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1、肌电信号检测系统先关模块说明表面肌电信号采集模块表面肌电图(surface Electromyogram , sEMG)又称动态肌电图(dynamic Electromyogram ,dEMG )，是通过表面电极从肌肉表面引导和记录肌肉活动时神经肌肉系统生物电变化的一维时间序 列电信号。这些年来，表面肌电信号在很多领域的应用都越来越受到重视，如在康复医学、骨科学、神经学、生物医学、运动医学和工程学等领域。和传统的采用针式获取肌电图的方法比较，表面肌 电信号具有很多优点，比如操作更加便捷、不会产生创伤、可采集的空间相对要大，可以进行很长时间的动态采 集以及重复性好等优点。由于这些优点，表面肌电信
2、号采 集更容易被脑瘫患儿及家长 接受。本节主要介绍 表面肌电信号采 集电路设计。为了不失真地 检出具有临床价值的肌电信号，我们设计了具有较高共模抑制比、抗干扰能力强 的表面肌电信号采 集调理电路，设计框图如图3-1所示。图3-1表面肌电信号采 集电路模块框图电极选择与贴片方案要采集人体皮肤 表面的微弱肌电信号，需要通过电极 把信号引导到 后续电路中来。但并不是任 何形状、尺寸、材料和工艺制作的电极都 能取得肌电引导的 良好效果。这是因为电极材料要与人体 组织(包括细胞组织 和体液等)接触，不仅有电化学方面的 联系，也会发生物理和化学方面的作用。 电极分为针式电极、表面电极、 埋藏电极与悬浮电极
3、，本系统中选择的是表面电极方 案。选用表面电极采 集肌电信号时应 考虑如下因素21:(1) 人体表面的皮肤是电信号的 不良导体，但是与之相反的皮下组织却是电信号的 良好导体。人 体表皮与皮下组织之间存在一定的阻抗，于是，信号 放大器与信号源之间实际上形成了一个串联通 路，如果皮下组织的阻抗比较高，而放大器的输入阻抗却比较低，此时输入信号就会大大地 减弱， 表面肌电信号采 集的效果会不理 想。如果选用很高输入阻抗的放大器，虽然可以把输入电压提高， 但是整个系统对周围环境中存在的各种干扰的抵抗能力就会受到影响。因此，选择合适的放大器输 入阻抗也很重要。(2) 在采集表面肌电信号时，电极片会与人体皮
4、肤 直接接触，在这个接触界面上会产生一个接触 电阻。由于皮肤 表面容易分泌汗液等化学物 质，容易发生溶液的电解，影响接触电阻的阻值以及产 生对皮肤有害的物质。因此，在采集表面肌电信号的时 候，应尽量使电极与皮肤接 触保持稳定，并 避免产生对人体有害的物质。(3) 不是采用悬浮电极的情况下，电极与皮肤表面发生的微小位移会引起噪音，干扰肌电信号。经过综合考虑，本系统采用一次性心电电极引导表面肌电信号，该电极使用Ag/AgCI做为感应元 件，水凝胶 做为粘性元件。这些元件都具有很 好的皮肤适应性。水凝胶用来加强产品与皮肤的粘贴 效果从而杜绝因为人的活动造成接触不良。(1) 电极主要技术指标：(2)
5、交流阻抗：WK Q;(3) 直流失调电压：WOOmV;(4) 内容噪声：羽50uVp-p ;(5) 模拟除颤恢复性能：每次放电后第五秒，电极对上的电压值WOOmV;(6) 偏置电流耐受度：电极对经400nA的直流电流持续作用4小时，在整个作用期间内，电极对 两端的电压变化W00mV。肌电信号在 人体组织内的传递(容积导)，会随着距离的增加而很快急减。因此，电极片应该贴 放在肌电信号发放最强的部位，以减少邻近肌肉的肌电信号 干扰。同时，良好的接地不仅可以降低 前面所述的第一种干扰，还可以有效地降低回路阻抗，提高抗干扰能力。图3-2是表面电极的 贴片方 式，采用差分方式可以有效降低共模干扰。图3-
6、2表面电极贴片方案示例前置放大电路设计通过电极拾取到的表面肌电信号 含有各种各样的噪声，单片机是无法直接进行A/D转换的，必 须要经过一步一步地调理，才能去除噪声，提取有用信号。信号 首先经过前置放大电路，进行初步 处理。为了更有效地去除共模信号地干扰，本系统采用差分放大电路，选用专门的仪器仪表放大器， 同时为了防止干扰从导线引入，应使用屏蔽导线与电极相连。为了获取极佳的性能与功耗比，我们选用ADI公司生产的新型仪用放大器AD620。该芯片是一 款虽然成本低但精度却很高的仪表放大器，实际使用时只需要一个外部电阻便可以设 置放大器的增 益，增益范围为1至10,000。此外，AD620采用的是8引
