体表呼吸肌肌电信号采集和分析.pdf

图 1膈肌 EMG 信号获取实验系统收稿日期：1999-05-21作者简介：翁剑枫，工学硕士，讲师。龙胜春，工学硕士，讲师。文章编号：1000-6974（2001）04-0200-04体表呼吸肌肌电信号采集和分析翁剑枫1，龙胜春21.中国计量学院机电学院（浙江，杭州，310034）2.浙江大学（浙江，杭州，310013）提要介绍对婴儿呼吸肌（膈肌）的表面肌电信号的采集与分析，利用 ECG 表面电极获取混有 ECG 信号的婴儿呼吸肌肌电信号，通过信号处理技术，滤掉 ECG 的 QRS 波、以及 P、T 波的干扰，检测出呼吸肌的 EMG 信号，进而获得婴儿呼吸功能发展的准确的判断。临床实验显示，用呼吸肌的体表 EMG 信号监测呼吸的方法是可行的，而且比现有的常规方法更具实时、直接，该系统可望作为人体肺功能发展的新型监测方法。关键词肌电信号，心电信号，呼吸肌（膈肌），呼吸功能中图分类号：R318.6文献标识码：APicking up and Analysis of the Surface Myoelectric Signals of Respiratory MusculeWENG Jian-feng1，LONG Sheng-chun21.The Metrology Institute of China2.Zhejiang UnivisityAbstractIn this paper，we introduce the technique used to obtain the surface diaphragmatic EMG and monitor respiratory activity.Thesignals are picked up from the ECG electrodes.By using an ECG masking system based on a digital processor，the dominant effect of the ECG（that is R-wave，P-wave and T-wave）was removed.Initial clinial measurements indicate this EMG method is more direct and effective thanothers for monitoring respiratory activity.It is hoped that this method can be used to monitor the development of respiratory function.Key wordselectromyographic（EMG）signals，ECG signal，respriatory muscule（diaphragm），respriatory function早产婴儿或病婴的呼吸功能的监测是一项重要的医疗处理，医生根据婴儿的呼吸功能的发展或恢复，可判别监护婴儿是否在向好的方向发展。由于人体呼吸活动与呼吸肌功能的关系最为密切，呼吸肌中膈肌又是最重要的，通过对膈肌的EMG 信号测量来监测婴孩的呼吸活动，在理论上是最可靠和准确的。但是，由于人体的膈肌 EMG信号一般采用有创提取的方法，而膈肌表面 EMG信号又受到心脏 ECG 信号的强大干扰，因此，利用膈肌表面 EMG 信号监测人体呼吸功能的方法尚未成为临床实用手段。本文介绍了一个实验系统，利用 ECG 表面电极无创地获取婴孩膈肌的表面信号，通过现代信号处理技术，自动剔除婴儿 ECG 信号的强干扰，检测出膈肌的表面 EMG 信号，其可靠性可用同时发生的呼吸气流信号进行比对后证实。1 呼吸肌 ECG 信号的获取采用 ECG 表面电极，无创提取呼吸肌 EMG 信号，先在肌表面获取混有 ECG 信号的表面原始电生理信号，然后经过模拟和数字的技术处理，得到膈肌EMG 信号。实验系统的框图如图 1 所示。两个ECG 表面电极放在婴儿的第六和第七肋骨之间两侧（沿乳头一线，又刚好低于手臂的凹部）的表面，该处002中国医疗器械杂志Chinese Journal of Medical Instrumentation2001 年25 卷第 4 期的膈肌 EMG 信号最大，而手臂的 EMG 信号又最小，第三个表面电极安置在婴儿的左腿作为参考电极，由三个 ECG 电极拾取信号。