表面肌電信號(hào)數(shù)字傳感器的設(shè)計(jì)

1.引言

　　表面肌電（suRFace electromyography, sEMG）信號(hào)是神經(jīng)肌肉系統(tǒng)在進(jìn)行隨意性和非隨意性活動(dòng)時(shí)的生物電變化經(jīng)表面電極引導(dǎo)、放大、顯示和記錄所獲得的一維電壓時(shí)間序列信號(hào)，其振幅約為0-5000μV，頻率0-1000Hz，信號(hào)形態(tài)具有較強(qiáng)的隨機(jī)性和不穩(wěn)定性。與傳統(tǒng)的針式肌電圖相比，sEMG的空間分辨率相對(duì)較低，但是探測(cè)空間較大，重復(fù)性較好，對(duì)于體育科學(xué)研究、康復(fù)醫(yī)學(xué)臨床和基礎(chǔ)研究等具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和應(yīng)用意義[1]。

　　人體是一導(dǎo)電體，工頻干擾及體外的電場(chǎng)、磁場(chǎng)感應(yīng)都會(huì)在人體內(nèi)形成測(cè)量噪聲，干擾sEMG的檢測(cè)，所以信號(hào)的濾波和電路的屏蔽成為表面肌電信號(hào)數(shù)字傳感器設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。分為幾個(gè)部分：電極、放大電路、濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換。

　　2.電極的設(shè)計(jì)

　　本文電極極片的基體用銅制作，表面鍍銀，其形式采用常用的雙極型，并在兩個(gè)電極中間插入了一個(gè)參考電極，也稱作無(wú)關(guān)電極，以利于降低噪聲，提高對(duì)共模信號(hào)的抑制能力。為了消除來自電源線的噪聲，采用差動(dòng)放大的方法。

　　肌電信號(hào)由兩個(gè)電極來檢測(cè)，兩個(gè)輸入信號(hào)“相減”，去掉相同的“共?！背煞荩环糯蟛煌摹安钅！背煞?。任何噪聲如果離檢測(cè)點(diǎn)很遠(yuǎn)，在檢測(cè)點(diǎn)上將表現(xiàn)為“共?！毙盘?hào)；而檢測(cè)表面附近的信號(hào)表現(xiàn)為不同，將被放大。因此，相對(duì)較遠(yuǎn)處的電力線噪聲將被消除，而相對(duì)比較近處的肌電信號(hào)將被放大。其準(zhǔn)確性由共模抑制比（CMRR）來衡量[2]。

　　肌電信息在人體組織(容積導(dǎo)體)內(nèi)的傳遞，會(huì)隨著距離的增加而很快衰減。因此電極宜貼放在肌電發(fā)放最強(qiáng)的肌腹部，以減少鄰近肌肉的肌電干擾(串音)。采用較小的電極可提高選擇性，但會(huì)增加電極與皮膚間的接觸阻抗。

　　3放大電路的設(shè)計(jì)

　　人體肌肉組織是皮表肌電的信號(hào)源，它發(fā)放的肌電經(jīng)過皮下軟組織的體電阻傳輸至皮膚表面，體電阻約數(shù)百歐姆，但是，表面電極與皮膚之間的接觸阻抗比較高，約幾千歐姆。接觸電阻還受接觸松緊程度、皮膚清潔程度、濕度、四季時(shí)令變化等多種因素影響，變化很大[3]。由此可見，對(duì)于放大器來說，肌電信號(hào)源是一個(gè)高內(nèi)阻的信號(hào)源。

　　在設(shè)計(jì)肌電信號(hào)放大電路時(shí)，著重考慮了以下問題：1．高增益：表面肌電信號(hào)幅度約在分布μV～mV數(shù)量級(jí)之間，是一種極其微弱的信號(hào)，要將其放大到一伏左右才能方便使用，所以將放大器的增益設(shè)置在80dB。2．高共模抑制比：表面肌電信號(hào)的采集易受50Hz工頻電源及其它高頻電噪聲的干擾。但這些干擾信號(hào)在放大器的輸入端表現(xiàn)為同幅同相的信號(hào)――共模信號(hào)，因此選用高共模抑制比的放大電路對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行抑制。3．高輸入阻抗：肌肉組織與電極之間的接觸阻抗可能在相當(dāng)大的范圍內(nèi)變化，天氣干燥地區(qū)，接觸電阻甚至高達(dá)幾萬(wàn)歐姆，在這種條件下，即使放大器的共模比極優(yōu)良，如果輸入阻抗不夠高，共模干擾信號(hào)也會(huì)造成輸出誤差。因此必須提高放大器的輸入阻抗。

　　根據(jù)以上所述，設(shè)計(jì)的肌電信號(hào)采集電路要求具有高增益、高輸入阻抗、高共摸抑制比(CMRR)、低零漂、低失調(diào)、低功耗、尤其是低的1/f噪聲電壓。本文選用德州儀器（Texas Instruments）公司的Burr-Brown系列的同相并聯(lián)差動(dòng)三運(yùn)放儀表放大器INA128PA為核心器件搭建了前置放大電路，獲得了良好的電路效果。該芯片內(nèi)部原理電路圖如圖1所示。

圖1 INA128內(nèi)部原理圖

　　表面肌電信號(hào)非常微弱，從電極引導(dǎo)出的信號(hào)夾雜著很強(qiáng)的干擾信號(hào)，為了避免在干擾較強(qiáng)時(shí)信號(hào)進(jìn)入非線性區(qū)引起嚴(yán)重失真，應(yīng)該采用兩級(jí)放大。儀用放大器INA128作為一級(jí)放大，設(shè)計(jì)比例運(yùn)算放大器作為二級(jí)放大。

　　4 濾波器的設(shè)計(jì)