表面肌电信号采集电路的设计与实现

龙源期刊网表面肌电信号采集电路的设计与实现作者：张琳琳来源：《硅谷》2015年第02期摘要本文主要介绍了肌电信号采集电路的设计，并根据此电路采集到了拇短展肌和肱二头肌上的肌电信号。肌电信号由表面电极采集，随后被引入到由放大电路、工频滤波电路、低通滤波电路和高通滤波电路组成的肌电预处理电路进行处理。设计的肌电信号采集电路可以对50Hz的工频干扰起到很好的抑制作用，利用高通滤波解决了零点漂移的问题，并能有效地提取到（20～500）Hz的肌电信号。关键词肌电信号；放大电路；零点漂移；滤波中图分类号：TP241文献标识码：A文章编号：1671-7597（2015）02-0028-02表面肌电信号（surfaceelectromyographicsignal，sEMG）是通过电极从人体皮肤表面记录下来的神经肌肉活动时发放的生物电信号，是由肌肉兴奋时所募集的运动单位产生的一个个动作电位序列（MotorUnitActionPotentialTrains，MUAPT）在皮肤表面叠加而成，是一种非平稳的微弱信号。在临床上，表面肌电信号广泛应用于诊断神经肌肉功能、肌肉疲劳程度的评定及疾病的诊断，尤其在近代假肢的研究中，很多都是采用表面肌电信号来控制假肢，即通过对表面肌电的某些特征，作模式分类来驱动假肢的不同动作[1-2]。因此研制出一种性价比高、方便实用的肌电信号采集电路具有重要的意义。在肌电信号采集电路的设计中，为了减少干扰信号对肌电信号的影响，需要对肌电信号的硬件采集系统进行屏蔽处理，由此设计了内部电路对信号进行放大滤波，实现了对肌电信号的高效采集。1实验方法1.1系统电路本系统通过握拳和胳臂伸展的方式，经过肌电信号采集系统在示波器上观察到拇短展肌和肱二头肌上的肌电信号。系统框图如图1所示，首先由表面电极连接被测对象和采集系统，经过前置放大电路，50Hz滤波，低通和高通滤波电路，通过示波器显示输出。由于表面肌电信号十分微弱，其幅度范围一般在0-5mV，所以要对其进行放大处理。前置放大器主要功能是滤除一些共模干扰信号，同时对肌电信号进行有限度的放大，要求前置放大器具有高输入阻抗，高共模抑制比，低零点漂移，低噪声和线性工作范围较宽的特点。系统中我们选择AD620器件作为前置放大电路的核心器件。1和8引脚之间的电阻是可变的，用来调节放大增益，选用滑动变阻器很容易改变前置放大倍数。龙源期刊网表面肌电信号是一种低频信号，能量主要集中在20-1000Hz，300Hz以上显著减弱。其中，绝大部分频谱集中在50-150Hz之间。本设计电路中采用有源低通滤波器，滤除信号中的高频和谐波成分，根据肌电信号的频谱分布范围，设置的低通滤波器的中心频率为500Hz。由于直流和低频信号的干扰，设计出中心频率为20Hz的高通滤波器。由于工频信号的干扰特别严重，设计电路采用了双T型带阻滤波电路对其进行滤波[3-5]。1.2实验过程记录电极采用肌腹-肌腱记录模式：由置于拇短展肌肌腹上的活动电极，置于拇指关节远端的参考电极，和置于肘部背面骨骼处的接地电极组成；由置于肱二头肌肌腹和肌腱上的活动电极和参考电极，置于肘部背面骨骼处的接地电极组成。具体肌群如图3所示。肌肉的动作电位可通过置于皮肤表面靶部位上的表面电极记录[6]。电极片由无纺布胶带、海绵胶带、传感器（银或氯化银）、砂片、医用导电胶组成，其直径约为55mm。测试过程中应注意：电极不要干燥，干燥可增加阻抗，会影响判断；电极线要放置断线；电极位置要固定，不要活动；防止肌肉主动收缩，以造成假象[7]。为了验证电路的可靠性，我们采用握拳的方式，开始焊接电路并进行测试。在电路焊接完成后，为了进行排去干扰测试，在电路中引入了50Hz干扰信号，如图4。为有效解决信号干扰问题，设计电路时，除了在输入端加入屏蔽线避免工频，以及加强布线和焊接技巧之外，我们还采用了带阻滤波电路的方法。在连接好电路后，经多次试验，没有出现50Hz干扰信号，很好的解决了干扰问题。当人体完成不同动作时，执行动作的肌群收缩时的肌电信号有所差别，而执行相同动作时，即使个体不同，其相关肌群的表面肌电信号的波形却很近似，说明在肌肉活动时，其发出的肌电信号具有一定的规律性。表面信号是一种交流电压信号，其幅值与肌力大致成正比关系，肌肉松弛、紧张度与表面肌电信号电压幅度之间存在着近似线性关系[9]。在握拳和伸展手臂时不同力度的波形幅值不同，分别选出一组采集结果展示出来，经过计算测量的肌电信号幅值大小和特征符合肌电信号的本征要求，证明了电路设计的有效性。3结论通过多次的测试，设计的电路抗干扰能力强，电路结构紧凑，调试方面，可以实现肌电信号的采集，并为实现小型化的肌电信号采集系统和肌电信号的分析和利用做好了实验基础。若能对已设计的电路进行集成化的加工，那么此肌电信号采集系统更加方面和稳定。参考文献[1]王颖，靳静娜，李颖，等.基于低频电剌激诱发表面肌电信号的肌肉疲劳度研究[J].北京生物医学工程，2013，6，32（3）：230-236.龙源期刊网[2]游淼，邹国栋，林婉华，余龙.基于肌动图与肌电图信号的假肢控制系统的研究[J].北京生物医学工程，2011，30（6）：574-577.[3]封志宏.模拟电子技术[M].兰州大学出版社，2003.[4]张唯真.生物医学电子学[M].清华大学出版社，1990.[5]罗志增，席旭刚.一种表面肌电信号测试电路设计[J].测试技术学报，2007，21（1）：33-38.[6]（美）JunKimura著.神经肌肉疾病电诊断学原理与实践[M].第3版.天津科技翻译出版公司，2008.[7]刘磊，岳文浩.神经肌电图原理[M].科学出版社，1983.[8]李大鹏.表面肌电信号用于假肢控制的研究[D].天津大学硕士论文，2005（1）.[9]王建辉，张传鑫，白冰，等.上肢康复机器人实验平台肌电信号采集系统的设计[J].电子世界，2012（6）：28-30.