采集表面肌电信号应用于动作识别的可行性

《中国组织工程研究与临床康复》杂志2011年22期

中国组织工程研究与临床康复 第15卷 第22期 2011–05–28出版

Journal of Clinical Rehabilitative Tissue Engineering Research May 28, 2011 Vol.15, No.22

采集表面肌电信号应用于动作识别的可行性*★

卢 蕾，殷 涛，靳静娜，李 颖，刘志朋

Feasibility of surface electromyography signal acquisition for action recognition

Lu Lei, Yin Tao, Jin Jing-na, Li Ying, Liu Zhi-peng Abstract

BACKGROUND: Surface electromyography (sEMG) are widely adopted because of its scot-free. Because of the non-stationary of signals, sEMG signals can be classified in wavelet packet transform to obtain effective parameters.

OBJECTIVE: To design a detection circuit according to the characteristics of the sEMG, which can pick-up the SEMG signals for action recognition.

METHODS: The high CMMR preamplifier was designed to restrain the common code interference; low-pass filter and active double-T band-stop filter were carried on de-noising processing; sEMG signals could be classified in wavelet packet transform to

obtain effective parameters.

RESULTS AND CONCLUSION: In the experiment, the circuit could implement the anticipated target, pick-up the sEMG and restrain the interference with 50 Hz; further, four different actions on hands could be recognized by using sub band energy value extracted in the wavelet packet translation of the sEMG.

Lu L, Yin T, Jin JN, Li Y, Liu ZP. Feasibility of surface electromyography signal acquisition for action recognition.Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu yu Linchuang Kangfu. 2011;15(22): 4103-4106. [ ]

摘要

背景：文献表明上肢前臂运动时所产生的表面肌电信号具有非线性特征，而肢体运动时肌电信号又呈现出非平稳特性。 目的：设计一种简单的拾取电路采集表面肌电信号，拟应用于动作肌电信号的特征识别。

方法：根据表面肌电信号的特点，设计高共模抑制比的前端放大电路，抑制共模干扰；采用低通滤波电路，有源双T带阻滤波器对信号进行去噪处理；对采集得到的信号进行小波包变换，得到信号的特征量。

结果与结论：所设计的表面肌电信号检测电路具有较高共模抑制比，并能有效地滤除50 Hz工频信号，可以满足肌电信号采集电路的基本要求。肌电信号的处理结果表明采用子频段能量值的方法可以区分手部4种不同动作。 关键词：表面肌电信号；信号检测；去噪处理；小波包变换；数字化医学 doi:10.3969/j.issn.1673-8225.2011.22.027

卢蕾，殷涛，靳静娜，李颖，刘志朋. 采集表面肌电信号应用于动作识别的可行性[J].中国组织工程研究与临床康复，2011，15(22):4103-4106. [ ]

制，通过配置人手自由度，较好地解决模式过0 引言

渡中的错误分类[7]

。已有文献表明上肢前臂运动

时所产生的表面肌电信号具有非线性特征，同

表面肌电信号(surface electromyography,

时肢体运动时肌电信号又呈现出非平稳特性[8]

。SEMG)是人体自主运动时神经肌肉活动发放文章设计了一种简易可行的电路对肌肉运动产的生物电信号，它是由多个运动单位兴奋而发生的肌电信号进行检测，并针对动作肌电信号放出来的运动单位动作电位序列沿肌纤维传播的特征，采用小波包变换对采集到的信号进行并经由皮肤、脂肪构成的容积导体滤波后在皮处理和初步分析，为最终达到智能假肢的肌电肤表面检测电极处的时间和空间上综合叠加的仿生控制打下良好的基础。 结果[1]

。

目前，表面肌电信号已经广泛应用到临床1 表面肌电信号检测方法

医学、运动医学、生物医学与工程等诸多领域[2]

，

特别是在智能假肢方面的应用深受使用者和康1.1 检测电路的设计原理 表面肌电信号是复工程研究人员的青睐

[3-4]

，并且成为肌肉驱动机

一种较微弱的电信号，国内外大量实验研究表器人以及功能性电刺激的理想控制信号[5]

，同时明，其信号幅值在100~5 000 µV，峰-峰值一般也开始应用在手势语言的识别方面，并取得了在0~10 mV，均方根值在0~1.5 mV，一般有用一定的成果[6]

。

信号频率成分为10~500 Hz，主要能量集中在近年来，针对人手部姿态模式的识别，利50~150 Hz范围内[9]

。被检测的肌电信号是弱信用表面肌电信号着眼于多自由度肌电假手的控

号，易受50 Hz工频及其他共模信号的干扰，因

ISSN 1673-8225 CN 21-1539/R CODEN: ZLKHAH Institute of

Biomedical

Engineering, Chinese Academy of Medical Sciences & Peking Union Medical College, Tianjin 300192, China