由于表面电极获取的 ECG 信号峰-峰值通常为1mV，大部分功率谱落在 0-40Hz 范围内，其中 ECG中的 R-波的功率谱在 10-20Hz 内，而膈肌 EMG 信号的峰值为 20uv，其功率谱位于 0-250Hz 之间，因此原始信号一路经过 10 20Hz 的带通滤波器后，获取了 ECG 中的 R-波分量，又经平方器后确定 R-波的相对幅度增量，得到一个 ECG 信号 R-波分量的阈值设定值；同时，原始信号另一路经过 50 250Hz的带通滤波器后，得到一个膈肌 EMG 信号的估计信号，注意，ECG 信号成分中的 P 波和 T 波经 50 250Hz 的带通滤波器后影响大大减少，可以忽略不计，因此这个信号基本上可认为是实际的呼吸肌（膈肌）的 EMG 信号，可由经过检波电路的该路信号获得呼吸波形。两路信号最后通过信号调理器缓冲并限幅于 0 5V 的输出信号，经 A/D 转换器成为数字信号，进入数字系统，整体框图如图 2 所示。图 2呼吸肌 EMG 信号采集和分析系统结构总框图2 呼吸肌 EMG 信号的处理在婴儿身上无创地获取膈肌 EMG 信号会受到ECG 信号的干扰，这是一个主要的技术问题，而且ECG 信号中的 R 波信号幅值要比体表膈肌 EMG 信号幅值超过 100 倍。因此，只有根除或较大幅度地降低 ECG 信号幅值，才能可靠地监测到膈肌 EMG信号。具体步骤如下：首先，调整 EMG 模拟通路的放大器增益，使EMG 输出在最大值范围内变化，一旦 ECG 发生，可使放大器处于饱和状态，当然，EMG 信号中仍然残留相当部分的 ECG 能量，但其变化的幅度范围与EMG 信号相比可以忽略不计，不会使放大器发生饱和现象。实验系统首先采用阈值触发技术检测原始信号中的 ECG 信号，并标识 QRS 合成波形出现的时期，然后在原始的 EMG 信号中去掉 ECG 出现的部分，假定 EMG 信号在检测周期内变化不明显，根据EMG 信号的连续性，可以接上前一段的 EMG 信号，得到一个去掉 ECG 信号影响的膈肌 EMG 信号。如图 3 所示。图 3表面横膈肌 EMG 信号的处理结果：（a）优化的 R-波；（b）去掉 QRS 波的 EMG 信号；（c）构成 EMG 数字信号图 4ECG 信号 QRS 时期的标识数字处理系统主要以 68HC11 为核心的八位单片机控制系统，该处理器自身带有四通道的 A/D 转换器、一个 20 2 LCD 显示控制和一个八位的 D/A转换器。软件用适合硬件高速控制和信号处理的汇编语言编写，其软件流程总体思路如下：输入信号通道 1 和通道 2 以 1KHz 的采样频率采样后储存，再将通道 2 的信号延时 20ms（t2-t1）后储存，这 20ms 的延时足够单片机对通道 1 信号进行 R-波检测，如果通道 1 的信号幅值超过设定阈值 10ms 之久，就确定该信号为 ECG 的 R-波，这样的条件可以降低由于噪声引起的误触发的概率，如图 4 所示。一旦检测到 R 波，就将通道 2 的 EMG信号标识出来，然后用原来存好的 t1-（t3-t1）时间内的 EMG 信号代替从 t1到 t3时间的信号，最后通过低通滤波器平均后输出数字化处理过的 EMG 信号。其中断软件流程如图 5 所示，主程序中，初始化系统后，每毫秒中断一次，然后根据键盘功能键的状态进行信号的输出与显示。1022001 年25 卷第 4 期中国医疗器械杂志Chinese Journal of Medical Instrumentation图 5中断流程图：n=采样序号；x=t1；y=t3；ecgdet=ECG 标识符；ecgth=ECG 阈值；Masktime=ECG 标识期；ecgcount=ECG 发生时期；ecgpre=ECG 测量值；max=ECG 最大值数字系统的工作过程：当检测到 QRS 波形出现时，单片机就转换到非滞后工作方式，保证标识出QRS 出现时期，一旦完成 QRS 标识，单片机又回到滞后工作模式，显示连续的 EMG 信号波形。整个系统用 ECG/EMG 信号模拟器试验，调节 t1和 t2给单片机。3 实验结果临床测试中，首选有呼吸缓慢症状的婴儿，信号获取的主要噪声来自婴儿的 ECG 信号，但它们有不同的节律，婴儿心率的典型值为 150 次/分，呼吸率为 50 次/分。