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肌电信号前端采集电路.docx

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.39M 资料格式：docx 举报 版权申诉
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    1.原始表面肌电信号特点
    1.1.肌电信号特点
    1.2.人体表皮肌肉采取的肌电信号干扰噪声特点
    2.肌电信号采集系统的设计
    2.1前置放大电路（预放大）
    2.2滤波电路
    2.2.1带通滤波电路处理
    2.2.2 50HZ工频陷波电路处理
    2.3全差分放大电路(主放大电路)
    数据采集前端综述 目录 1.原始表面肌电信号特点 ............................................. 1 1.1.肌电信号特点 ................................................. 1 1.2.人体表皮肌肉采取的肌电信号干扰噪声特点 ....................... 2 2.肌电信号采集系统的设计 ........................................... 3 2.1 前置放大电路（预放大） ........................................ 4 2.2 滤波电路 ...................................................... 5 2.2.1 带通滤波电路处理 .......................................... 5 2.2.2 50HZ 工频陷波电路处理 ..................................... 7 2.3 全差分放大电路(主放大电路) .................................... 8 1.原始表面肌电信号特点 1.1.肌电信号特点 （1）微弱性：EMG 信号是一种十分微弱的微伏级生理电信号，健康人经表 面电极提取的表面肌电（sEMG)信号幅值主要集中 100-5000μV， 其峰峰值通常 在 0-6000μV，一般不会超过噪声水平。肌肉放松时幅值在 20-30μV 之间，肌 肉收缩时一般在 60-300μV。偏瘫患者的 EMG 信号幅值通常小于 350μV，很容易 被周围的基础噪声淹没。
    （2）低频性:EMG 信号目前比较可靠的方法是通过双极模型进行研究，根据 波士顿大学神经肌肉研究中心的研究，EMG 信号的频率主要集中在 20-5OOHz，主 要能量集中在 20-150Hz 之间，功率谱最大频率要根据肌肉的不同而定，通常在 30 至 300Hz 之间，是一种典型的低频信号。表面肌电信号的频率范围一般不会 超过 1KHz，所以采集肌电信号时频率会设为 1KHz。 （3）对称性:肌电信号是由许多正弦波组成的，可以看成一个均值为零的高 斯白噪声过程。 （4）交变性：EMG 信号是一种交流电压信号，在幅值上与肌力大致成正比， 肌肉的松弛和收缩度与肌电电压幅度之间存在良好的线性关系。 （5）规律性：同一块肌肉在作不同动作时，其时域频域特征和幅值谱频率 特性曲线形状都具有很大的相似性，说明不同肌肉的肌电发放存在着一定的规律 性。 （6)差异性：对于肌电信号的采集会受到年龄、性别、是否健康等因素的影 响。即便是对同一个体，在不同时刻、不同部位、不同肌肉疲劳程度下，信号的 差异性都很大。 1.2.人体表皮肌肉采取的肌电信号干扰噪声特点 （1）采集设备的固有噪声：这种噪声无法完全消除，只能通过提高采集仪 器的精度以降低其对信号的影响。 （2）移动伪迹噪声：在采集过程中，采集电极与采集部位之间的偏差，或 者是采集系统的连接线移动引起的。这种噪声可以通过采集方案的改进，或采用 合适的滤波器将噪声完全滤出。 （3）环境噪声：采集系统电路的电磁辖射对电子仪器的影响导致的噪声， 可以通过密封采集电路的方式尽可能地避免。 （4）工频干扰引入的途径[9] ①由空间辐射引入:空间的电磁场可以通过检测设备中的电极连线、印刷电 路板上的连线、器件引脚或器件本身感应为相应频率成分的电流，成为噪声混入 肌电信号。空间的电磁场可能来自于多种源，最致命的是电网辐射造成的工频干 扰;
    ②由直流电源引入:检测设备中，为有源器件供电的直流电源通常都是由工 频交流电源变压、整流、稳压而得到的。在我们表皮电极检测肌电信号时，往往 会引入直流，这些直流稳压电源不可能达到理想的滤波效果。以纹波形式存在的 工频(或其谐波)电流会通过电源引入到放大电路中; ③由受试者身体引入:暴露于空问电场、磁场中受试者身体同样也会感应电 磁场而产生感应电流，受试者身体所感应的工频电流通过检测电极，与生物电信 号一起加到放大器输入端，形成工频干扰。 （5）生理因素引起的噪声：信号在人体内传导过程中，由于要经过各层组 织，受各种组织的影响而引起的波形相位变异。 其中，生理因素引起的噪声对信号的影响大于。因为信号的采集范围较大， 能够采集到较远处运动单位的电位信号。这种电位信号在采集到的信号中表现为 幅值很小的分量，从而导致无法正常识别，还会影响其他幅值较大分量的识别， 因而也将其归于噪声的一部分。 2.肌电信号采集系统的设计 由于 sEMG 的非平稳、非线性以及微弱幅值(10μV -6m V )，在检测中常会 淹没在各种噪声和干扰中，比如 50Hz 工频、谐波干扰还有心电、胃电以及由肌 肉与关节相对移动、关节角度变化等产生的低频噪声等。为此，须设计肌电信号 的预处理电路。肌电信号放大器电路包括主要包括预放大电路、带通滤电路、主 放大电路。