Lu Lei★, Studying for master’s degree, Institute of Biomedical

Engineering, Chinese Academy of Medical Sciences & Peking Union Medical College, Tianjin 300192, China

Lzpeng67@

Correspondence to: Liu Zhi-peng, Master, Institute of Biomedical

Engineering, Chinese Academy of Medical Sciences & Peking Union Medical College, Tianjin 300192, China bme500@

Supported by: the Science and

Technology Support Project during the Eleventh Five-year Period, Ministry of Science and Technology, No. 2007BAI07A18*

Received: 2011-01-06 Accepted: 2011-04-08

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《中国组织工程研究与临床康复》杂志2011年22期

中国医学科学院北京协和医学院生物医学工程研究所，天津市

卢蕾，等. 采集表面肌电信号应用于动作识别的可行性

此需采用高共模抑制比放大电路对有用信号进行放大同时抑制干扰信号，在本实验电路中将300192

卢蕾★，年生，女，1985市人，山东省泰安协和医汉族，医学工学在读硕士，程院北京研生物究所事低成本、主要从性、高可靠灸治疗多功能中医针业化研究。研制与产Lzpeng67@163.

com

通讯作朋，者，刘志学科学硕士，中国医和医学院学工程研究所，院北生京协物医津市天bme500@163. 300192 com

中图分类号:R318 文献标识码:B

文章编号:1673-8225 (2011)22-04103-04

收稿日期：2011-01-06

修回日期：2011-04-08 (20110106020/W

·W)

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其放大到伏级水平以便于分析，放大器的增益设置在60~90 dB之间。

电路设计原理：将表面检测信号通过同相并

联差动三运放仪表放大器进行初级放大(倍数设置为十几倍)；由于肌电检测中混有直流分量，放大后进行隔直处理；然后将信号进行二次放大，此时设置高放大倍数，同时进行再次隔直处理；利用低通滤波器进行高频信号的滤除；最后利用有源双T带陷滤波器滤除50 Hz工频干扰，得到输出信号进行相应处理。电路原理框图见图1。

1.2 检测电路的组成

1.2.1 初级放大 针对表面肌电信号的特征，电路中选用德州仪器公司的仪表放大器INA128，采用同相并联差动三运放仪表放大器实现高输入阻抗和高共模抑制比的检测电路性能，为避免在干扰较强时信号进入非线性区引起严重失真，设定初级放大倍数约为12倍

[10]

。初

级放大电路性能经实验测试表明：初级放大对各频率段的共模信号都起到了很好的抑制作用，共模抑制比大于90 dB以上。

1.2.2 隔直电路、二次放大及高通滤波 由于肌电信号中混有直流分量，其截止频率设定约为 f 0 =

1因此加入隔直电路，

级放大倍数较小，故二级放大倍数2πR3C

2

≈7.96 Hz。由于初( A =1+ R24

高且便于调节，为避免被衰减的直流分量会再5

)要

次放大并影响信号的后续处理，故在二次放大后设计了高通滤波电路，详见图2。

1.2.3 低通滤波电路 由于表面肌电信号的

有用成分处在50~500 Hz之间，检测信号中往往夹带着低频和高频的干扰信号。在此将放大后的信号接入低通滤波电路，综合各方面因素的考虑，选用全极点型巴特沃斯型滤波器。本设计采用了压控电压源型滤波电路[11]

，设定滤

波器的截止频率为f0=2 000 Hz。

1.2.4 双T带阻滤波 50 Hz工频干扰是人体表面肌电信号最主要的噪声干扰，必须去除，

本文采用双T带阻滤波电路

[12]

，电路的Q值与反

馈系数 β = R15

有关，且有 Q = 1

1514反馈的增强，Q将不断提高，但是电路将出现，随着正不稳定，甚至产生自激，因此本电路选取Q值约为3。电路中采用了两个跟随器U1A和U2A作为高输入阻抗、低输出阻抗的缓冲级，从而减小分压电阻R14和R15对无源双T电路本身特性的影响。在调节可变电阻R14和R15来改变分压比时，隔离或减小电阻R14和R15的变化对双T的影响尤其重要，具体电路见图3。

2 肌电信号实验测试结果 2.1 检测肌电信号分析 用上述肌电信号检测电路，设计实验采集4种手部不同动作模式下的前臂肌电信号

[13-14]

，借助Matlab软件进行

处理。在实验中，将表面电极贴在健康受试者上肢前臂(桡侧腕屈肌)处

[15]

，电极直径为 5 mm，电极之间间隔为2 cm，构成双电极模式，负极靠近心脏，构成差分模式

[16-17]

。受试者分

别完成握拳、展拳、手腕内旋和手腕外旋4组动作，每组动作各采集40组信号，每组信号记录 5 s，采集2 500个点。

2.2 小波包系数 小波变换继傅里叶变换之后

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