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(hào)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(hào)（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(hào)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(duì)EMG信號(hào)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(hào)特征。本研究設(shè)計(jì)了高精度EMG信號(hào)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(hào)；共模干擾；動(dòng)作電位

0 引言

當(dāng)肌肉受到外界刺激后會(huì)在細(xì)胞膜內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)動(dòng)作電位（Intracellular Action Potential，IAP），動(dòng)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(guò)程中，在單一肌纖維上產(chǎn)生單纖維動(dòng)作電位（Single Fiber Action Potential，SEAP），而同一運(yùn)動(dòng)單位由眾多纖維組成，稱其為運(yùn)動(dòng)單位（Motor Unit，MU），經(jīng)過(guò)一系列組織結(jié)構(gòu)電活動(dòng)后，產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)單位動(dòng)作電位（Motor Unit Action Potential，MUAP)[1-2]。肌電信號(hào)（Electromyographic，EMG）是眾多MUAP在時(shí)間和空間上的疊加[3-4]，該信號(hào)能在一定程度上反映出神經(jīng)肌肉的活動(dòng)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(duì)處方信號(hào)的自動(dòng)調(diào)整[5]，作為系統(tǒng)的反饋環(huán)節(jié)，EMG信號(hào)質(zhì)量直接影響著控制的有效性和精度。肌電信號(hào)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(jí)，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(chǎng)對(duì)EMG信號(hào)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(hào)不受人體電位變化影響。本文設(shè)計(jì)了共模信號(hào)采集、放大、濾波電路，將EMG信號(hào)送入數(shù)字信號(hào)處理器（Digital Signal Processor，DSP），將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)（A/D）后，對(duì)其進(jìn)行處理及特征提取，使得微弱的EMG信號(hào)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(lái)的神經(jīng)肌肉系統(tǒng)活動(dòng)生物電信號(hào)，是由電極附近不同深度、不同遠(yuǎn)近的運(yùn)動(dòng)單元活動(dòng)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(gè)脈沖間獨(dú)立分布，則Ik(t)表示為：

其中為第i個(gè)單位延遲，設(shè)為電勢(shì)，為沖擊響應(yīng)，為運(yùn)動(dòng)單元的耦合度，則EMG信號(hào)表示為：

EMG信號(hào)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(hào)特點(diǎn)分析

根據(jù)公式(2)、(3)分析，EMG信號(hào)幅度和能量非常微弱，一般在10～1000 μV。因此對(duì)EMG信號(hào)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(duì)EMG信號(hào)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(chǎng)干擾都會(huì)在患者體表形成噪聲，因此需濾除肌電信號(hào)的50 Hz工頻干擾并保證共模抑制比＞100 dB，并對(duì)EMG信號(hào)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(jiàn)圖1。信號(hào)采集電極A/B為懸浮于大地的一對(duì)采樣電極，信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、濾波后進(jìn)入模擬數(shù)字電路轉(zhuǎn)換單元，最終通過(guò)數(shù)字信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換成單極性對(duì)地信號(hào)，對(duì)共模信號(hào)進(jìn)行抑制，且增加信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力。差分接收電路，見(jiàn)圖2。

圖2 差分接收電路

A/B端為差分信號(hào)的輸入端，為提高動(dòng)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(duì)輸入信號(hào)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(hào)從A、B點(diǎn)注入時(shí)，IC1的正負(fù)端沒(méi)有壓差，IC1無(wú)信號(hào)輸出；當(dāng)A、B端存在差模信號(hào)時(shí)，由于采用雙電源供電，允許的差模動(dòng)態(tài)范圍很大，只需很小的驅(qū)動(dòng)電流即可將差分信號(hào)轉(zhuǎn)化為對(duì)地的+5 V信號(hào)，驅(qū)動(dòng)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(guò)差分放大器的接收后，EMG信號(hào)中的共模噪聲和高頻干擾被濾除，為滿足數(shù)字信號(hào)處理器中A/D變換器的接口電平要求，需要對(duì)微弱的接收信號(hào)進(jìn)行增益放大。電針電極在檢測(cè)人體表面的EMG時(shí)，會(huì)產(chǎn)生直流分量，采用單級(jí)放大電路會(huì)引起直流信號(hào)飽和，因此本研究采用兩級(jí)放大電路，見(jiàn)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(lái)消除共模信號(hào)時(shí)，對(duì)電阻的匹配要求很高。若電阻不匹配，則每個(gè)輸入端的增益會(huì)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(lái)調(diào)整第一級(jí)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(dòng)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(hào)在放大過(guò)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(jí)輸出的信號(hào)進(jìn)行二次放大，保證了輸出信號(hào)的幅度能夠達(dá)到數(shù)字信號(hào)處理器的接口要求；運(yùn)算放大器IC5將兩級(jí)放大后的信號(hào)進(jìn)行阻抗變換，保證了對(duì)后級(jí)電路足夠的驅(qū)動(dòng)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(duì)放大電路進(jìn)行屏蔽處理。

2.3 濾波電路設(shè)計(jì)

EMG信號(hào)非常微弱，一般只有μV級(jí)[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(hào)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(huì)對(duì)EMG造成干擾。經(jīng)過(guò)幅度放大后，EMG信號(hào)還存在很多噪聲，因此需要對(duì)EMG的噪聲進(jìn)行濾波，將濾波電路輸出的信號(hào)進(jìn)行電位底部抬升，保證進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器的信號(hào)不存在負(fù)壓。高通濾波器的工作原理，見(jiàn)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(cè)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(dòng)造成的低頻干擾。根據(jù)EMG信號(hào)的頻譜，將EMG信號(hào)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(guò)濾波和放大之后的表面肌電信號(hào)仍然存在零電位以下的信號(hào)，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(guò)的表面肌電信號(hào)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(hào)經(jīng)過(guò)采集、放大和濾波后將模擬信號(hào)變換為數(shù)字信號(hào)，采用逐次逼近變換方式對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行有效處理，而TMS320F2812中的A/D能夠?qū)焖俳涣餍盘?hào)提供更好的支持，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(guò)3個(gè)寄存器SFR接口來(lái)設(shè)置。

3 EMG信號(hào)特征提取

EMG信號(hào)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器變換為數(shù)字信號(hào)后送入計(jì)算單元，由于EMG信號(hào)的特性為非平穩(wěn)信號(hào)，采用傳統(tǒng)傅里葉分析等方法無(wú)法反映信號(hào)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(dòng)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(duì)EMG信號(hào)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(hào)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(duì)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(hào)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(cè)量?jī)x，采集患者脛骨前肌肌電信號(hào)，并將信號(hào)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(jiàn)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(hào)的特征，并能夠反映出不同處方電針?lè)绞綄?duì)EMG反饋信號(hào)的影響。

5 結(jié)論

在電針系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于反饋的EMG信號(hào)幅度微小、成分復(fù)雜，因此EMG信號(hào)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(hào)對(duì)人體激勵(lì)信號(hào)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(hào)

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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