表面肌电信号是肌肉收缩时产生的微弱生物电信号，能够反映神经肌肉的功能状态，其精准捕捉是肌电分析的基础。NORAXON Ultium EMG 表面肌电捕捉分析系统（以下简称“Ultium EMG系统”）作为一款多模式设备，凭借高保真数据采集能力、灵活的测量选项及严谨的信号处理机制，实现对表面肌电信号的精准捕捉与高效处理。本文将详细拆解该系统捕捉信号的完整流程、核心组件作用及技术原理，清晰呈现其信号捕捉的内在逻辑。
一、NORAXON公司与Ultium EMG系统概述
1.1 NORAXON公司简介
NORAXON公司专注于人体运动 metrics 与生物力学研究解决方案的研发与生产，拥有三十余年行业经验，始终致力于为科研、临床等领域提供可靠的肌电捕捉与分析设备。公司在表面肌电测量技术领域持续投入研发，其表面肌电测量仪器的信号处理技术已申请国际专利，能够有效克服干扰与噪声，为用户提供稳定、精准的数据支持。
NORAXON公司的产品设计注重实用性、模块化与便携性，兼顾多场景应用需求，Ultium EMG系统便是其核心产品之一，整合了多项成熟技术，实现肌电信号与运动数据的同步捕捉。
1.2 Ultium EMG系统核心定位
Ultium EMG系统是一款多模式表面肌电捕捉分析设备，核心功能是实现对人体表面肌电信号的精准采集、传输、处理与存储，同时具备灵活的测量选项，可适配多种运动生理数据的采集需求。该系统能够提供高保真数据，传感器每秒采样高达4000次，支持实时同步，表现出低基线噪声（<1 μV RMS）和最少的原生伪影，内置IMU（惯性测量单元）可同步记录EMG（肌电）和运动数据。
系统配置的SmartLeads（智能导联）可将EMG设备转变为适用于几乎所有类型运动生理数据的多功能传感器，并支持使用无损技术进行完整的数据恢复，每个Ultium传感器均享有终身电池更换服务。
二、Ultium EMG系统信号捕捉的核心组件及作用
Ultium EMG系统的信号捕捉能力，依赖于各核心组件的协同工作，每个组件都承担着关键角色，从信号拾取、初步处理到传输、存储，形成完整的信号捕捉链路。各核心组件的结构设计与功能设定，均围绕“提升信号保真度、减少干扰、增强灵活性”展开，确保捕捉到的肌电信号能够真实反映神经肌肉的活动状态。
2.1 表面肌电传感器
表面肌电传感器是Ultium EMG系统捕捉信号的核心执行部件，直接与人体皮肤接触，负责拾取肌肉收缩产生的微弱肌电信号。该传感器采用非侵入式设计，无需手术植入，可直接贴附于目标肌肉表面，实现无创伤的信号采集，适用于长时间、多肌群的动态信号捕捉。
传感器内置高精度检测元件，能够捕捉到微伏级的肌电信号，其基线噪声控制在<1 μV RMS，有效减少原生伪影对信号的干扰，确保原始信号的纯净度。同时，传感器具备24位内部分辨率，能够精准识别信号的微小变化，为后续信号处理提供高质量的原始数据支撑。传感器的设计兼顾便携性与稳定性，可适应不同身体部位的贴附需求，且具备良好的抗干扰能力，能够在复杂环境下保持信号采集的稳定性。
此外，传感器集成16g加速度计，配合IMU模块，可同步采集肌电信号与运动数据，实现肌肉活动与运动模式的关联分析，为用户提供更全面的生理数据参考。传感器内置存储模块，可实现超过8小时的数据存储，确保在无实时传输条件下，仍能完整记录信号数据，后续可通过相关设备导出数据进行分析。
2.2 SmartLeads智能导联
