肌电信号示波器设计(附件)【字数：9988】
摘 要表面肌电信号（sEMG）是生物进行活动时在体表产生的微弱电信号，其幅度范围在0至1.5 mV，有效频率范围为0至500 Hz，并且在50到150Hz范围内占主导地位。本论文设计了一款简易的表面肌电信号示波器系统，包含了硬件电路与软件编程两大部分。硬件电路采用两级放大电路设计，将0至1.5mV的信号电压幅度放大到1.5V左右，然后采用数据采集卡将表面肌电信号传输至PC机，由PC机完成信号的滤波和处理。其中，利用LabVIEW软件对采集的表面肌电信号进行数字滤波与显示，从而完成表面肌电示波器的基本功能。
目 录
第一章 绪论 1
1.1表面肌电信号的发展 1
1.1.1表面肌电信号的研究意义 1
1.1.2国内外研究现状以及存在的问题 1
1.2本课题的研究内容 2
第二章 表面肌电信号概述 3
2.1表面肌电信号产生的机理 3
2.2表面肌电信号的特点分析 3
第三章 硬件电路设计 5
3.1系统整体结构设计 5
3.2硬件电路设计 5
3.2.1放大电路设计 5
3.2.2电源去耦设计 7
第四章 示波器显示设计 10
4.1数据采集卡的使用 10
4.2滤波设计方案 10
4.2.1方案一 硬件滤波电路设计 10
4.2.2方案二 滤波程序设计 11
4.2.3陷波程序 11
4.3波形显示程序 12
4.3.1波形显示 12
4.3.2波形的测量 12
第五章 系统测试与结果 14
5.1肌电探测与数据采集卡连接图 14
5.2实时结果测试 15
结束语 17
致 谢 18
参考文献 19
第一章 绪论
1.1表面肌电信号的发展
1.1.1表面肌电信号的研究意义
人体是一种电导体。人体的化学反应会产生微小的电气变化[1]。一般而言，肌电信号（electromyography, EMG）受控 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
于中枢神经，静息时，几乎没有信号流过，当接收到刺激时，一系列的电脉冲从运动神经元中发出，以光速传导，路径由神经轴突至肌纤维中，从而在纤维上产生电信号[2]。此外，表面肌电信号（surface EMG, sEMG）的特点是信号的变化，肌肉活动时电信号先传导到中枢神经再经过一系列的传导反馈回来，因此肌电信号极其微弱并难以捕捉，而表面肌肉电信号可以反应出生运动过程中的体态活动特征，目前已广泛应用于病理诊治学[3]、康复医疗学，并在假肢控制与研究[4]、神经学、生理学等领域都具有非常重要的研究意义以及价值[5]，因此采集与显示表面肌电信号便显得极为重要。
1.1.2国内外研究现状以及存在的问题
表面肌电信号是弗朗切斯科雷迪在1666年对昆虫进行研究期间发现的。1792年，由伽伐尼印证出电刺激确实可以引发肌肉收缩。六十年后的1849年，杜比奥斯雷蒙德发现在随意肌肉收缩过程中可实现记录电活动。这项活动的第一次实际记录是由玛瑞于1890年提出的，同时还介绍了肌电图术语。加塞尔和厄兰格于1922年，第一次使用示波器显示肌肉的电信号，为日后对肌电信号的研究开创了先河。虽然肌电信号具有不稳定性，研究人员们只能从中粗略的获取大概而非精准的信息，但在1960年左右，表面肌电图便开始用于治疗更具体的疾病等临床应用。自1930年之后的20年间，肌电信号检测的能力的不断提高，使得sEMG的研究更进一步，研究人员更为普遍地使用着改进的电极来研究肌肉中的电信号。而1966年，哈代克和他的研究人员是第一个使用肌电图的从业者。1980年，克拉姆和斯蒂格引入了一种使用表面肌电图传感设备能够扫描各种肌肉的临床方法[46]。