7、脚的SOIC和DIP封装，尺寸小于分立电路设计， 并且功耗非常低(最大工作电流仅为1.3mA),因而非常适合远程应用、电池供电与便携式等设备中。AD620的非线性度最大仅为40ppm,失调电压最大仅为50 pV,失调漂移最大仅为0.6凶/C ,非常适 合精密数据采集系统。此外，AD620的低噪声、低输入偏置电流和低功耗特性使之十分适合ECG与EMG等医疗场合的应用。由于其输入采用Supereta,因此可实现低输入偏置电流最大仅I.OnA AD620 在1KHz时具有9nV vHZ的低输入电压噪声，在0.1Hz至10Hz带宽上的噪声为0.28凶峰峰值，输入电流 噪声为0.1pA vHZ ,因而作
8、为前置放大器使用效果非常好22。前置放大电路具体设计如图3-3所示。图3-3前置放大电路设计肌电信号检测系统先关模块说明图中电阻RI1与RI2一方面起隔离人体和放大器的作用，防止强电伤害人身，另一方面与小电容 CI1、CI2组成两个简单的RC高频低通滤波电路，由于周围环境 中可能会存在各种各样的高频脉冲， 它们往往幅值很大，如果这些高频脉冲未经滤除直接进入前置放大器，很容易造成其饱和而临时失 效。通过这样一个简单的RC高频低通滤波电路可以滤除此类高频脉冲。高频二极管D1D4主要是起 保护作用，防止运算放大器的两个差分输入端超过电源电压而损坏仪用放大器，电容CA1CA4主要 滤除电源中的高频干扰
9、。整个前置放大电路的放大倍数由RG这一个电阻决定，AD620的增益通过电 阻RG进行编程，或者更精确地说，通过引脚1与引脚8之间存在的任何阻抗进行编程，因为其直接决 定前置放大电路的倍数，故其宜采用精度高的电阻。具体放大倍数计算公式如(3-1)所示。(3-1)49.4k?Rg本系统中RG的取值为5.6K ,故G 10,即前置放大电路的增益约为10倍。从这里可以看出并没 有完全用尽AD620的放大能力，如果放大倍数过大，由于肌肤出汗、手臂运动等原因在两个差分测 试点之间产生低频的，大小在数十毫伏与肌电信号不相关的信号将造成AD620的饱和，后续电路失 效。滤波器设计前置放大电路采集到的肌电信号
10、属于原始信号，里面含有各种噪声，即使采取了一系列抗干扰 措施，仍然无法完全避免干扰进入差分信号通路，因此，设计性能良好 的滤波器就显得尤为重要。 滤波器无法有效的识别有用信号和 噪声一直是传统生物电信号 拾取电路信噪比无法大幅提高的瓶 颈，在本系统中为了获得较好的效果，我们采用了低通滤波器、工频陷波器与高通滤波器，这些滤肌电信号检测系统先关模块说明波器经过适当的顺序调整，能够满足表面肌电信号采 集要求。(1)高通滤波器设计由于人体出 汗，恒定的电磁场干扰等条件下产生的直流信号叠加在表面肌电信号 中，经过后续 主放大器电路的高倍放大，很容易造成放大器饱和，无法检测出有效信号。滤除直流信号以及低频
11、 噪声等都采用高通滤波器，高通滤波器是容许高频信号通过、但减弱(或减少)频率低于截止频率 信号通过的 滤波器。对于不同滤波器而言，每个频率的信号的减弱程度不同。一个滤波器滤除一个复杂信号中不想要的低频成份同时让高频信号通过是很有用的。当然，“低”和“高”频率的含义是 相对于滤波器设计者所选择的截止频率而言的。滤波器分为无源和有源两种，最通用的就是巴特沃 斯滤波器、切比雪夫滤波器和椭圆滤波器等。它们具有不同的通带、过渡带特性。在实际应用时根 据具体情况选择滤波器类型。巴特沃斯滤波器在通频带内外都有平稳的幅频特性，但有较长的过渡 带，在过渡带上比较容易造成失真。同巴特沃斯滤波器相比，切比雪夫滤波器
12、的过渡带很窄，但内 部的幅频特性却很不稳定。巴特沃斯滤波器在线性相位、衰减斜率和加载特性3个方面具有特性均衡的优点，经 综合考虑，本系统采用巴特沃斯二阶低通滤波器。具体电路设计如图3-4所示。肌电信号检测系统先关模块说明肌电信号检测系统先关模块说明图3-4高通滤波器电路图其传递函数的一般形式为：H(s) =Kps22 2S + aooS +(3-2)肌电信号检测系统先关模块说明肌电信号检测系统先关模块说明式中，零频增益为:(3-3)Kp=1送(3-4)自然角频率为:=一 R1R2CQ2阻尼系数为:R1C2R2C1根据图3-4中各元器件的参数，以及截止频率计算公式:fo12n R1R2C1C2(
13、3-5)(3-6)可计算出本高通滤波器的截至频率为fo = 0.72 Hz由(3-3)计算出零频增益为Kp = 1.638低通滤波器设计由于开关电源、计算机和衣物放电等各种原因产生的高频脉冲很能混杂在肌电信号 中，这些高 频脉冲幅 值大。低通滤波器容许低频信号通过，但减弱(或减少)频率高于截止频率的信号的通过， 有效地消除高频干扰。一个理想的低通滤波器能够完全剔除高于截止频率的所有频率信号并且低于 截止频率的信号可以不受影响地通过。然而，这样一个滤波器对于实际真正的信号来说是 不可实现 的，只能无限接近。低阶滤波器结构简单易于实现，但衰减特性较差，要使衰减特性陡峭就应该选 用高阶滤波器，但随着