SmartLeads是Ultium EMG系统的核心辅助组件，采用专利设计，能够显著提升系统的测量灵活性与信号传输稳定性。该导联线采用屏蔽布线设计，可减少因导联线移动或弯曲产生的信号伪影，确保信号传输过程中的可靠性与准确性。
SmartLeads配备标准夹式连接器，可轻松连接任何带有金属按扣连接器的电极，适配多种电极类型，满足不同采集场景的需求。系统标准配置3英寸电极智能导联，同时提供7英寸和11英寸两种额外尺寸，不同长度的导联线在性能上保持一致，可根据采集部位的不同灵活选择，适配身体各部位的信号采集需求。
更为重要的是，SmartLeads能够将Ultium EMG设备转变为多功能传感器，可适配多种生物力学传感器，包括力传感器、运动传感器、压力传感器等，能够采集几乎所有类型的运动生理数据，如ECG（心电图）、心率、呼吸、2D角度、握力等，实现多维度数据的同步采集，为肌电信号的综合分析提供丰富的数据支撑。
2.3 信号放大与滤波模块
肌肉收缩产生的肌电信号属于微弱生物电信号，幅值通常在微伏级别，直接传输和处理难度较大，且易被外界干扰信号淹没。Ultium EMG系统内置信号放大与滤波模块，负责对传感器拾取的原始肌电信号进行初步处理，提升信号质量。
信号放大模块采用差分放大电路，能够将微伏级的原始肌电信号放大至伏级水平，放大过程中可有效抑制共模噪声（如工频干扰），保留有效肌电信号，确保信号的完整性与准确性。系统的共模抑制比（CMRR）<-100dB，输入阻抗>100兆欧，进一步提升了信号放大过程的抗干扰能力，减少外界干扰对信号的影响。
滤波模块采用软件可选的带通滤波方式，高通滤波器可在5Hz、10Hz、20Hz三个档位中选择，低通滤波器可在500Hz、1000Hz、1500Hz三个档位中选择，能够精准过滤掉无关的低频干扰（如运动伪影）和高频噪声（如电磁干扰），保留20-1500Hz范围内的有效肌电信号频段，进一步提升信号的纯净度，为后续的信号转换与分析奠定基础。此外，系统还集成了电极阻抗测试功能，可实时检测电极与皮肤的接触状态，确保信号拾取的稳定性。
2.4 数据传输模块
Ultium EMG系统采用无线传输技术，无需肌电电极和肌电放大器之间的有线连接，大幅简化了表面肌电图测量流程，同时摆脱线缆束缚，方便被测试者进行各种复杂运动，实现动态信号的精准捕捉。系统的无线传输范围可达30米，能够满足大多数采集场景的需求，无论是实验室环境还是户外场景，都能实现信号的稳定传输。
传输模块支持实时同步传输，可将处理后的肌电信号实时传输至桌面接收器或计算机终端，方便用户实时观察信号变化。同时，系统支持多通道信号传输，一个发射器可连接32通道信号，最多可实现32通道的同步传输，能够同时捕捉多个肌群的肌电信号，满足多肌群协同分析的需求。传输过程中采用无损传输技术，确保信号在传输过程中不丢失、不畸变，保障数据的完整性。
2.5 数据存储与处理单元
Ultium EMG系统配备独立的数据存储与处理单元，负责对传输过来的信号进行数字化处理、存储与初步分析。存储单元的内存可达250MB，最多可存储16小时的数据，能够满足长时间采集的需求，当采集环境不适合实时传输时，可先将数据存储在设备内部，后续通过USB接口或相关软件导出数据，进行后续分析。
数据处理单元内置高性能处理器，能够快速完成信号的模数转换（ADC），将经过放大、滤波处理后的模拟电信号转换为数字信号，转换过程严格遵循奈奎斯特定理，确保数字信号能够完整保留原始模拟信号的特征。系统的模数转换分辨率为24位，能够精准捕捉模拟信号的微小变化，转换后的数字信号与原始模拟信号的相似度高，为后续的信号分析提供精准的数据支撑。
