关于表面肌电信号的降噪处理
基于谱插值与经验模态分解的表面肌电信号降噪处理
谱插值 法来 削弱 工频干扰 以避免 工频 处的肌 电信 息成 分丢 失 ， 选取通 过 经验模 态分 解 （ ｍ ｉｃｌ ｄ ｅｏ － 再 ｅ ｐｒ ａ ｍｏ ｅｄ ｃｍ ｉ ｐｓ ｉ ， ＭＤ） ｏｉｏ Ｅ ｔｎ 方法获得 的 内在模 态函数 （ｎｒ ｓ ｏ ｅｆｎ ｔｎ ＭＦ 分量作 小波软 阈值 分析 ｉ ｉ ｉ ｍ ｄ ｃｏ ，Ｉ ） ｔｎ ｃ ｕ ｉ 并将部 分明显 的 低频 Ｉ ＭＦ干扰分量及 冗余 分量去 除， 然后对 相应 Ｉ ＭＦ分 量进 行重构便 可得到 降噪 处理后 的 ｓ ＭＧ信 号。仿真和 Ｅ
ｔ ｎｃ ｃ ｎｅ Ｔｃｎｌ ｙ ｎ ｅ ｉ Ｓｉ ｅ＆Ｔｃｎｌ ｙｏ ｈｎ Ｈｆｉ ３ ０ ７ ｈｎ ） ｒ ｉＳｉ ＆ ｅ ｏ ｇ ，Ｕ ｉ ｒｔ ｏ ｃ ｎ ｏ ｅ ｃ ｈ ｏ ｖ ｓｙｆ ｅ ｃ ｅｈｏｏ ｇ ｆＣ ｉ ａ， ｅ ０ ２ ，Ｃ ｉ ｅ２ ａ
Ａ ｓｒｃ：Ｔ ｉ ｐｐｒｎｒｄｃｄａｃｍ ｉｅ ｅ ｏ ｆ ｐｃ ｕ ｔｒｏ ｔ ｎａｄｅ ｐｒ ａ ｍ ｄ ｅｏ ｐ ｓｉ Ｅ ｂｔ ｔ ｈｓ ａｅ ｔ ｕｅ ｏ ｂ ｄｍ ｔ ｄｏ ｓｅｔ ｍ ｉ ｅ ｌｉ ｎ ｍ ｉｃｌ ｏ ｅｄｃｍ ｏｉｏ ａ ｉ ｏ ｎ ｈ ｒ ｎ ｐ ａｏ ｉ ｔ ｎ（ ＭＤ）ｔ ｏ ｅｐｏ ｅｎｉ ｄ ｃｏ ｆ ｕ ａｅｅ ｃ ｏ ｙｇａｈ ｓ Ｍ ｘｌ ｅｔ ｏ ｅ ｅｕｔ ｎｏ ｒ ｃ ｌ ｔ ｍ ｏｒｐｙ（Ｅ Ｇ）ｓ ｎ１ ｃｏ ｉ ｅｓｅｔ ｍ ｉｔ ｐｌｉｎ ｕ ｔ ｃ ｄ ｒ ｈ ｓｒ ｉ ｓｆ ｅｒ ｉ ａ．Ａ ｃｒ ｎ ｔ ｔ ｐｃ ｕ ｅ ｏ ｔ ，ｓｂｒ ｔ ｇ ｄ ｇ ｏｈ ｒ ｎ ｒ ａｏ ａｅ
真 实信号 的降噪 实验 结果表 明 ， Ｍ ｓ Ｇ信号质 量能够得 到有效提 高 ， Ｅ 所采用方 法具有较好 的 ｓＭ Ｅ Ｇ信 号噪 声抑制
高精度表面肌电信号检测电路的设计要点
高精度表面肌电信号检测电路的设计要点肌电信号（Electromyography，简称EMG）是人体运动产生的生物电信号之一，它包含了人体肌肉的活动信息，对于运动控制研究和康复医学具有重要意义。
为了准确地测量表面肌电信号，需要设计一种高精度的肌电信号检测电路。
本文将介绍设计这种电路的要点。
一、信号放大器设计1. 增益选择：针对表面肌电信号的微弱特点，需要选择适当的放大倍数。
通常情况下，增益应在1000～2000之间，以充分放大信号且避免过度放大引起的干扰。
2. 噪声抑制：为了提高测量信号的信噪比，可以采用差分放大电路来抑制共模噪声，同时通过滤波器技术去除高频噪声。
3. 输入阻抗：应选择适当的高输入阻抗以减小电极接触阻抗对信号测量的影响。
二、滤波器设计1. 带通滤波器：为了消除噪声和干扰，需要设计一个带通滤波器，将信号限制在感兴趣的频率范围内。
通常选择10 Hz至500 Hz的通道带宽。
2. 噪声高频截止滤波器：为了进一步去除高频噪声，可以添加一个高频截止滤波器，通常将截止频率选取在500 Hz以上。
3. 采样率选择：为了充分还原原始信号的细节，采样率应选择为采样频率的两倍以上。
三、电极设计1. 选择合适的电极材料：应选择导电性好、与皮肤接触良好的材料作为电极，如银/银氯化银电极。
2. 电极间距：电极间距需要适当，一般在2~4厘米之间，以兼顾测量信号的质量和人体舒适度。
3. 抗干扰能力：电极的设计应具备较好的抗干扰能力，以避免外界电源干扰对测量结果的影响。
四、参考电极设计1. 参考电极的选择：为了保证信号的稳定性和一致性，通常会选择一个参考电极与测量电极配对使用，参考电极可以选用身体其他部位的电极。
