表面肌電信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李成凱，席旭剛，王俊偉，武 昊

(杭州電子科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，浙江杭州310018)

0 引言

肌電信號(hào)(Electromyography，EMG)是產(chǎn)生肌肉動(dòng)力的電信號(hào)根源，是肌肉中很多運(yùn)動(dòng)單元的動(dòng)作電位在時(shí)間和空間上的疊加，反映了神經(jīng)、肌肉的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)［1］。表面肌電信號(hào)(Surface Electromyography，sEMG)是淺層肌肉肌電信號(hào)和神經(jīng)干上電活動(dòng)在皮膚表面的綜合效應(yīng)，因此將sEMG用于研究人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有著非常重要的價(jià)值。sEMG已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于臨床診斷、康復(fù)工程、運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域［2－4］，但人體動(dòng)作電位表現(xiàn)出來(lái)的sEMG是一種非常微弱的信號(hào)。國(guó)內(nèi)外大量數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)資料表明，sEMG 的幅值范圍一般是 10 5 000 μV，肌肉收縮時(shí)為 60 300 μV，松弛時(shí)約為 20 30 μV［5］。sEMG的能量集中在1 000 Hz以下，頻譜主要分布在20 500 Hz之間。此外，通過(guò)電極獲取sEMG往往有很多干擾信號(hào)，包括人體表面心電信號(hào)、電極接觸噪聲、電磁場(chǎng)干擾、工頻干擾等［6］。國(guó)外肌電采集系統(tǒng)已發(fā)展多年，針對(duì)sEMG信號(hào)微弱特征和易受干擾通過(guò)復(fù)雜的硬件電路已經(jīng)較好地解決了sEMG信號(hào)的提取與放大問(wèn)題。如美國(guó)Noraxon公司生產(chǎn)的MyoTrace400肌電采集儀器，可以實(shí)現(xiàn)四通道的肌電信號(hào)采集。但是由于價(jià)格高昂，體積較大，不能直接修改底層代碼添加算法，不便于研究應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)的肌電信號(hào)采集系統(tǒng)，主要用于人體佩戴便攜式采集儀，要求小型和輕便。

1 表面肌電信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)

表面肌電信號(hào)采集系統(tǒng)使用一次性Ag/AgCl心電電極片獲取表面肌電信號(hào)，通過(guò)屏蔽導(dǎo)線到前端采集電路，經(jīng)過(guò)濾波放大后得到有效信號(hào)。信號(hào)濾波與放大電路模塊是本設(shè)計(jì)的核心部分，主要包括信號(hào)的儀表放大，低通、高通濾波，二級(jí)放大等部分。圖1為表面肌電信號(hào)采集系統(tǒng)的模塊組成，圖2為采集系統(tǒng)通道一的信號(hào)采集放大電路。所設(shè)計(jì)的成品為四通道采集系統(tǒng)，由于4個(gè)通道的電路完全一致，這里只介紹1個(gè)通道的電路圖用以說(shuō)明問(wèn)題。

圖1 表面肌電信號(hào)采集電路模塊組成

圖2 通道一的信號(hào)采集電路

1.1 儀表放大電路設(shè)計(jì)

儀表放大電路是將從表面電極獲取到的微弱的肌電信號(hào)實(shí)現(xiàn)差分放大。由于表面肌電信號(hào)微弱，并存在工頻干擾，使用高共模抑制比的儀表放大器可以獲取有效的差分信號(hào)而大幅衰減其中的共模干擾［7］。本設(shè)計(jì)采用的儀表放大器是美國(guó)德州儀器公司Burr-Brown系列的INA128，這是一款低功耗、低偏置電壓、低溫度漂移的儀表放大器，它是用通用的三運(yùn)放設(shè)計(jì)的，具有非常寬的增益范圍，依靠其外接電阻可以實(shí)現(xiàn)1 10 000的任一增益。

由于表面肌電信號(hào)為毫伏(mV)級(jí)別，甚至更低，為此整個(gè)電路需要較大的放大倍數(shù)，此外考慮到抑制前端共模信號(hào)的要求，將INA128的放大倍數(shù)定在51倍:

取RG為1 kΩ?？紤]到溫度漂移等影響最好使用精密電阻，設(shè)計(jì)初期無(wú)需太高的要求，用普通電阻就行，且不影響效果。

1.2 濾波與放大電路設(shè)計(jì)

表面肌電信號(hào)的能量譜主要分布在10 500 Hz之間。外電路中還有從電源端、人的身體引入的較大的工頻噪聲。從硬件上消除工頻噪聲可以選用雙T型陷波器也可以選用集成芯片UAF42來(lái)設(shè)計(jì)陷波器［8］。本文借助于儀表放大器非常高的共模抑制能力，可以很大程度上衰減工頻噪聲，而無(wú)需專門設(shè)計(jì)工頻陷波電路。

初期研究將高通、低通濾波器設(shè)計(jì)為普通的阻容濾波器，達(dá)到表面肌電信號(hào)的采集需求。圖2中，電容C13和電阻R13構(gòu)成高通濾波器，其截止頻率為fc=1/(2 R13C13)=10.62 Hz，主要衰減10 Hz以下的低頻干擾和直流成分;電容C15和電阻R15構(gòu)成低通濾波器，其截止頻率為fc=1/(2 R15C15)=497.61 Hz，主要衰減500 Hz及以上的高頻干擾。從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，阻容濾波器可以實(shí)現(xiàn)基本的濾波效果，若要得到更好的濾波效果，可以嘗試更高級(jí)的濾波器［9］。