14、阶数增加，陡峭度不断提高。同高通滤波器的设计，本系统同样采用巴特沃 斯二阶低通滤波器，原理与高通滤波器类似，这里不再赘述。人体皮肤 表面肌电信号 主要集中 在 10-500HZ,因此低通滤波器的截止频率设计为530Hz左右，具体电路设计如图3-5所示。根据图3-5中各元器件的参数，以及公式(3-6)计算出低通滤波器的截止频率：f0 = 530.79Hz由(3-3)计算出零频增益为：Kp = 1.606SGND图3-5低通滤波器电路图(3)工频陷波器设计本系统虽然采用电池供电，且前置放大路对共模干扰具有较强的抑制作用，但有部分工频干扰 是以差模信号方式 进入电路的，且频率处于肌电信号的 频带之内
15、，加上电极和输入回路不稳定等因 素，前级电路输出的肌电信号 仍存在较强的工频干扰，所以必须专门滤除。陷波器的实现电路有多种，如低通滤波器、高通滤波器组合的带阻陷波器、有源电感陷波器、 双T型陷波器等，其中双T型陷波器以压制深度大、带宽窄的独特优势而得到了广泛应用。近年来， 为了压制工频电信号的干扰，很多领域的电 路基本上都采用典型的双T陷波器，即电阻值、电容值成 2或1/2倍，这种方法在一定程度上压制了工频电信号的干扰23。基于这个思想，本系统也采用了双 T有源陷波器，具体电路设计如图3-6所示。50Hz附近是肌电信号 非常活跃的频率段，只有准确的滤除50Hz的干扰而不去掉别的有用信号 才 能
16、获得最佳的谐波失真效果。一般电容电阻制造允许误差比较大，无法制造出频率准确的带陷滤波 器。在实际设计中，应该选用精度高的电容电阻，同时不断通过对其进行分析、计算、仿真、实验 以及对比，从而对电阻、电容的取值进行优化选择，达到对双T陷波器的优化利用，从而既保留了有 用信号，又 最大限度地压制了工频电信号的干扰。电平抬高电路设计通过前面的介绍，我们知道表面肌电信号是 以差分电极引导出来的，因此，采集到的信号 既有正电压又有负电压。为了单片机A/D转换的方便，需要把信号调节到适当的范围，本系统 是03V ,因此把表面肌电信号电 压抬高1.5V即可。采用运算放大电路可实现该功能。具体电 路设计如图3-
17、7所示。肌电信号检测系统先关模块说明图3-7电平抬高电路根据运算放大器“虚短”、“虚断”的原理，可得其输出电压与输入电压的关系：Vo=5R2-ViRfR1(3-7)其中Rf与Ri之比确定电路的放大倍数，电阻R2的作用是产生电平的平移。根据图中个电阻的 参数计算，发现输出正好提高了 1.5V，只是与输入反相，这无关紧要。隔离与屏蔽设计隔离有两个主要作用：其一，从信号通 路和地通路切断可能包围大量干扰磁力线的高阻抗的信 号回路，解决由于高回路阻抗带来的容易耦合电磁干扰的问题；其二，防止后级使用交流电的设备 对人身造成伤害。本系统采用了两种隔离措施：信号采集通路的前后级采用带隔离稳压的DC/DC进
18、行供电，它们具有不同的地和电势参考点；信号采集通路的前后级通过隔离放大器进行隔离，具体隔离示意如图3-8所示。肌电信号检测系统先关模块说明肌电信号检测系统先关模块说明图3-8系统隔离示意图本系统采用的隔离放大器为ISO124，隔离放大器ISO124是一种电容耦合式的调制高频信号的模肌电信号检测系统先关模块说明拟隔离放大器，由于采用了电容隔离的方法，而隔离电容又非常小（仅1pF）,使其省电性能非常卓 越，ISO124使用简单，不需要其他外部的元件即可工作。实践证明，采用上述隔离方案，效果非常 明显，使信噪比得到了较高提升。屏蔽也是在高环路阻抗的条件下防止电磁干扰的有效方法。放大之前的信号传 输线应采用柔软 可靠的多芯屏蔽线，屏蔽线外部 有导体包裹，包裹的导体叫屏蔽层，一般为导电布，编织铜网或铜 泊（铝）屏蔽层需要接地，外来的干扰信号可被该层导入大地，避免干扰信号进入内层导体干扰， 同时降低传输信号的损耗。除了采用屏蔽线传输信号外，通过对PCB的覆铜也能有效降低干扰。覆铜是指将PCB上没有布 线的空间作为基准面，连接到某一个“地”信号，然后用铜填充这些空闲区域，也称之为灌铜。覆 铜不仅能减小地线阻抗、提高抗干扰能力，还能防止导线中电流太大，产生过多热量，提高电源效 率。但是应当注意，不同的地应该分别独立覆铜。