表面肌电信号拾取与预处理电路设计.pdf

第?卷?第?期?年?月?科?学?技?术?与?工?程?通信技术表面肌电信号拾取与预处理电路设计姜?磊?王红旗?杜冬梅?河南理工大学电气工程与自动化学院?焦作?摘?要?表面肌电信号?是指当骨骼肌收缩时?肌纤维所产生的微弱电信号在皮肤表面的募集?一般情况下?表面肌电信号特别微弱?频率主要集中在?范围内?幅值在?很容易受到工频?噪声干扰?针对表面肌电信号的特点?采用?电极拾取?信号?设计了仪表放大电路?带通信号调理电路?实验证明?所设计的电路能有效提取带宽为?的表面肌电信号?实现了简捷有效的表面肌电信号拾取?关键词?表面肌电信号?信号拾取?信号预处理?带通滤波中图法分类号?文献标志码?年?月?日收到河南理工大学博士基金?资助第一作者简介?姜?磊?男?河南巩义人?河南理工大学硕士研究生?研究方向?机器人控制?表面肌电信号?是从人体骨骼肌表面通过电极记录下来的神经肌肉活动发放的生物电信号?表面肌电信号的应用已经深入到临床医学?运动控制?生物医学与康复工程等诸多领域?特别是通过提取截肢者残端?信号控制电动轮椅?有机的将?信号与外部装置联系起来?使残疾人可以直接通过残端运动来控制电动轮椅的运动?而肌电控制中最为关键的是如何有效提取?目前?国外研究学者应用?信号实现了机械手的控制和驾驶电动车?国内赵章琰?陈香等应用?信号实现了手势识别?罗志增等应用?信号研制肌电假肢?近年来?随着检测技术和信号处理手段的发展?研究如何使用表面肌电信号代替传统的针式电极进行全面的临床无损诊断已经成为医学界研究的热点问题之一?人体皮肤表面的肌电信号幅值约为?能量主要集中在?之间?信号微弱?易受干扰?因此?用电极采集过来的表面肌电信号必须经过放大滤波?才能有效的识别?本文采用?表面电极拾取?信号?设计了具有高共模抑制比?抗干扰能力强的信号调理电路?为之后对表面肌电信号进行分析辨识?并通过?信号作为控制信号驱动轮椅电机打下坚实的基础?表面肌电信号的产生机理表面肌电信号?是一维时间序列信号?它发源于作为中枢神经一部分的脊髓中的运动神经元?是电极所接触到的许多运动单元发放的动作单位的总和?完成神经控制下肌肉收缩的最小的功能单位是运动单位?运动单位是由一个?运动神经元?轴突?运动终板?和神经末梢支配的肌肉纤维?组成?表面肌电信号产生机理如图?所示?从?运动神经元发出的冲动沿着神经轴发送到神经肌肉接头处的触突扣?神经终板膨大?加速该处的乙酰胆碱?释放入神经肌肉连接处的裂隙内?激发神经肌肉接头处肌肉侧的触发电位?即终板电位?这个终板电位能够触发肌膜的动作电位?这个动作电位进一步刺激肌质网内?释放?引起肌肉收缩?整个过程称为兴奋?收缩偶合?图?表面肌电信号产生机理框图?的拾取?的拾取是肌电信号处理中极为重要的一环?信号通过贴附在体表的表面电极来拾取?表面电极本身的设计和所贴的位置都将对实验的结果产生重大的影响?本文所采用的是?电极?如图?所示?电极由?材料?导电膏?绝缘板和引线端子构成?电极使用电解或烧结的方法制成?通过含?离子的导电膏和皮肤接触?导电膏在测量时涂在皮肤上?或是用凝胶 固 定 在?电 极 表 面 制 成 一 次 性电极?图?为电极接线实物图?由图?所示?左边的两片?电极放置在前臂肌肉密集处?例如桡侧腕曲肌?作为?预处理电路的差分式输入端?右边的一片?电极作为参考电极?由于?共模干扰无处不在?人体变成一个大电容?体表本身就有一定的电势体自主产生电压?因此需要有一个基准电压?这个电压就是参考电压?必须由参考电极提供?参考电极可以摆放在体表的骨性标志上或不参加测试运动的肌肉的肌腱处?关键是在测试中参考电极不能采集到自主运动的电信号?本文中参考电极放置在手腕骨性标志上?例如桡腕关节?图?电极?预处理电路设计和特性分析?信号预处理电路设计框图如图?所示?预处理电路由隔直和仪表放大电路?带通滤波电路两部分组成?图?电极接线实物图图?信号预处理电路设计框图?隔直和仪表放大电路图?仪表放大电路仪表放大电路如图?所示?仪表放大电路由仪表放大器?用?表示?以及周围阻容元件?构成?仪表放大电路对差分输入?上的?