2. 阻抗匹配：参考电极和测量电极之间的阻抗应匹配，以减小干扰信号对测量的影响。
五、抗干扰设计1. 屏蔽设计：为了防止来自外界的电磁干扰，需要对电路进行屏蔽设计，例如使用金属屏蔽罩或层压板。
2. 接地设计：良好的接地设计可以有效减小干扰信号对测量结果的影响。
如何应对表面肌电信号检测电路中的信号失真问题
如何应对表面肌电信号检测电路中的信号失真问题表面肌电信号（Surface Electromyography，简称sEMG）检测电路中的信号失真问题一直是该领域的研究热点之一。
sEMG技术可用于获取人体肌肉活动的电信号，广泛应用于运动医学、康复工程和人机交互等领域。
然而，由于多种原因，sEMG信号在检测过程中容易受到干扰和失真。
本文将探讨如何应对表面肌电信号检测电路中的信号失真问题，并提供一些解决方案。
一、信号失真的原因分析1. 电极接触不良：电极与皮肤之间的接触不良是导致信号失真的主要原因之一。
接触不良可能是由于电极表面附着物、皮肤表面脏污或电解质干涸等原因引起的。
2. 电源电压波动：电源电压波动会导致检测电路中的信号失真。
当电源电压不稳定时，会影响到信号放大器的工作和输出结果。
3. 噪声干扰：环境噪声和电气噪声都会对sEMG信号的质量产生影响。
环境噪声来源于外部环境的干扰，如电源线和电子设备的辐射。
电气噪声则是由于电路、电源等元件的设计不佳引起的。
二、应对表面肌电信号检测电路中信号失真问题的解决方案1. 电极选用与电极贴附技巧：选择合适的电极对信号质量至关重要。
应选择具有良好导电性能、低噪声和长时间稳定性的电极。
同时，应保证电极与皮肤接触良好，可以通过用擦净皮肤、加湿、使用电极贴片胶带等方法来提高接触质量。
2. 信号放大器设计：优化信号放大器的设计可以减小信号失真。
采用低噪声放大器、防干扰设计和有效的滤波技术等手段可以提高信号放大器的性能。
此外，合理选择电源电压、采用稳定的电源电压来源也能减小电源电压波动对信号质量的影响。
3. 噪声滤波技术：应用滤波技术可以去除环境噪声和电气噪声。
常用的滤波器包括低通滤波器、带通滤波器等。
选择合适的滤波器类型和参数可以将噪声滤除，提高信号质量。
4. 数据处理方法：合适的数据处理方法可以改善信号失真问题。
例如，使用差分放大技术可以消除共模噪声；采用数字滤波器可对数模转换进行滤波和降噪等。
利用小波变换对表面肌电信号的消噪处理研究
关 键 词 ： 面肌 电信 号 ； ａｌ ； 波变换 ； 表 Ｍ ｔｈ小 ａ 消噪 ； 阈值 中 图分 类 号 ： Ｐ ７ ． Ｔ ２ ４２ 文 献 标 识 码 ： Ａ 文 章 编 号 ：０ ３ ０ ０ （ １）４ ０ ０ － ２ １０ － １ ７２ １ － ０ １ ０ ０ ０
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即 ｛． Ｖ】 中的 每 一 个 向 量 也包 含在 ｛， 中 。则 ｛， ｛． 中 Ｖ。 ＋ Ｊ 、 在 、＋ ， ｝ ，。 ｝
分析和信号时频分解 中， 程 上广 泛应 用的是二进 尺度离 散
小 波 变换 。考 虑 平 方 可 积尺 度 函数 （满 足 ： ｘ ）
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（ ４ ）
对 于 每一 个构 成 的 ｉ南 集 合 ： Ｊ构 成 的 尺度 空 间 Ｖ ， 妒ｌ ： 为 Ｌ Ｒ 的子 空 间 ， １） 随着 ｉ 增 长 ， 如下 关 系 ： 的 有