2.6 配套软件系统
Ultium EMG系统搭配专业的配套软件，作为信号捕捉与分析的核心控制单元，负责整个系统的参数设置、信号实时显示、数据处理与分析等功能。软件界面简洁易懂，操作便捷，用户可通过软件设置传感器的采样频率、滤波参数、传输模式等，根据采集需求灵活调整系统配置。
软件支持实时信号显示，可将捕捉到的肌电信号以波形图的形式实时呈现，方便用户直观观察信号的变化趋势，及时发现异常信号。同时，软件内置完整的信号处理套件，包括信号平滑、去基线漂移、去除残留噪声等预处理功能，可进一步提升信号质量；还具备简化的MVC（最大自主收缩）校准、可配置的生物反馈协议、多设备同步和可定制的报告等功能，能够对数字信号进行深入分析，提取反映肌肉活动状态的特征参数，为用户提供全面的分析结果。此外，软件还兼容NORAXON现有硬件，方便用户进行设备升级与扩展。
三、Ultium EMG系统信号捕捉的完整流程
Ultium EMG系统捕捉肌电信号的过程，是各核心组件协同工作的过程，从信号拾取到最终的数据分析，形成了一套完整、严谨的流程，每个环节紧密衔接，确保信号的精准性、完整性与稳定性。整个流程可分为信号拾取、信号初步处理、信号传输、信号数字化处理、信号存储与分析五个核心环节，各环节环环相扣，共同完成肌电信号的捕捉与解读。
3.1 第一步：信号拾取——原始肌电信号的采集
信号拾取是肌电信号捕捉的基础环节，核心是通过表面肌电传感器，将人体肌肉收缩产生的微弱肌电信号从皮肤表面拾取出来。在这一环节中，首先需要将传感器正确贴附于目标肌肉的肌腹位置，避免贴附于肌腱或骨骼处，同时需要清洁皮肤表面，去除油脂、汗液等杂质，降低电极与皮肤之间的接触阻抗，确保传感器与皮肤的良好接触，从而提高信号拾取的稳定性与准确性。
当肌肉受到神经冲动的刺激发生收缩时，肌纤维会产生动作电位，大量肌纤维的动作电位在时间和空间上相互叠加，形成复合的肌电信号，该信号会通过肌肉组织、脂肪、皮肤等人体组织传导至体表。表面肌电传感器的检测元件能够精准捕捉到这种微伏级的微弱信号，同时由于传感器具备低基线噪声和少原生伪影的特点，能够有效减少外界环境及人体自身运动产生的干扰，确保拾取到的原始肌电信号能够真实反映肌肉的活动状态。
在信号拾取过程中，SmartLeads智能导联发挥重要作用，其屏蔽布线设计能够减少导联线移动或弯曲产生的信号伪影，确保原始信号的纯净度；同时，通过标准夹式连接器，实现传感器与电极的稳定连接，保障信号拾取的连续性。此外，传感器集成的IMU模块会同步启动，在拾取肌电信号的同时，采集被测试者的运动数据，实现肌电信号与运动数据的同步捕捉。
3.2 第二步：信号初步处理——放大与滤波
传感器拾取的原始肌电信号幅值微弱（微伏级），且包含大量无关干扰信号（如工频干扰、运动伪影、电子噪声等），无法直接进行传输和分析，因此需要通过信号放大与滤波模块进行初步处理，提升信号质量。
首先进行信号放大，系统的差分放大电路将微伏级的原始肌电信号放大至伏级水平，放大过程中，差分放大电路能够有效抑制共模噪声，只保留有效的肌电信号，避免干扰信号被同时放大。系统的共模抑制比（CMRR）<-100dB，输入阻抗>100兆欧，进一步提升了抗干扰能力，确保放大后的信号能够真实反映原始肌电信号的特征。