信号放大一定倍数并利用电阻?和电容?串联特性进行一阶高通滤波抑制运动伪迹的影响?本电路采用仪表放大器?是?公司生产的高性能?低功耗仪表放大器?的共模抑制比高达?失调电压小于?并且只需外接一个精密电阻就可以在?倍之间设定放大倍数?本电路中仪表放大器的增益主要由?决定?并且由?和?组成高通滤波电路?的增益公式和高通滤波的截止频?科?学?技?术?与?工?程?卷图?肌电信号调理电路的幅频特性曲线率公式分别为公式?和式?选取?设计高通滤波电路的截止频率为?由公式?计算得?实际取?为?根据公式?所得前级放大倍数约?倍?实际电路中采用?作为前置仪表放大器完全能够符合整个电路的设计要求?带通滤波电路设计后级 放 大 器 选 用?通 道 模 拟 量 输 入 的?选用两片?即可完成?通道模拟输入?为?封装?体积小?功耗低?大大减少了对电路板的面积需求?符合整体电路的设计要求?根据总体放大倍数?倍的设计要求?前级放大器放大约?倍?则后级放大倍数约?倍?同时要求?的带通滤波?为保证带内增益的平坦?选用巴特沃斯带通滤波器?采用?电路仿真软件对?调理电路进行仿真?所得其幅频特性曲线如图?所示?从图?可以看出电路对低于?的低频和直流分量有较好的抑制作用?低通滤波的截止频率约为?的通频带内增益平坦?且增益约为?放大倍数约为?倍?满足了整体电路的设计要求?实验结果与分析实验实物图如图?所示?将表面电极贴在手臂前端上?用屏蔽线将?信号引入?信号处理电路?在输出端用示波器观察输出信号?记录手臂静止?轻度握拳?用力握拳和手臂翻转的波形如图?图?所示?由图?图?可得?一方面手臂在静止?握拳?翻转三种动作情况下?所采集到的?信号是不同的?手臂静止时?所测的是静息电位?示波器显示波形在参考电势?上下有轻微的波动?电极拾取到的电压几乎为?轻度握拳时?波形在?上下波动且正向峰值和负向峰值电压相差不大?翻转时?波形在?上下波动且正向峰值和负向峰值电压相差较大?另一方面同样的动作在用力程度不同的情况下?所得的?信号也不一样?在握拳动作下?用力握拳的?波形图峰值电压明显要比轻度握拳的?波形图峰值电压大很多?而且在?电压上下波动较大?由此可得肌肉运动和?的对应关系为?肌肉收缩时对应的?信号变大?肌肉舒张时对应的?信号变小?肌肉收缩的力度越大?对应的?信号也就越大?这将非常有利于对手的动作进行有效识别?期姜?磊?等?表面肌电信号拾取与预处理电路设计图?手腕静止时?波形图?轻度握拳时?波形图?用力握拳时?波形?结束语本文针对?信号的特点?采用?电图?手腕翻转时?波形极对?信号进行拾取?并设计了?信号的检测方法和相应的信号调理电路?很好地解决了?的拾取和预处理问题?本电路具有低成本?高效率?便捷快速等优点?为了达到利用?信号来控制智能轮椅的运动模式?信号的正确获取只是完成了第一步?如何将?信号中蕴涵的肢体运动信息提取出来?后续的信号处理与特征提取将是关键?以上所取得的研究成果?为进一步对上肢运动模式进行分类识别以及特征提取?最终用?信号控制电动轮椅打下了良好的基础?参考文献?史?萍?宋爱国?基于?的肌电信号采集仪设计?研究论著?顾?昕?金?杰?周建江?智能化肌电信号测试与训练系统前端处理电路与数据采集系统设计与实现?何庆华?彭承琳?吴宝明?有源电极用于表面肌电信号的检测?生物医学工程学杂志?胡?巍?赵章琰?路知远?无线多通道表面肌电信号采集系统设计?电子测量与仪器学报?罗志增?席旭刚?一种表面肌电信号测试电路设计?测试技术学报?毛志勇?和卫星?基于?的无线表面肌电信号监测系统设计?微计算机信息?科?学?技?术?与?工?程?卷?何乐生?倪海燕?宋爱国?一种便携式肌电信号?提取方法及其电路实现?电子测量与仪器学报?王粉娟?秦?刚?王靖宇?检测电极的设计?电子设计工程?万?莎?侯文生?杨丹丹?等?基于?的多通道?信号检测系统设计?测控技术与仪器仪表?唐志刚?何爱军?谭慧玲?表面肌电检测系统上位机应用程序设计?北京生物医学工程?上接第?页?唐?求?王耀南?郭斯羽?等?基于?变换与?的电能质量多扰动检测?仪器仪表学报?期姜?磊?等?表面肌电信号拾取与预处理电路设计