摘 要 ： 肢做 屈伸 运 动时 ， 集肱 二 头肌 群的 表面 肌电 信号 ， 后 采用 小 波变 换 的方 法 ， 用 Ｍａ ａ 上 采 然 应 ｔ ｂ软 件 ， ｌ 对 表面 肌 电信号进 行去 噪处 理 。 去噪 结果 的分析 表 明， 于小 波分解 后获 得 的不同频 段 的信号 才用不 同 的 对 对
Ａｒｉ ｌ １ ３ ｔｃ ｅＩ ００ －０１ （ ０１ ） —０ ０１ ２ Ｄ： ０７ ２ ０４ ０ 一Ｏ １
１引言
表 面 肌 电信 号 （ ＭＧ是 产 生 肌 肉 力 的 电 信 号根 源 ， ｓ Ｅ ） 在生 物 机 理 上 它是 许 多 运 动单 元产 生 的 动 作 电位 序 列 的 总 和 。 信 号 在一 该 定 程 度 卜 够 反 映 运 动 单 位 的活 动模 式 和 肌 肉 功 能 的 状 态 。 目 能 其 中 ， 称 为尺 度 因子 ， 尺度 的变 换 包 含 信 号 的 高 频 成 ａ 小 分 ，大 尺 度 的 变换 包 含 信 号 的低 频 成 分 ； 称 为平 移 因子 ， ｂ 它 就 是 关 于 时 间 的 系 数 ， 定 了 小 波 变换 的 时 域 信 息 。 多 尺 度 决
表面肌电信号检测电路的噪声处理与信号恢复策略研究
表面肌电信号检测电路的噪声处理与信号恢复策略研究随着科技的不断进步，表面肌电信号检测技术被广泛应用于医疗、运动训练、人机交互等领域。
然而，在实际应用中，由于环境中的噪声、电极与皮肤之间的接触问题以及信号幅度的较小等因素的影响，表面肌电信号的质量常常难以保证。
针对这些问题，噪声处理与信号恢复策略的研究变得尤为重要。
本文将分析表面肌电信号检测电路中存在的噪声问题，并探讨针对这些噪声的处理与信号恢复策略。
一、噪声来源的分析表面肌电信号检测电路中的噪声可以分为内部噪声和外部噪声两种类型。
1.内部噪声内部噪声主要来自于电路本身的元器件、放大器等部分。
这种噪声主要由热噪声、1/f噪声以及量化噪声等组成。
其中，热噪声是由于电子随机热运动引起的，而1/f噪声则是由于电荷的随机重新分布造成的。
量化噪声则是在信号处理过程中引入的。
2.外部噪声外部噪声主要来自于电源、环境以及电极与皮肤之间的接触等。
电源噪声主要是由于电源本身的波动造成的，环境噪声则是指来自于其他设备、电磁辐射等方面的干扰。
二、噪声处理策略在表面肌电信号检测电路中，噪声处理策略的确立对于信号质量的提高至关重要。
以下是几种常见的噪声处理策略：1.滤波技术滤波技术是一种常用的噪声处理方法。
可以采用低通滤波器对信号进行滤波，去除高频噪声，同时保留低频信号。
此外，还可以采用带通滤波器对特定频率范围内的信号进行滤波，以去除其他频率范围的噪声。
2.信号增益由于表面肌电信号的幅度较小，因此可以通过信号增益的方式来增加信号的幅度。
这可以通过调整放大器的增益参数来实现。
然而，过高的增益可能会同时放大噪声，在应用中需要平衡信号和噪声的选择。
3.噪声抑制算法噪声抑制算法是通过数学方法对噪声进行分析和处理，以提高信号质量。
常见的噪声抑制算法有小波降噪、自适应滤波等。
这些算法可以根据噪声的特征对信号进行分析，进而消除或抑制噪声。
三、信号恢复策略除了噪声处理之外，信号恢复也是提高表面肌电信号检测电路性能的重要手段。
表面肌电检测中消除工频干扰的方法
（。）＝ＡＦＴ ［ｓ （ ｎ）］，将源自ｓ（士。。）处的幅值用器：
１一 ２ｃｏｓ（ｍｏ）ｚ Ｈ（ｚ）二 １一２ｒｅｏｓ（ｍａ）ｚ
（２）
其中 。。是相应于噪声干扰中心频率处的角频率。 Ｔ扰是 ５０Ｈ：时，ｍａ＝ １ ００／ＳＲ，其中 ＳＲ （ｓａｍｐｌｉｎｇ
ｒａｔｅ）为采样频率。 工 频 干 扰 稳定在 ５０Ｈｚ不变时 ，应用 ５０Ｈｚ陷波
