表面肌電sEMG(surface Electromyography)信號是在皮膚表面記錄的神經(jīng)肌肉系統(tǒng)的生物電活動，反映肌肉的活動狀態(tài),，由于其無創(chuàng)性和簡單性在臨床康復(fù)及人機(jī)交互方面[1]有廣泛的應(yīng)用前景,。多通道sEMG信號檢測是一種新的記錄方法，它能同時獲得肌肉活動時的大量空間和時間分布信息[2],，在肌肉活動分析中具有重要價值,。

    近年來，國內(nèi)外在多通道sEMG信號檢測系統(tǒng)設(shè)計方面已做了相關(guān)工作,。G.Vijaya Krishna Prasad[3]等研究了一種基于DSP的5通道sEMG信號實(shí)時采集系統(tǒng),；胡巍[4]等利用單片機(jī)設(shè)計了一種無線多通道sEMG信號實(shí)時采集系統(tǒng)。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展,，尤其是低成本高性能的計算機(jī)資源得到普及應(yīng)用,，虛擬儀器VI（Virtual Instruments）應(yīng)運(yùn)而生，它是利用計算機(jī)強(qiáng)大的計算資源和豐富的軟硬件資源來組成的儀器系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)儀器向計算機(jī)系統(tǒng)的過渡,，以便最大限度地降低系統(tǒng)成本,，并增強(qiáng)系統(tǒng)的功能和靈活性。LabVIEW是一種易于編程和調(diào)試的圖形化工具平臺,，是標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件,，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理及分析能力。
    本文設(shè)計了前置調(diào)理電路,并結(jié)合NI公司開發(fā)的DAQ數(shù)據(jù)接口卡和LabVIEW開發(fā)了一種實(shí)驗用sEMG信號檢測分析系統(tǒng),完成4通道sEMG信號的實(shí)時采集顯示和時頻域的特征分析,。
1 硬件電路設(shè)計
     sEMG信號是一種微弱的,、非平穩(wěn)的隨機(jī)電信號，其振幅約為10~5 000 ?滋V,，頻率分布在20~500 Hz[5],，容易受50 Hz工頻干擾的影響，因此本文設(shè)計了如圖1所示的硬件電路,，主要包括前置放大,、帶通濾波、50 Hz陷波,、功


    實(shí)際測得其幅頻特性如圖2(c)所示,。

1.3 50 Hz陷波電路
    50 Hz工頻是sEMG信號有效頻段內(nèi)最主要的干擾，本文采用傳統(tǒng)雙T有源濾波器來濾除50 Hz工頻干擾,，具體電路如圖2(a)所示,。其中R4=R5=68 kΩ，C4=C5=47 nF,，計算得陷波中心頻率為:
  
波效果不是很理想,，會在后續(xù)分析處理中進(jìn)行數(shù)字濾波來改善這一效果。此外,，在100~500 Hz頻段范圍內(nèi),電路的增益大于60 dB,基本接近電路的理論設(shè)計增益64 dB,。總的來說,整個電路能對有效頻段內(nèi)信號進(jìn)行放大,、濾波,。
    本實(shí)驗同時對前置調(diào)理電路4個通道的性能參數(shù)進(jìn)行了測試，結(jié)果如表1所示,。

    由表1可知,，實(shí)際實(shí)驗中4通道電路性能良好，能獲得20~500 Hz有效頻段內(nèi)的sEMG信號,，并對50 Hz的工頻干擾有較好的抑制作用,。
2 信號采集與分析
    本研究需利用數(shù)據(jù)接口卡將前置調(diào)理電路拾取的sEMG信號上傳到PC機(jī)上,并結(jié)合LabVIEW軟件編程實(shí)現(xiàn)sEMG信號的實(shí)時采集顯示及時頻域的分析處理。整個部分包括數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析兩個模塊,程序如圖4所示,。
2.1 信號采集
    信號采集模塊是通過數(shù)據(jù)接口卡完成對4通道sEMG信號的實(shí)時采集與顯示,，由參數(shù)設(shè)置,、濾波控制、數(shù)據(jù)保存三個部分組成,，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)濾波,、數(shù)據(jù)保存以及數(shù)據(jù)控制。
    參數(shù)設(shè)置是用來對數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行設(shè)置的,通過DAQ助手.VI實(shí)現(xiàn),，實(shí)驗中設(shè)置4通道模擬輸入,采樣頻率2 000 Hz,，采樣數(shù)為1 000以及連續(xù)采樣的方式，同時為了提高精度,，輸入范圍設(shè)為-3 V~+3 V,。
    濾波是由Filter.VI實(shí)現(xiàn)的，實(shí)驗中將該Filter配置為3階Butterworth帶通濾波器,，其頻率范圍為20~500 Hz,，以進(jìn)一步提取20~500 Hz頻段內(nèi)的sEMG信號。
　    數(shù)據(jù)保存是將濾波后的信號進(jìn)行數(shù)字到字符串的變換,，并寫入文本文件（.txt）以便回放顯示,，它是通過Write To Spreadsheet File.VI實(shí)現(xiàn)的。
2.2  信號分析
    信號分析模塊是完成采集信號的特征分析,，包括時域中的均方根計算和頻域中的功率譜峰值計算。
    (1)均方根
    均方根（Root Mean Square）是sEMG信號時域分析中的一種典型特征值,，可以用來衡量肌電信號的大小,，并且sEMG信號的均方根值隨力量水平的增加而增大[6]。計算公式為：
  