表面肌電信號(hào)強(qiáng)度為毫伏級(jí)別，儀表放大電路的增益為51倍，達(dá)不到信號(hào)采集的要求，設(shè)置二級(jí)放大倍數(shù)為8倍，將整個(gè)電路的放大倍數(shù)設(shè)定在400左右。此處需要說(shuō)明兩點(diǎn):1)根據(jù)小信號(hào)放大器的設(shè)計(jì)原理，常通過(guò)多級(jí)放大到達(dá)預(yù)計(jì)放大倍數(shù)，第一級(jí)放大增益如設(shè)置太高則不利于后續(xù)電路對(duì)噪聲的處理，且放大電路的級(jí)數(shù)一般也不便超過(guò)三級(jí)［9］，故而一般將采集電路設(shè)計(jì)為兩級(jí)放大;2)二級(jí)放大電路中，采用集成運(yùn)算放大器LM324，圖2中R15與R14及運(yùn)算放大器構(gòu)成同相比例放大電路，放大倍數(shù)為G=1+R15/R14，取 R14=4.7 kΩ 得到 G=8。

1.3 電壓抬升電路設(shè)計(jì)

由于表面肌電信號(hào)是采用差分輸入、差分放大的，其有效信號(hào)是在0 mV上下波動(dòng)的，要實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，則需要將整個(gè)信號(hào)的電壓范圍抬升到0 mV以上，此外要實(shí)現(xiàn)較高精度的轉(zhuǎn)換，最好應(yīng)將有效信號(hào)幅值范圍抬升到A/D輸入范圍的1/3至3/3之間，本設(shè)計(jì)中采用微處理器自帶的A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)換，其分辨率為12位，參考電壓為3.3 V。使用美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的LM385D－1.2基準(zhǔn)芯片將表面肌電信號(hào)的幅值抬升到1.237 V上下，LM385D－1.2可以等效為一個(gè)穩(wěn)壓二極管。參考芯片手冊(cè)，基準(zhǔn)電壓電路如圖3所示。在電路性能測(cè)試中，如其輸入電壓范圍在3 12 V之間都可以實(shí)現(xiàn)輸出1.237 V的電壓，最大輸出幅值差為5 mV。

1.4 同相加法電路設(shè)計(jì)

使用同相加法電路實(shí)現(xiàn)表面肌電信號(hào)與基準(zhǔn)電壓信號(hào)的疊加，配好耦合電阻，使加法電路的增益為1，同相加法電路的計(jì)算公式為:

代入相應(yīng)參數(shù)，得到Uo=Ui+Uref，滿足電路設(shè)計(jì)需求。通過(guò)同相加法電路，將放大后的表面肌電信號(hào)和基準(zhǔn)電壓信號(hào)疊加。采集手臂上的表面肌電信號(hào)，其最大峰峰值可以達(dá)到2.3 V(400倍放大倍數(shù)，相當(dāng)于原信號(hào)大小是5.7 mV)，因此抬升之后的幅值大概是在200 mV 2 500 mV之間，比較適合A/D轉(zhuǎn)換。

1.5 電源電路設(shè)計(jì)

表面肌電信號(hào)采集系統(tǒng)使用一塊7.4 V鋰電池供電，整個(gè)系統(tǒng)采用雙電源供電。微處理器最小系統(tǒng)需要+5 V供電，INA128和LM324需使用±5 V雙電源供電，LM385D使用+5 V供電，故需要設(shè)計(jì)+7.8V轉(zhuǎn)+5 V降壓電路和+5 V轉(zhuǎn)－5 V電路，降壓芯片使用AMS1117-5.0，正轉(zhuǎn)負(fù)穩(wěn)壓芯片使用是TPS60402，電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖3 基準(zhǔn)電壓電路

圖4 +5 V轉(zhuǎn)－5 V穩(wěn)壓電路

2 測(cè)試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中將表面電極片貼在手臂尺側(cè)腕屈肌處，用屏蔽線將表面信號(hào)導(dǎo)入信號(hào)采集系統(tǒng)，在TFT液晶顯示屏和示波器上可以觀察到輸出信號(hào)。實(shí)際測(cè)得采集系統(tǒng)的放大倍數(shù)為400倍，符合預(yù)設(shè)參數(shù)。圖5為手臂握拳收縮時(shí)采集到的尺側(cè)腕屈肌sEMG信號(hào)，圖中示波器的電壓檔位為500 mV，可見(jiàn)收縮時(shí)電壓輸出峰峰值在500 mV 2 500 mV之間。

圖6為美國(guó)Noraxon公司專用肌電信號(hào)采集儀采集的尺側(cè)腕屈肌肌電信號(hào)，對(duì)比圖5和圖6的肌電信號(hào)，采集的表面肌電信號(hào)雖不及國(guó)內(nèi)外一些專用的肌電信號(hào)采集儀所測(cè)的信號(hào)，但是采集的信號(hào)波形基本相近。

圖5 手臂握拳收縮過(guò)程中sEMG信號(hào)

3 結(jié)束語(yǔ)

圖6 Noraxon公司肌電信號(hào)采集儀采集的sEMG信號(hào)

本文設(shè)計(jì)的低成本便攜式表面肌電信號(hào)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電路小型化及微型化，能夠很好地實(shí)現(xiàn)表面肌電信號(hào)的采集，并能將數(shù)據(jù)和結(jié)果實(shí)時(shí)傳至電腦和手機(jī)，具有很高的性價(jià)比。采集放大電路還存在功耗較大的問(wèn)題，采用單節(jié)7.4 V鋰電池供電時(shí)，其總功耗電流在61 mA左右。

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