器是 消除工频＋扰最简单的方法 ，但是工频干扰 的
大 ；非固定零极 点的 ＩＩＲ陷波器 ，可以跟踪 干扰噪 通过 ｐ （ｒｏｃ＋ ｄａ）， ｐ （。。一ｄｗ） ，内插得到 ｐ
声 频率 的变化 消除噪声 ，同时其带宽小 ，附近信号 几乎不受影响 ，可 以取得较好 的效果
〔。。），其中 ｄ－ 是频率分辨率。 （３）对整个 信 号 ｓ （ｎ）进 行 离散 傅立 叶 变换 ，ｓ
电磁波隔离 于测试 系统之外 ，在肌电测量中没有条
件也没有必要对人体进行屏蔽 ，但可以对导联线与
前置放大器采取适 当的屏蔽措 施，将 前置放大单独
做成一个电路板 ，放到金属盒 内进行屏 蔽处理。
前 置 放 大器应该尽可能靠 近电极 ，最好将前置 放大和电极做在 一起构成 电极单 元 ，提 高信噪 比。 由于测量时 电极之 间距离较 近，工频 干扰一般表现 为共模电压信号 ，可 以通过 采用差分结构提高放大 系统的共模抑制 能力加 以抑 制 ，如图 １所 示电路结
干扰，ＦＩＲ陷波器可以消除工频干扰，但是由于其 信号 ， （ｎ）进行傅 里叶变换 ，计算 出 ；（ｎ）的平
带宽 大 ，同时衰 减 了周围有 用信 号 ；固定零 点 的 均功 率谱 尸 （。），。〔 （一二，ｒｒ）
表面肌电信号测试中工频干扰的抑制
表面肌电信号测试中工频干扰的抑制X罗志增任晓亮(杭州电子工业学院杭州310037)摘要介绍了一种表面肌电信号( EMG) 测试调理电路和信号处理的方法。
表面EMG测量中最难处理的问题之一是工频(50Hz) 干扰,它处在有效的肌电信号频带之中。
针对表面EMG的测量特点设计了一种信号调理电路,使肌电信号和工频信号并行单独处理,避免了不加区分地采用工频陷波器,这一设计思想在实际的肌电信号检测时取得了较好的实验结果。
关键词表面肌电信号工频干扰信号处理Power Frequency Noise Restraint in Surface Electromyography MeasurementLuo Zhizeng Ren Xiaoliang( Hangz hou Institute of Elect ronic Engineering , Hangz hou 310037 , China)Abstract A surface electromyography ( EMG) detection and processing circuit is discussed. The surface EMGis usuallydisturbed by power frequency noise. In that cases , it is a problem , because the surface EMGis confused with power fre2quency noise. A processing circuit for the measurement of surface EMGis designed by using a parallel structure respec2tively for EMG signal processing and power frequency noise processing. It can be avoided that a 50Hz trap filter abused.The experimentation proved the developed circuit was effective.Key words Surface EMG Power frequency noise Signal processing1 引言肌电信号( EMG) 是一种伴随肌肉运动而产生的生物电信号,表面EMG 则是通过检测手段获取的肌肉外表皮肤上的电信号。