呼吸肌 EMG 信号是在婴儿熟睡或明显不动时202中国医疗器械杂志Chinese Journal of Medical Instrumentation2001 年25 卷第 4 期获得的，当婴儿活动时，由于周围的 EMG 信号淹没，就很难用呼吸肌的 EMG 可靠监测人体呼吸活动。然而活动的婴儿 EMG 记录中，会由于运动造成幅值明显增大，反而因此可以鉴别。图6（a）ECG 通道检测到的 R-波；（b）从腹部呼吸监视仪获得的呼吸波形；（c）该系统检测到婴儿的 EMG 经低通滤波后的波形。图 6 是一个没有接入呼吸机的婴儿的典型波形，比较图 6 的（b）和（c），显示它们之间有相关性。图 7 是用此方法对一位接呼吸机的婴儿作的测试结果，从检测到的横膈肌的 EMG 信号，可以看出，婴儿的膈肌活动是一个断续的 EMG 活动，它的幅度变化很宽，在某一点上会出现双重呼吸，此婴儿的呼吸信图 7接呼吸机婴儿的检测波形（a）呼吸机压力波形；（b）检测到的膈肌 EMG 活动号与呼吸机的通气时间的关系不明显，表明，此婴儿的自然呼吸节律可能低于呼吸机的激励节律。对接入呼吸机的婴儿的膈肌 EMG 检测，可以显示是一个断续的呼吸 EMG 信号，说明 EMG 信号的无规律，这无规则的 EMG 波形不是因为去掉 ECG信号所致，要知道无规律与 ECG 的节律性是不相关的，无规律的 EMG 波形暗示婴儿的呼吸活动不连续性，从医学角度来看，这与该婴儿的呼吸功能不完善或有呼吸问题的病因相吻合。4 结论该实验系统利用 ECG 表面电极，获取混有 ECG信号的婴儿呼吸肌肌电信号，通过上述方法的处理技术，能够滤掉 ECG 的强干扰，检测出呼吸肌的EMG 信号。实验显示，提取的呼吸肌的 EMG 波形提供了关于婴儿实际呼吸的进一步信息，显示了呼吸肌在监测婴儿呼吸系统的早期发展的重要意义。实验结果提示，如果能够测出每个 QRS 波的时长，由此连续自动地设置 QRS 标识时间，将减少由标识引起的 EMG 损失。参考文献1 汤晓芙编著.“临床肌电图学”.北京医科大学中国协和医科大学联合出版社.1995 年 9 月.2 P.C.W.Pang et al.Monitoring respiratory activity in neonates usingdiaphramatic electromyograph.Medical&Biological Engineering&com-puting.May 1995.385-3893 Han-Go Choi et al.Multiresolution Segmentation of Respiratory Elec-tromyographic Signals.IEEE Trans BME.1994，41（3）：!257-265（上接第 220 页）转换器 AD9708 的同时，也不断地写入 VRAM 之中，此时 VRAM 内保持的数据总是对应于最新的图像内容。当要求冻结图像时，Freeze 信号转为高电平，在下一个帧同步信号到来时，控制器将/OE 置高电平，切断了来自 A/D 转换器的数据；628128 的WR端也被接于高电平，VRAM 处于读出状态，经 AD9708输出的数据代表冻结前的最后一帧图像。本电路的图像采集密度为 512 512，实际的最大数据采集速度可以达到 10 12Msps 以上。当使用存取时间达到 10 15ns 的高速存储器时，数据采集速度可以达到 30 60Msps，能够满足速度更快的大容量数据采集的要求。系统的功能转换比较方便，只要重新设计 ispLSI1024 的内部逻辑，很容易将本电路改变为大容量的波形冻结/捕捉器。对电路作适当修改后，可以用来组成电视扫描线倍增器，或电视帧频倍增器。参考文献1 毕存杰等.图像通信工程.人民邮电出版社.北京.19552 Texas Instruments Incorporated.TLC5510 Datasheet.19963 Analog Devices Inc.AD9708 Datasheet.19974 Lattice Semiconductor Corporation.Lattice Semiconductor Data Book.19963022001 年25 卷第 4 期中国医疗器械杂志Chinese Journal of Medical Instrumentation