點(diǎn)分析

根據(jù)公式(2)、(3)分析，EMG信號幅度和能量非常微弱，一般在10～1000 μV。因此對EMG信號的放大增益需要＞35 dB，帶寬范圍為20 Hz～1 kHz，需要濾除低頻漂移和高頻分量，必須對EMG信號進(jìn)行幅度放大，且滿足DSP中A/D轉(zhuǎn)換器的電平要求（0～5 V）。由于患者身體的非絕緣特性，體外環(huán)境的工頻及空間電磁場干擾都會在患者體表形成噪聲，因此需濾除肌電信號的50 Hz工頻干擾并保證共模抑制比＞100 dB，并對EMG信號進(jìn)行濾波和屏蔽。A/D轉(zhuǎn)換單元采用16位轉(zhuǎn)換模塊，以保證采樣精度。

2 EMG采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采集系統(tǒng)原理，見圖1。信號采集電極A/B為懸浮于大地的一對采樣電極，信號經(jīng)過放大、濾波后進(jìn)入模擬數(shù)字電路轉(zhuǎn)換單元，最終通過數(shù)字信號處理器進(jìn)行特征提取。

圖1 采集系統(tǒng)原理框圖

2.1 差分接收器設(shè)計(jì)

差分接收器的功能是將電極采集到的差分EMG信號轉(zhuǎn)換成單極性對地信號，對共模信號進(jìn)行抑制，且增加信號的驅(qū)動能力。差分接收電路，見圖2。

圖2 差分接收電路

A/B端為差分信號的輸入端，為提高動態(tài)特性，選用高速運(yùn)放LM119進(jìn)行設(shè)計(jì)，能有效地提高輸入阻抗，并對輸入信號進(jìn)行緩沖。R1C1耦合的主要功能是濾除高頻干擾，為R2、R3、R6、R7提供靜態(tài)電流，偏置LM119的工作點(diǎn)。當(dāng)共模信號從A、B點(diǎn)注入時(shí)，IC1的正負(fù)端沒有壓差，IC1無信號輸出；當(dāng)A、B端存在差模信號時(shí)，由于采用雙電源供電，允許的差模動態(tài)范圍很大，只需很小的驅(qū)動電流即可將差分信號轉(zhuǎn)化為對地的+5 V信號，驅(qū)動能力較強(qiáng)，具有極高的共模抑制比。

2.2 幅度放大電路設(shè)計(jì)

經(jīng)過差分放大器的接收后，EMG信號中的共模噪聲和高頻干擾被濾除，為滿足數(shù)字信號處理器中A/D變換器的接口電平要求，需要對微弱的接收信號進(jìn)行增益放大。電針電極在檢測人體表面的EMG時(shí)，會產(chǎn)生直流分量，采用單級放大電路會引起直流信號飽和，因此本研究采用兩級放大電路，見圖3。

圖3 幅度放大電路

本研究選用ADI公司的運(yùn)算放大器OP43，考慮放大器搭建減法器電路來消除共模信號時(shí)，對電阻的匹配要求很高。若電阻不匹配，則每個輸入端的增益會有差異，直接影響共模抑制比（Common-Mode Rejection Ratio，CMPR），而OP43在寬頻內(nèi)具有優(yōu)良的共模抑制能力。幅度放大電路需要較高的共模抑制比，電阻R4～R7用來調(diào)整第一級放大電路的增益，根據(jù)R8、R9分壓電路采集到的直流偏置進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，保證了運(yùn)算放大器IC2始終工作在線性區(qū)，避免了信號在放大過程中出現(xiàn)失真。IC3和IC4組成的互補(bǔ)共模抑制放大電路將第一級輸出的信號進(jìn)行二次放大，保證了輸出信號的幅度能夠達(dá)到數(shù)字信號處理器的接口要求；運(yùn)算放大器IC5將兩級放大后的信號進(jìn)行阻抗變換，保證了對后級電路足夠的驅(qū)動能力。跟隨器和儀表放大器則采用另外一組電源供電。另外，在實(shí)際應(yīng)用中，還需對放大電路進(jìn)行屏蔽處理。

2.3 濾波電路設(shè)計(jì)

EMG信號非常微弱，一般只有μV級[9]，頻率范圍為1～1000 Hz，譜密度通常在30～300 Hz之間，因此EMG信號具有低頻特性。由于電針從人體到設(shè)備間存在一段導(dǎo)線，因此環(huán)境噪聲（如50 Hz工頻等低頻噪聲）會對EMG造成干擾。經(jīng)過幅度放大后，EMG信號還存在很多噪聲，因此需要對EMG的噪聲進(jìn)行濾波，將濾波電路輸出的信號進(jìn)行電位底部抬升，保證進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器的信號不存在負(fù)壓。高通濾波器的工作原理，見圖4。