表面肌电信号检测电路的抗干扰能力研究与改进
表面肌电信号检测电路的抗干扰能力研究与改进随着科技的不断发展，人们对人体肌肉运动的研究也越来越深入。
表面肌电信号检测电路作为测量肌肉运动的一种常用方法，却常常受到来自外界环境的干扰。
本文将探讨表面肌电信号检测电路的抗干扰能力，并提出改进措施，以提高信号的准确性和稳定性。
一、背景介绍肌肉运动产生的电活动可以通过表面肌电信号检测电路进行测量和分析。
然而，由于环境因素的影响，如电源噪声、电磁辐射、电极接触不良等，导致测量结果的准确性受到一定的限制。
因此，提高表面肌电信号检测电路的抗干扰能力具有重要的研究意义。
二、干扰源分析1. 电源噪声：电源中的高频噪声会通过电路传导到检测电极上，影响信号的准确性。
2. 电磁辐射：周围电子设备的辐射会对电路产生电磁干扰，干扰信号被混入到肌电信号中，导致测量结果不准确。
3. 电极接触不良：电极与皮肤接触不良会引入噪声信号，影响信号的稳定性和准确性。
三、抗干扰方法研究1. 电源隔离：通过使用隔离变压器或电源滤波器，可以有效隔离电源噪声，提高信号的准确性。
2. 屏蔽设计：采用金属屏蔽罩或屏蔽材料，有效减少电磁辐射的干扰。
3. 差分放大器：使用差分放大器可以抑制共模干扰信号，提高信号的稳定性。
4. 电极改进：改进电极设计，提高电极与皮肤的接触质量，减少接触不良引入的噪声信号。
四、实验验证与改进方案1. 实验设置：搭建表面肌电信号检测电路实验平台，添加不同干扰源进行干扰测试。
2. 抗干扰能力评估：根据测量结果的准确性和稳定性，评估不同抗干扰方法的效果。
3. 改进方案：根据实验结果，结合抗干扰方法的效果评估，提出相应的改进方案。
五、实验结果与数据分析通过实验验证，我们发现采用电源隔离和屏蔽设计可以显著提高表面肌电信号检测电路的抗干扰能力。
在电极改进方面，使用导电胶布与金属电极相结合的方式可以提高电极的接触质量，减少接触不良引入的噪声信号。
六、结论与展望本文通过研究表面肌电信号检测电路的抗干扰能力，提出了多种抗干扰方法，并在实验验证中得到了有效的改进方案。
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关于表面肌电信号的降噪处理
摘要目的：本文重点讨论了SEMG去除频带外噪声的问题。
方法：根据SEMG的幅值频率特性，利用幅值频率可调振荡器做信号源，分析由低通和高通滤波器串联组成的带通滤波器的除噪效果。
结论：本文设计的带通滤波器能够有效放大频带内信号和消除频带外噪声，提高了SEMG的质量。
关键词SEMG；幅值频率可调振荡器；带通滤波器
0 引言
SEMG具有低频性、微弱性和交变性等特点，频率范围大致为10Hz～500Hz，信号能量主要集中在50Hz～150Hz[1]。
从皮肤表面检测到的SEMG通常只有mV 级甚至uV级，与噪声幅值相比，要低两三个数量级[2]，因此如何从强大的噪声中提取更为有效的信号成为研究SEMG的关键技术之一。
为了使验证过程方便，滤波效果直观，本文利用频率幅值可调振荡器代替SEMG作信号源，主要验证带通滤波器滤除频带外噪声的效果。
1 幅值频率可调振荡器介绍
如图1所示，该电路是频率幅度可调正弦波振荡电路。
调整电位器R12可改变输出正弦波形的幅值，调节R4和R8可以改变输出波形频率，频率的调节不影响振幅的稳定性[4]。
电路振荡频率为，本次设计需要的频率范围是2Hz-1kHz。
实验中，调节输出幅值至200mv，此时符合SEMG初级放大后的幅值。
