糜超 陈阳 邹凌

摘 要： 为了利用表面肌电信号自动检测肌肉疲劳状态，设计一套8导联表面肌电采集系统。该系统主要包括模拟前端放大电路、主控模块和电源模块三部分，并研究了肌肉疲劳与正常状态下表面肌电信号的特征提取及分类方法。实验表明：自行设计的放大器分辨率为38.1 μV，系统噪声小于15.3 μV，采样率达到1 000 Hz，功耗约为30.7 mW；使用该放大器采集肌肉疲劳与正常状态下肌电信号，支持向量机分类的识别率高达98%。该系统具有体积小、精度高、功耗低及操作简便等优点，可用于家庭健康监护领域。

关键词： 表面肌电信号； 肌肉疲劳； 特征提取； 支持向量机； 放大电路； 健康监护

中图分类号： TN911.23?34； TP368.1； R318.6 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）20?0078?05

Abstract： An 8?channel sEMG acquisition system is designed to automatically detect the muscle fatigue status by using sEMG signals. The system mainly consists of the analog front?end amplifying circuit， main control module and power supply module. The feature extraction and classification method of the sEMG signal at the muscle fatigue status and normal status are studied. The experimental results show that the designed amplifier has resolution rate of 38.1 μV， system noise of smaller than 15.3 μV， sampling rate of as high as 1 000 Hz， and power consumption of about 30.7 mW； when the amplifier is used to collect the sEMG signal at the muscle fatigue status and normal status， the recognition rate of support vector machine （SVM） classification is as high as 98%； the system has the advantages of small size， high precision， low power consumption and easy operation， and can be used in the field of family health monitoring.

Keywords： sEMG signal； muscle fatigue； feature extraction； SVM； amplifying circuit； health monitoring

0 引 言

肌肉疲劳是当肌肉不能满足某一力量要求时的肌肉状态。連续强烈的肌肉收缩是导致肌肉疲劳的主要原因[1]，如帕金森疾病、内分泌紊乱、癌症、营养不良，以及长时间使用肌肉电刺激仪等都会引起肌肉疲劳。

表面肌电信号（surface Electromyography，sEMG）是人体肌肉发生收缩活动时产生的一种生理电信号，经常被用来评估肌肉活动状态。1890年Etienne Jules Marey第一次记录了肌肉活动的电信号。肌电信号是一种随机生理电信号，具有以下特点[2?3]：

1） 微弱性。肌电信号幅度范围一般在100～5 000 mV，均方根在0～1.5 mV；相比于针电极检测的肌电信号，表面肌电信号的幅度更小。

2） 低频特性。表面肌电信号能量主要集中在1 000 Hz以下，频谱主要集中在20～500 Hz之间，功率谱通常处在30～300 Hz之间。

3） 高阻抗性。当皮肤干燥、无损的情况下，人体的电阻可高达40～400 kW。……