放大后的信号仍包含部分无关的低频和高频干扰，需要通过滤波模块进行过滤。用户可通过配套软件，根据采集需求选择合适的高通和低通滤波档位，高通滤波器用于过滤掉低频干扰（如运动伪影，频率低于5Hz），低通滤波器用于过滤掉高频噪声（如电磁干扰，频率高于1500Hz），最终保留20-1500Hz范围内的有效肌电信号频段。此外，系统的电极阻抗测试功能会实时检测电极与皮肤的接触状态，若接触阻抗过高，会及时提醒用户调整传感器贴附位置，确保信号拾取的稳定性，避免因接触不良导致的信号失真。
3.3 第三步：信号传输——无线同步传输
经过初步处理后的肌电信号（模拟电信号），需要传输至数据存储与处理单元进行进一步处理，Ultium EMG系统采用无线传输方式，实现信号的实时同步传输，同时兼顾灵活性与稳定性。
信号传输过程中，传输模块将经过放大、滤波处理后的模拟电信号，通过无线方式传输至桌面接收器或计算机终端，传输范围可达30米，能够满足大多数采集场景的需求。系统支持多通道同步传输，一个发射器可连接32通道信号，能够同时传输多个肌群的肌电信号，实现多肌群信号的同步捕捉与传输。
为确保信号传输的完整性与准确性，系统采用无损传输技术，避免信号在传输过程中出现丢失、畸变等问题，确保传输至处理单元的信号与初步处理后的信号保持一致。同时，传输模块具备较强的抗干扰能力，能够有效抵抗外界电磁干扰，确保信号传输的稳定性，即使在复杂环境下，也能实现信号的稳定传输，保障信号捕捉工作的顺利进行。
3.4 第四步：信号数字化处理——模数转换与预处理
传输至数据处理单元的信号为模拟电信号，无法直接进行存储和深入分析，需要通过模数转换（ADC）将其转换为数字信号，同时进行进一步的软件预处理，提升信号质量。
模数转换过程由数据处理单元的ADC模块完成，系统采用24位分辨率的ADC模块，采样频率可达到4000Hz，能够精准捕捉模拟电信号的微小变化，严格遵循奈奎斯特定理，确保数字信号能够完整保留原始模拟信号的特征。采样频率可根据采集需求进行调整，分为2000Hz和4000Hz两个档位，用户可通过配套软件灵活设置，满足不同场景下的采集需求。
模数转换完成后，数字信号会进入软件预处理环节，配套软件会对数字信号进行去基线漂移、去除残留噪声、信号平滑等操作，进一步过滤掉残留的干扰信号，提升信号的纯净度。预处理后的数字信号，能够更真实、准确地反映肌肉的活动状态，为后续的信号分析提供高质量的数据支撑。此外，软件还会对同步采集的运动数据进行同步处理，实现肌电信号与运动数据的精准对齐，方便用户进行关联分析。
3.5 第五步：信号存储与分析——数据留存与特征提取
经过数字化处理后的肌电信号，会被存储至系统的存储单元中，同时配套软件会对信号进行深入分析，提取反映肌肉活动状态的特征参数，完成信号捕捉的最终环节。
数据存储方面，系统的存储单元内存可达250MB，最多可存储16小时的数据，能够满足长时间采集的需求。用户可根据采集需求，选择实时存储或后期导出存储，当采集环境不适合实时传输时，数据会先存储在设备内部，后续可通过USB接口或配套软件导出数据，进行后续的分析与处理。同时，系统支持无损数据恢复技术，能够确保存储的数据不丢失、不损坏，保障数据的完整性。
数据处理与分析方面，配套软件内置完整的信号处理套件，能够对数字信号进行时域、频域等多维度分析，提取反映肌肉激活强度、收缩协调性、疲劳程度等特征参数，如时域的均方根值、平均绝对值，频域的平均功率频率、中值频率等。
软件还具备可配置的生物反馈协议和可定制的报告功能，能够将分析结果以直观的图表形式呈现，方便用户解读数据，同时可生成专业的分析报告，满足科研、临床等领域的需求。此外，软件还支持多设备同步分析，可将Ultium EMG系统与其他生物力学设备的数据进行整合分析，提供更全面的研究支撑。
