表面肌電信號拾取的專用有源濾波器設計

引言

肌電信號是肌肉中運動單元動作電位（muap）在時間上和空間上的疊加，表面肌電信號則主要是淺層肌肉和神經(jīng)干上電活動的綜合效應，相對于針電極emg，表面emg的研究具有無創(chuàng)傷、操作簡單的特性，它的應用已經(jīng)深入到臨床醫(yī)學、運動醫(yī)學、生物醫(yī)學與工程等諸多領域。

然而人體皮膚表面的肌電信號很微弱、容易受到其他信號的干擾，因此需用濾波器對輸入信號進行濾波、放大才能得到有效且可識別的信號。由于表面肌電信號本身的特性，一般的濾波器無法得到好的處理效果，這就要求設計表現(xiàn)肌電信號拾取的專用濾波器。本文著重介紹這種專用濾波器的設計、性能，并與醫(yī)用濾波器vishee g16－24amp進行了比較。

濾波器的總體設計

表面肌電信號一般只有微伏級電壓，信號中往往夾帶著低頻（接近直流）和高頻的干擾信號，真正有用的肌電信號大致在10hz－500hz之間。除此之外，50hz的工頻信號也是一個重要的干擾源，如果不去除可能會掩蓋表面肌電信號，根據(jù)這些特殊要求，專用濾波器必須具有隔直、放大、濾波功能，并且要求具有高共模抑制比和好的抗干擾性。

隔直和放大電路

從表面電極檢測出的信號首先需進行隔直處理，然后才能進行放大。隔直和放大部分電路如圖1所示。

其中隔直部分為一階高通濾波器，其截止頻率為：

信號放大可分多級放大，但第一級必須有較大的大倍數(shù)。本設計中選用了低功耗、高精度、低噪聲放大器ad620。其增益計算公式為：

其中rg為管腳1和管腳8之間的電阻，g為增益值。由于表面肌電信號是微弱信號，為了避免其他信號的干擾，增益值要足夠大；但另一方面，增益值如果太大，可能在第一級就出現(xiàn)飽和，因此rg的值要選擇適當，以獲得適當?shù)脑鲆妗＝?jīng)試驗，本設計中令rg＝200ω，根據(jù)公式（2）計算得到g＝248。

為了進一步提高共模抑制比，本設計中還采用了共模反饋消除法。由u2a、c3、r3、r4、r5、r6構成共模反饋電路，人體輸入的共模電壓被兩個阻值相等的電阻r5、r6檢測出來，經(jīng)過u2a將其倒相并反饋到人體上，使其共模電壓降低乃至抵消，從而減小了共模電壓的拾取。

此外，本設計的放大部分還采用了兩個反比例運算電路，如果想更改放大倍數(shù)只需改變輸入端電阻和反饋電阻的阻值即可。

陷波電路

50hz工頻信號對表面肌電信號的采集有很大的影響，它的頻率恰好在表面肌電信號能量集中的頻段，且其幅度比表面肌電信號大1－3個量級，因此必須除去。本設計中采用陷波器來濾除50hz的工頻信號。陷波器電路如圖2所示。

陷波器的中心頻率為：

陷波器參數(shù)的確定一方面通過計算，另一方面還要通過實驗檢測其濾波效果，本設計中r13取10kω，c9取0.33μf，根據(jù)公式（3）算得f為48hz，實際測得陷波器的中心頻率為49hz，滿足設計要求。

陷波器的品質因素（q），決定濾波器的選擇性，高q對應較窄的阻帶而低q對應較寬的阻帶。本設計中由于只要求衰減50hz信號，其他頻率盡量保留，因此需要提高q值。圖2中放大器u3a將u2d的部分輸出信號反饋到網(wǎng)絡的縱臂，由于是正反饋，具有頻率增強作用，所以可使阻帶變窄，q值提高。q值的計算公式為：

式中f為電路反饋系數(shù)：

選取r18＝56kω，r17＝5.1kω，根據(jù)公式（4）、（5）可得f＝0.92，q＝3.125。這種陷波器電路能有效地濾除50hz工頻產生的干擾，而且q值的提高保證了有用信號不被衰減。

低通濾波電路

從整個系統(tǒng)來看，除了要抑制50hz工頻信號外，還應限制高頻信號，這就要使用低通濾波器。最常用的全極點濾波器有巴特沃斯濾波器和切比雪夫濾波器。就靠近ω＝0處的幅頻特性而言，巴特沃斯濾波器比切比雪夫濾波器平直，即在頻率的低端巴特沃斯濾波器幅頻特性更接近理想情況。但在接近截止頻率和在阻帶內，巴特沃斯濾波器則較切比雪夫濾波器差得多。本設計中要保證低頻信號不被衰減，而對高頻要求不高，因此選擇了巴特沃斯濾波器。同時考慮到本設計需要正反饋，所以選用了能產生正相增益的壓控電壓源濾波器（vcvs）。

本設計中選擇了兩組不同參數(shù)的元器件，來構成兩個低通濾波電路。這樣濾波效果要比兩個參數(shù)相同的濾波電路的效果要好。各實用元件值如圖3、4所示。

此外，為了保證輸入高阻抗，輸出低阻抗，以及濾波的穩(wěn)定性，可以在電路中加入跟隨器。同時電路中還應加入反比例運算電路以提高放大倍數(shù)。至此，濾波器設計基本完成。

濾波器的調試

在對本濾波器的調試時輸入了峰值電壓為20mv的正弦信號，為保證輸出的信號不飽和，將放大倍數(shù)定位為300倍，并在示波器上觀察輸出波形。

從實際波形看出該濾波器的50hz信號得到較大的衰減，并且阻帶較窄，從而使臨近頻率的信號得到保留。同時高頻信號也被衰減，而500hz以下的信號則衰減較少。從而滿足了本設計的要求。

本濾波器和visheeg16－24amp濾波器的比較

visheeg16－24amp是一種醫(yī)用心電信號放大器，性能穩(wěn)定，抗干擾性強。但通過實際實驗發(fā)現(xiàn)，visheeg16－24amp濾波器的選頻范圍較窄，信號在40hz以上的都被衰減，而表面肌電信號的有效信號范圍在10hz－500hz。如果使用visheeg16－24amp濾波器進行表面肌電信號的拾取，必然會損失大量有效信號，因此visheeg16－24amp濾波器并不適合用于表面肌電信號的拾取，必須使用本文設計的專用表面肌電信號濾波器。visheeg16－24amp濾波與表面肌電信號專用濾波器性能比較如表1所示。

結語

本文針對表面肌電信號的特性設計了專用的濾波器，基本能滿足表面肌電信號拾取的需要。此濾波器在工頻信號的處理上性能十分理想，但在高頻段信號的處理上還可以通過提高低通濾波器的階數(shù)加以改進。專用濾波器的設計還只是表面肌電信號研究的第一步，接下來要進行信號分析和特征提取。本文介紹的表面肌電信號專用有源濾波器設計為下一步信號處理打下了良好的基礎。