其中,，s(t)為肌電信號,；Xi為s(t)的采樣值；T為觀測時間長度,；t0為觀測起始時間,；N為觀測點(diǎn)數(shù)。
    均方根計算的具體實(shí)現(xiàn)方法：先將濾波后的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為一維數(shù)組,，然后調(diào)用RMS.VI讀取數(shù)組中的數(shù)字并計算其均方根值,，將結(jié)果存于數(shù)組，最后調(diào)用波形圖表（waveform chart）讀取數(shù)組中的RMS值并顯示,，這樣不斷計算采樣窗內(nèi)的濾波信號,，直到窗內(nèi)無信號輸出為止。
    (2)功率譜峰值
    研究表明,，當(dāng)肌肉收縮力變化不大時,，sEMG信號的功率譜峰值比較穩(wěn)定[7]，并且sEMG信號的功率譜峰值會隨著力量的增加而增加[6],。功率譜峰值計算可分兩步實(shí)現(xiàn)：先計算濾波后信號的功率譜,，公式為：
    
其中SXX(f)為輸出信號序列的功率譜,； X(f)為肌電信號X(t)的傅里葉變換；N為信號序列的點(diǎn)數(shù),。然后計算信號功率譜最大值,。
    功率譜峰值計算的實(shí)現(xiàn)方法：先調(diào)用Spectrum measurement.VI，讀取濾波后的數(shù)字信號,，計算功率譜值,，其中窗選用hanning窗，輸出結(jié)果方式配置為線性輸出,，結(jié)果保存在數(shù)組中,；然后調(diào)用Array Max & Min.VI計算數(shù)組中的最大值，并以數(shù)組形式保存,，最后利用波形圖表（waveform chart）讀取數(shù)組中的值并顯示,。這樣不斷計算采樣窗內(nèi)濾波后的信號,直到采樣窗內(nèi)無信號輸出為止。
2.3 采集分析結(jié)果
    結(jié)合前臂表面肌電電極陣列[8]以及手部運(yùn)動機(jī)能實(shí)驗系統(tǒng)[9],，實(shí)驗采集了1名健康在校研究生前臂指總伸肌的sEMG信號,，并對其進(jìn)行了特征分析。信號采集和分析程序的運(yùn)行界面如圖5所示,，當(dāng)前顯示的是受試者在力量逐漸增大時采集到的4通道5 s時間的sEMG信號及其特征分析后的結(jié)果,。

    實(shí)驗結(jié)果表明，sEMG信號的幅值,、RMS值和功率譜峰值隨著力量的增加而增大,，與參考文獻(xiàn)[6]結(jié)果一致，從而可知本文設(shè)計的4通道sEMG拾取電路能采集到健康受試者的sEMG信號,，并且編寫的LabVIEW程序能實(shí)現(xiàn)采集信號的實(shí)時顯示及其不同特征分析處理,。
    本文搭建了4通道sEMG信號拾取電路并結(jié)合數(shù)據(jù)接口卡以及LabVIEW編程軟件，設(shè)計基于LabVIEW的4通道sEMG信號檢測分析系統(tǒng),。結(jié)合前臂表面肌電極陣列以及手部運(yùn)動機(jī)能實(shí)驗系統(tǒng),，利用該系統(tǒng)采集并分析了受試者在力量增大時前臂肌肉的sEMG信號及其均方根、功率譜峰值,。結(jié)果表明,，本文設(shè)計的多通道sEMG信號檢測系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)4通道sEMG信號的實(shí)時采集顯示及其時頻域特征分析。
    當(dāng)然,，本設(shè)計也存在一些不足,，如由于陷波器中R、C不完全對稱,從而引起50 Hz附近sEMG信號產(chǎn)生不同程度的衰減,，后續(xù)以50 Hz的數(shù)字陷波器代替模擬陷波器,。此外，本文只針對4個通道的信號進(jìn)行了采集及時頻域特征分析,，如果擴(kuò)展到更多通道信號的采集及其他特征分析處理,，則需考慮采樣數(shù)據(jù)的大小以及各通道間的延遲效應(yīng),，保證系統(tǒng)的實(shí)時性。
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