四、Ultium EMG系统信号捕捉的技术保障机制
Ultium EMG系统能够实现高精度、高稳定性的信号捕捉，除了依赖各核心组件的优质性能外，还得益于其完善的技术保障机制，从干扰抑制、数据同步、设备适配等多个方面，确保信号捕捉的精准性与可靠性，为用户提供高质量的肌电数据。
4.1 干扰抑制机制
肌电信号本身微弱，易受外界干扰，Ultium EMG系统通过多重技术设计，构建了完善的干扰抑制机制，有效减少各类干扰对信号捕捉的影响。首先，传感器采用低噪声设计，基线噪声控制在<1 μV RMS，减少原生伪影的产生；其次，SmartLeads智能导联采用屏蔽布线设计，减少导联线移动或弯曲产生的信号伪影；再者，信号放大模块采用差分放大电路，共模抑制比（CMRR）<-100dB，输入阻抗>100兆欧，有效抑制共模噪声（如工频干扰）；最后，软件层面的滤波功能，可精准过滤掉低频和高频干扰，进一步提升信号纯净度。多重干扰抑制技术的结合，确保系统在复杂环境下也能捕捉到纯净、真实的肌电信号。
4.2 数据同步机制
Ultium EMG系统具备完善的数据同步机制，能够实现肌电信号与运动数据、其他生物力学数据的精准同步，确保数据的关联性与准确性。系统内置的IMU模块与肌电传感器同步工作，在捕捉肌电信号的同时，同步采集运动数据，采样率可达到400Hz（全IMU采样率）和500Hz（加速度计采样率），确保运动数据与肌电信号的同步性。
同时，系统支持多通道信号同步传输与处理，多个传感器采集的信号能够实现精准同步，误差极小，满足多肌群协同分析的需求。此外，系统还支持与其他生物力学设备的同步连接，可通过模拟输出接口，实现与动作捕捉等周边设备的同步，确保多源数据的精准对齐。
4.3 设备适配与灵活性保障
Ultium EMG系统具备较强的设备适配性与灵活性，能够满足不同采集场景、不同采集需求的使用要求。SmartLeads智能导联提供多种长度选择，适配身体各部位的信号采集需求，同时可连接多种类型的电极，提升系统的适配性；系统支持2000Hz和4000Hz两种采样频率选择，滤波参数可通过软件灵活调整，用户可根据采集需求定制采集方案；无线传输设计摆脱线缆束缚，方便被测试者进行各种复杂运动，适配动态采集场景；系统兼容NORAXON现有硬件，方便用户进行设备升级与扩展，同时支持多通道配置（最多32通道），可根据需求灵活增减传感器数量，满足不同规模的采集需求。
4.4 数据完整性保障
Ultium EMG系统采用多种技术，确保信号捕捉过程中数据的完整性。首先，系统支持无损传输技术，信号在传输过程中不丢失、不畸变；其次，内置大容量存储单元，可实现长时间数据存储，避免因存储不足导致的数据丢失；再者，系统支持无损数据恢复技术，能够对存储的数据进行完整恢复，确保数据的安全性；最后，每个Ultium传感器均享有终身电池更换服务，确保设备能够长期稳定工作，避免因电池故障导致的数据采集中断，保障数据采集的连续性与完整性。
结语：
NORAXON Ultium EMG 表面肌电捕捉分析系统通过核心组件的协同工作，遵循“信号拾取—初步处理—传输—数字化处理—存储与分析”的完整流程，实现了对表面肌电信号的精准、稳定捕捉。系统凭借低基线噪声、高采样率、灵活的测量选项及完善的技术保障机制，能够提供高保真的肌电数据，同时同步捕捉运动数据，满足科研、临床等领域的肌电分析需求。其无创伤、便携、多通道的设计，进一步拓展了信号捕捉的应用场景，为神经肌肉功能研究、肌肉活动分析提供了可靠的技术支撑。