1.1 滤波器设计选型
根据SEMG的频率特性，滤除频带外噪声的带通滤波器的通频带应为10Hz～500Hz。
有源带通滤波器的构成方法有两种：一种是采用单个集成运放构成的压控电压源二阶带通滤波器；另一种是将低通滤波器与高通滤波器串联得到的带通滤波器。
本文采用第二种方法，原因如下。
假设采用第一种方法：已知带通滤波器截止频率，通带放大倍数：；中心频率：①
品质因数：②；通频带宽：③[5] ；由①②③式得：；由，得：；所以使用这种方法的必要条件：。
本文中设计的带通滤波器要求：，明显不满足使用此方法的条件。
所以本设计采用第二种方法来构造带通滤波器。
1.2 低通滤波器
采用压控电压源二阶低通滤波器[5]，令，已知：特征频率：；品质因数：；
时，不产生自激震荡，取，此时；电压放大倍数，设截止频率为fp，根据其定义，令，得：，令，可求得RC的值，为R，C选取合适的参数就可得到截止频率为500Hz的低通滤波器。
用Multisim仿真出幅频特性图，鼠标拖动垂直光标，可以测得相应位置数据。
测得：通带增益为7.959dB
f=f0=337Hz处，幅值增益为13.951dB；f=fp=500Hz处，幅值增益为4.959dB，符合计算的理论值。
1.3 高通滤波器
采用压控电压源二阶高通滤波电路[5]，电路参数计算和选取与压控电压源二阶低通滤波器类似，电路的品质因数：Q=2；特征频率：，截止频率：fp≈0.6736f0≈10Hz；用垂直光标测量幅频特性曲线：通带增益为7.959dB；f=f0=14.85Hz处，幅值增益为13.963dB；f=fp=10Hz处，幅值增益为4.906dB ；
1.4 带通滤波器
将上述低通与高通滤波器串联，得到通频带为10Hz-500Hz的带通滤波器。
用Multisim仿真可得出幅值特性曲线。
将振荡电路输出端接到带通滤波器的输入端，用螺丝刀调节振荡器中R4和R8改变振荡器输出频率，带通滤波器输出端接示波器观察输出波形的幅值和频率。
在每十倍频中均匀选取频率点来测量幅值，计算出相应频率的放大倍数与增益衰减。
测量十次并取平均值如下表I所示：
根据表中数据，用Matlab使用三次样条差值法对这些实际测量到的数据进行曲线拟合，得到如右图2所示的曲线，与用Multisim对滤波电路仿真得到的幅频特性曲线是吻合的。
2 结论
由以上分析可知：在SEMG采集系统中，对于10Hz-500Hz带通滤波器的设计，单个放大器芯片组成的压控电压源二阶带通滤波器不符合设计要求，本文选取了压控电压源二阶低通滤波器和高通滤波器串联构成的带通滤波器，通过Multisim对原理电路仿真、实际电路数据测量结合Matlab拟合曲线的方法，验证了本设计有比较理想的放大频带内信号和去除频带外噪声的作用。
其优点是电路简单，成本低；缺点是电路对元器件的精度和匹配要求较高，否则对电路的选频特性会有一定的影响。
参考文献
[1]基于SEMG 信号的外骨骼式机器人上肢康复系统研究李庆玲哈尔滨工业大学工学博士论文，2009，6.
[2]邹晓阳.动作SEMG的非线性特性研究.上海交通大学工学硕士论文，2012，2.
[3]付聪，李强，李博.SEMG采集与降噪处理.现代生物医学进展，V ol.11 No.20 OCT.2011：3951-3953.
[4]任骏原.RC桥式正弦波振荡电路的输出幅值分析.电子设计工程，V ol.21 No.14 Jul，2013：107-110.
[5]童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].4版.北京：高等教育出版社，2006：364-370.。