肌电信号前端设计：噪声抑制与信号特性分析

本文主要探讨了肌电信号数据采集前端的关键要素，针对原始表面肌电信号的特点和人体表皮肌肉中可能遇到的干扰噪声进行了详细阐述。首先，肌电信号具有以下特性： 1. 微弱性：EMG信号，尤其是sEMG，是微伏级的生理信号，健康人的信号幅值通常在100-5000μV，收缩时可达到60-300μV，但因噪声干扰，放松时仅约20-30μV。对于偏瘫患者，信号更弱，可能低于350μV。 2. 低频性：EMG信号主要集中在20-500Hz，其中20-150Hz的能量最为集中，频率范围通常不超过1KHz。这决定了信号处理时需要选择合适的滤波频率。 3. 对称性和交变性：肌电信号由多个正弦波组成，近似高斯白噪声过程，其幅度与肌力成正比，肌肉的收缩和松弛与电压幅度密切相关。 4. 规律性和差异性：同一肌肉在不同动作下的信号特征具有相似性，但个体间、时间、部位及疲劳程度下的差异性也很大。 在实际采集中，干扰噪声主要包括： - 采集设备固有噪声：这是不可避免的，但通过提高设备精度可以减小影响。 - 移动伪迹噪声：电极位置变化或连线移动产生的噪声，可通过优化采集方案和滤波技术去除。 - 环境噪声：包括电磁辐射对电子设备的影响，需要考虑电磁兼容性设计。 文章接着介绍了肌电信号采集系统的设计，重点关注了前置放大电路（预放大）的作用，以及带通滤波电路和50Hz陷波电路在减少噪声方面的重要性。全差分放大电路作为主放大电路，能够提高信号的质量和抗干扰能力。整体来说，本文深入剖析了肌电信号数据采集前端的关键技术，为噪声抑制和信号质量提升提供了理论基础和实践指导。