    2.1 前置放大电路（预放大） 前置放大电路作为信号输入的第一级，直接决定了系统的共模抑制比、输入 阻抗和噪声大小等关键指标。当通过表面电极来提取表面肌电信号时，电极与皮 肤的接触阻抗非常高。皮肤阻抗不是纯电阻，会随着信号频率的增大变小。如果 输入阻抗不够高，表面肌电信号的低频部分幅度会比高频部分小，引起失真。经 过测量估计，当输入阻抗大于源阻抗 100 倍的时候，可以忽略上述影响。另外， 在测量人体生理信号的时候，由于人体的导电性较好，会接收来自空间的各种电 磁辐射。这些电磁辐射尤其以 5OHz 或 60Hz 的工频干扰较为常见。工频干扰会以 共模的形式祸合进表面肌电信号，影响表面肌电信号的测量。而前置放大电路的 共模抑制比越高，则工频干扰的影响越小。[2] 经过前置放大器放大后，人体表面的直流成分也随着表面肌电信号一起放大。 为了提高对表面肌电信号的分辨率，后端对表面肌电信号又进行了放大。由于直 流成分的存在，使得放大倍数不能太大，否则会使表面肌电信号失真。对于预放 大电路有以下放大方案： 方案一：预放大（增益为 10，以增强信号抗干扰能力，减小噪音的影响）， 电路原理图如图所示[1] 。预放大采用了具有较高共模抑制比的 AD8221 芯片，因 而能很好的抑制宽带干扰和线性失真；同时，该芯片工作噪声低在工作频率为 1kHz 时，AD8221 放大器的最大输入电压噪声为 8nV/Hz ：而在频率为 0.1Hz-10Hz 时，AD8221 仅存在 0.25uV 的点对点输入噪声，其增益范围为 1-1000V/V，能满足使用的要求。
    2.2 滤波电路 2.2.1 带通滤波电路处理 为减小或消除肌电信号中的噪声干扰，一般在信号采集的电极硬件中包含一 些滤波器，会对信号进行一定程度的滤波，如 50Hz 陷波器。同时，在对表面肌 电信号进行预处理时，会利用各种滤波算法对信号进行滤波，以减小噪声干扰， 提高信号的质量。在采集人体表面肌电信号的过程中，人体经常会祸合一部分的 高频噪声。这部分高频噪声不在表面肌电信号的频带之内。 无源滤波器的通带放大倍数和截止频率会随着负载的变化而改变。而有源滤 波器具有输入阻抗高，输出阻抗低的特性。压控电压源型滤波器的输出电压不受 负载的影响，输入端的输入阻抗为无穷大，输出阻抗为零。二阶压控电压源型滤 波器跟一阶压控电压源型滤波器相比，滤波性能更好;跟更高阶的压控电压源型 滤波器相比，虽然性能不如高阶压控电压型滤波器，但是滤波器电路的复杂程度 要比它简单得多。[2]
    对此有以下几种设计方法： 观点一：二阶巴特沃兹高通滤波器（截止频率为 10Hz），电路原图如图 5-7 所示[1]；三阶巴特沃兹低通滤波器（设定其截止频率为 500Hz，与高通滤波器配 合，使信号频带控制在 10~500Hz 范围内），电路原理图如图 5-8 所示[1]。该电 路运放芯片主要用于滤波电路，对精度要求较低，因而采用成本相对较低的 OP27 运放。
    观点二：利用 4 阶 Butterworth 高通滤波(f=10Hz)去除运动伪迹和电缆引起的电 噪声，低通滤波(f =5OOHz)去除高频噪声(如电极处的皮肤组织噪声)。陷波处理 则是为了去除 5OHz 的工频干扰;调零稳压电路的作用是保证电路的输入输出稳 定一致，即抑制电路的零点漂移。 数字滤波器类型有无限单位脉冲响应滤波器和有限长度单位脉冲相应滤波 器，相比较，前者可用较低结束获得较高的性能，所用储存单元少，计算量小， 效率高等优势。 2.2.2 50HZ 工频陷波电路处理 ①使用具有较高增益的仪用器件作为前置放大器（例如 INA128PA），并将整 个装置放入金属屏蔽盒中进行屏蔽处理。电极连线采用带屏蔽的电缆，并尽可能 缩短电缆的长度，减少电极连线所引起的运动伪迹，并对屏蔽层进行共模驱动处 理。 ②针对直流电源引入的工频干扰，采用可充电锂电池对有源器件进行供电。 采用锂电池供电不仅避免了整流稳压电源纹波所带来的工频干扰问题，而且还消 除了因漏电而导致受试者被电击伤的可能。 ③对于受试者身体引入的工频干扰，由于这部分工频干扰在进入检测电路前 就直接和 EMG 信号混合在一起，所以是最致命的，也是技术上难解决的问题。对 于差分检测，设 V1 和 V2 分别为两个电极处的肌电信号，与差分放大器相连的两 个电极距离一般较近(我们用的表面电极间距 0.5cm)，较远处电力线等干扰源产 生的工频干扰在两个电极处的幅度基本相同，设为 Vn。如果两个电极处的工频 干扰相位相同且差分放大器具有理想减法功能，增益为 G 的差分放大器输出端的
    输出信号为: V0=G((V1+Vn)-(V2+Vn))=G(V1-V2)[9] 滤波采取 20-500Hz 带通滤波和 100、150、200Hz 的陷波处理，陷波器是根 据带阻滤波原理，把阻断频率设置为陷波点附近很短的一段。（滤波后幅度相应 效果如下图所示）经过 20-5OOHz 带通滤波后 EMG 信号较原始 EMG 信号抖动减小、 平滑性增大;经过陷波处理后，陷波点附近频率已被滤除掉了。 2.3 全差分放大电路(主放大电路) 全差分放大电路具有很多优点:首先可以实现差分信号传递，抵抗外部共模 干扰;其次是在相同电源电压下，能够提供 2 倍的信号动态范围;最后是能够有
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