圖4 高通濾波器的工作原理

高通濾波器的截止頻率在30 Hz左右，以去除檢測電極上的極化直流電壓。濾波器的Q值（品質(zhì)因數(shù)）匹配，加入高通濾波器可以有效地減小電針電極與人體間移動造成的低頻干擾。根據(jù)EMG信號的頻譜，將EMG信號高通濾波器截止頻率設(shè)為20 Hz。

本研究采用III階巴特沃斯低通濾波器濾除高頻干擾，其設(shè)計(jì)方法與高通濾波器相同，只是將高通濾波器中電阻與電容的位置進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整，低通濾波器截止頻率為500 Hz。

高通和低通濾波器也用于數(shù)字圖像處理中頻域變換。經(jīng)過濾波和放大之后的表面肌電信號仍然存在零電位以下的信號，而本系統(tǒng)所選用的單片機(jī)內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換器，其輸入電壓為0～5 V，因此需要將處理過的表面肌電信號進(jìn)行電位抬升后，才輸入到單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換口，以保證模數(shù)轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性。

2.4 模擬數(shù)字變換電路

本研究采用TI公司的TMS320F2812處理器，其擁有高速的12位A/D轉(zhuǎn)換器。EMG信號經(jīng)過采集、放大和濾波后將模擬信號變換為數(shù)字信號，采用逐次逼近變換方式對模擬信號進(jìn)行有效處理，而TMS320F2812中的A/D能夠?qū)焖俳涣餍盘柼峁└玫闹С?，轉(zhuǎn)換器是所有ADC中最通用的，這種轉(zhuǎn)換器由基于電容DAC的逐次逼近轉(zhuǎn)換器組成，可將高分辨率和高吞吐能力結(jié)合在一起，內(nèi)部所有部件能方便地通過3個寄存器SFR接口來設(shè)置。

3 EMG信號特征提取

EMG信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器變換為數(shù)字信號后送入計(jì)算單元，由于EMG信號的特性為非平穩(wěn)信號，采用傳統(tǒng)傅里葉分析等方法無法反映信號細(xì)部特征，由于小波分析在時(shí)域和頻域均有很好的局部顯微能力，該算法能夠自動調(diào)整時(shí)域和頻域的觀察精度[10-11]。因此本研究采用小波分析對EMG信號的特征進(jìn)行提取，并進(jìn)行多維空間分解，將分解出的小波系數(shù)進(jìn)行AR建模，傳遞函數(shù)采用4階AR模型，保證了分析性能與計(jì)算量比值效能的最大化。

分別為AR模型的分解系數(shù)，EMG的信號和噪聲在多尺度空間上具有不同的特性，采用小波分析算法提取EMG時(shí)頻域參數(shù)，然后用AR模型對所得到的小波系數(shù)進(jìn)行建模，最后利用模式分類提取出EMG信號的特征。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證該系統(tǒng)的功能，本文采用Delsys公司的高精度EMG測量儀，采集患者脛骨前肌肌電信號，并將信號送入本系統(tǒng)進(jìn)行幅度放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換、特征提取等處理，傳送至計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，顯示結(jié)果，見圖5。

由圖5可以看出，本系統(tǒng)可以清晰、準(zhǔn)確地捕捉到EMG信號的特征，并能夠反映出不同處方電針方式對EMG反饋信號的影響。

5 結(jié)論

在電針系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，由于反饋的EMG信號幅度微小、成分復(fù)雜，因此EMG信號的采集及特征提取是最大的難點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)的方法能夠有效提取、反映不同電針處方信號對人體激勵信號的響應(yīng)波形，為電針系統(tǒng)的穩(wěn)定準(zhǔn)確工作提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖5 EMG信號

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Electromyographic Signal Acquisition and Feature Extraction of the Electro Acupuncture System

XUE Fang
Computer Teaching and Research Section, Department of Health Management, Xi’an Medical University, Xi’an Shaanxi 710021, China

In the adaptive feedback electro acupuncture system, the Electromyography (EMG) signal has the disadvantages of suspension in the earth, small amplitude and low signal-to-noise ratio, resulting in the difficulty of signal acquisition and feature extraction. In order to extract the physiological characteristics and the characteristics of the needle, a mathematical model was studied and established in this paper to analyze the characteristics of the EMG signal. The high-precision EMG signal acquisition circuit was designed in this paper to extract the EMG features by using wavelet transformation. The circuit was able to provide accurate feedback information for the electro acupuncture system, which guaranteed the real-time accuracy in the work of the closed-loop system.

electro acupuncture system; electromyography; common mode interference; action potential

R337.5；Q811.3

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.08.010

1674-1633(2016)08-0040-04

2016-03-01

2016-03-23

陜西省教育廳科研計(jì)劃項(xiàng)目（15KJ1634）。

本文作者：薛方，碩士，講師。

作者郵箱：xuefang_75@163.com