目前肌电信号检测系统的市场主要被国外产品占据，如美国Noraxon公司制定了全球肌电系统的行业标准，其产品2400TG2表面肌电采集分析系统具有信号处理等多项国际专利，具有良好的抗干扰和噪声能力，可以方便快捷的选择每根导线的测量位置并实时处理数据。加拿大Thought Technology公司的多媒体生物反馈监控仪可以获取sEMG信号并通过sEMG的特点来监测肌肉的运动功能状态，并对肌肉进行反馈治疗。荷兰Bio Semi公司研制生理信号测量系统Active One，具有通用的32道生理信号测量系统，可用来检测肌电信号。国内上海海神医电公司也有类似功能强大、多通道、多用途的生理信号测量系统，不仅可以测量肌电信号还可以测量脑电、心电等生理信号[3]。胡巍等人设计了便于携带的无线多通道表面肌电信号采集系统 [7]。虚拟仪器具有很高的可扩展性与灵活性功能易于拓展与更改，借助虚拟仪器技术可以设计集成性高和开放性好的信号显示系统[8]。基于双微控制器（MCU）的简易数字示波器设计充分发挥了高速模拟数字转换（ADC）芯片的性能，稳定可靠且成本低[9,10]。叶秀羲等人提出基于USB总线的虚拟数字存储示波器，其精准度高且支持增改软件功能。杨进宝等人提出的基于SOPC系统的虚拟示波器，其设计操作简易。2017年李向明提出了一款基于Matlab的表面肌电信号处理软件，其拓展性好、实用性强[12]；同年朱安阳等人针对电刺激治疗效果的评估需要设计了基于STM32的表面肌电采集系统，其精准率高，并能适用于康复治疗[13]。
1.2本课题的研究内容
肌电信号虽然具有如此重要的研究意义及价值，但人体的体表肌电信号极其微小、随机不稳定且易受干扰，加大了测量的难度，因此如何在实际应用中做到有效提取sEMG是值得我们关注的事情，这样后续才能显示研究EMG信号从而解决生理疾病等问题。本课题主要针对手臂的表面肌电信号进行采集进行放大滤波并在PC机上进行图形的绘制从而构成一个简易的肌电信号示波器，用来观测肌电信号的产生以及变化，具体研究内容如下：
目 录
第一章 绪论 1
1.1表面肌电信号的发展 1
1.1.1表面肌电信号的研究意义 1
1.1.2国内外研究现状以及存在的问题 1
1.2本课题的研究内容 2
第二章 表面肌电信号概述 3
2.1表面肌电信号产生的机理 3
2.2表面肌电信号的特点分析 3
第三章 硬件电路设计 5
3.1系统整体结构设计 5
3.2硬件电路设计 5
3.2.1放大电路设计 5
3.2.2电源去耦设计 7
第四章 示波器显示设计 10
4.1数据采集卡的使用 10
4.2滤波设计方案 10
4.2.1方案一 硬件滤波电路设计 10
4.2.2方案二 滤波程序设计 11
4.2.3陷波程序 11
4.3波形显示程序 12
4.3.1波形显示 12
4.3.2波形的测量 12
第五章 系统测试与结果 14
5.1肌电探测与数据采集卡连接图 14
5.2实时结果测试 15
结束语 17
致 谢 18
参考文献 19
第一章 绪论
1.1表面肌电信号的发展
1.1.1表面肌电信号的研究意义
人体是一种电导体。人体的化学反应会产生微小的电气变化[1]。一般而言，肌电信号（electromyography, EMG）受控 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
于中枢神经，静息时，几乎没有信号流过，当接收到刺激时，一系列的电脉冲从运动神经元中发出，以光速传导，路径由神经轴突至肌纤维中，从而在纤维上产生电信号[2]。此外，表面肌电信号（surface EMG, sEMG）的特点是信号的变化，肌肉活动时电信号先传导到中枢神经再经过一系列的传导反馈回来，因此肌电信号极其微弱并难以捕捉，而表面肌肉电信号可以反应出生运动过程中的体态活动特征，目前已广泛应用于病理诊治学[3]、康复医疗学，并在假肢控制与研究[4]、神经学、生理学等领域都具有非常重要的研究意义以及价值[5]，因此采集与显示表面肌电信号便显得极为重要。
1.1.2国内外研究现状以及存在的问题
表面肌电信号是弗朗切斯科雷迪在1666年对昆虫进行研究期间发现的。1792年，由伽伐尼印证出电刺激确实可以引发肌肉收缩。六十年后的1849年，杜比奥斯雷蒙德发现在随意肌肉收缩过程中可实现记录电活动。这项活动的第一次实际记录是由玛瑞于1890年提出的，同时还介绍了肌电图术语。加塞尔和厄兰格于1922年，第一次使用示波器显示肌肉的电信号，为日后对肌电信号的研究开创了先河。虽然肌电信号具有不稳定性，研究人员们只能从中粗略的获取大概而非精准的信息，但在1960年左右，表面肌电图便开始用于治疗更具体的疾病等临床应用。自1930年之后的20年间，肌电信号检测的能力的不断提高，使得sEMG的研究更进一步，研究人员更为普遍地使用着改进的电极来研究肌肉中的电信号。而1966年，哈代克和他的研究人员是第一个使用肌电图的从业者。1980年，克拉姆和斯蒂格引入了一种使用表面肌电图传感设备能够扫描各种肌肉的临床方法[46]。
目前肌电信号检测系统的市场主要被国外产品占据，如美国Noraxon公司制定了全球肌电系统的行业标准，其产品2400TG2表面肌电采集分析系统具有信号处理等多项国际专利，具有良好的抗干扰和噪声能力，可以方便快捷的选择每根导线的测量位置并实时处理数据。加拿大Thought Technology公司的多媒体生物反馈监控仪可以获取sEMG信号并通过sEMG的特点来监测肌肉的运动功能状态，并对肌肉进行反馈治疗。荷兰Bio Semi公司研制生理信号测量系统Active One，具有通用的32道生理信号测量系统，可用来检测肌电信号。国内上海海神医电公司也有类似功能强大、多通道、多用途的生理信号测量系统，不仅可以测量肌电信号还可以测量脑电、心电等生理信号[3]。胡巍等人设计了便于携带的无线多通道表面肌电信号采集系统 [7]。虚拟仪器具有很高的可扩展性与灵活性功能易于拓展与更改，借助虚拟仪器技术可以设计集成性高和开放性好的信号显示系统[8]。基于双微控制器（MCU）的简易数字示波器设计充分发挥了高速模拟数字转换（ADC）芯片的性能，稳定可靠且成本低[9,10]。叶秀羲等人提出基于USB总线的虚拟数字存储示波器，其精准度高且支持增改软件功能。杨进宝等人提出的基于SOPC系统的虚拟示波器，其设计操作简易。2017年李向明提出了一款基于Matlab的表面肌电信号处理软件，其拓展性好、实用性强[12]；同年朱安阳等人针对电刺激治疗效果的评估需要设计了基于STM32的表面肌电采集系统，其精准率高，并能适用于康复治疗[13]。
1.2本课题的研究内容
肌电信号虽然具有如此重要的研究意义及价值，但人体的体表肌电信号极其微小、随机不稳定且易受干扰，加大了测量的难度，因此如何在实际应用中做到有效提取sEMG是值得我们关注的事情，这样后续才能显示研究EMG信号从而解决生理疾病等问题。本课题主要针对手臂的表面肌电信号进行采集进行放大滤波并在PC机上进行图形的绘制从而构成一个简易的肌电信号示波器，用来观测肌电信号的产生以及变化，具体研究内容如下：
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/dzxx/dzkxyjs/65.html
