表面肌電信號(hào)拾取的專用有源濾波器設(shè)計(jì)

引言

肌電信號(hào)是肌肉中運(yùn)動(dòng)單元?jiǎng)幼麟娢唬╩uap）在時(shí)間上和空間上的疊加，表面肌電信號(hào)則主要是淺層肌肉和神經(jīng)干上電活動(dòng)的綜合效應(yīng)，相對(duì)于針電極emg，表面emg的研究具有無(wú)創(chuàng)傷、操作簡(jiǎn)單的特性，它的應(yīng)用已經(jīng)深入到臨床醫(yī)學(xué)、運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)、生物醫(yī)學(xué)與工程等諸多領(lǐng)域。

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

濾波器的總體設(shè)計(jì)

表面肌電信號(hào)一般只有微伏級(jí)電壓，信號(hào)中往往夾帶著低頻（接近直流）和高頻的干擾信號(hào)，真正有用的肌電信號(hào)大致在10hz－500hz之間。除此之外，50hz的工頻信號(hào)也是一個(gè)重要的干擾源，如果不去除可能會(huì)掩蓋表面肌電信號(hào)，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(cè)出的信號(hào)首先需進(jìn)行隔直處理，然后才能進(jìn)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(hào)放大可分多級(jí)放大，但第一級(jí)必須有較大的大倍數(shù)。本設(shè)計(jì)中選用了低功耗、高精度、低噪聲放大器ad620。其增益計(jì)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(hào)是微弱信號(hào)，為了避免其他信號(hào)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(jí)就出現(xiàn)飽和，因此rg的值要選擇適當(dāng)，以獲得適當(dāng)?shù)脑鲆?。?jīng)試驗(yàn)，本設(shè)計(jì)中令rg＝200ω，根據(jù)公式（2）計(jì)算得到g＝248。

為了進(jìn)一步提高共模抑制比，本設(shè)計(jì)中還采用了共模反饋消除法。由u2a、c3、r3、r4、r5、r6構(gòu)成共模反饋電路，人體輸入的共模電壓被兩個(gè)阻值相等的電阻r5、r6檢測(cè)出來(lái)，經(jīng)過(guò)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(shè)計(jì)的放大部分還采用了兩個(gè)反比例運(yùn)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(hào)對(duì)表面肌電信號(hào)的采集有很大的影響，它的頻率恰好在表面肌電信號(hào)能量集中的頻段，且其幅度比表面肌電信號(hào)大1－3個(gè)量級(jí)，因此必須除去。本設(shè)計(jì)中采用陷波器來(lái)濾除50hz的工頻信號(hào)。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(guò)計(jì)算，另一方面還要通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)其濾波效果，本設(shè)計(jì)中r13取10kω，c9取0.33μf，根據(jù)公式（3）算得f為48hz，實(shí)際測(cè)得陷波器的中心頻率為49hz，滿足設(shè)計(jì)要求。

陷波器的品質(zhì)因素（q），決定濾波器的選擇性，高q對(duì)應(yīng)較窄的阻帶而低q對(duì)應(yīng)較寬的阻帶。本設(shè)計(jì)中由于只要求衰減50hz信號(hào)，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(hào)反饋到網(wǎng)絡(luò)的縱臂，由于是正反饋，具有頻率增強(qiáng)作用，所以可使阻帶變窄，q值提高。q值的計(jì)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(chǎn)生的干擾，而且q值的提高保證了有用信號(hào)不被衰減。

低通濾波電路

從整個(gè)系統(tǒng)來(lái)看，除了要抑制50hz工頻信號(hào)外，還應(yīng)限制高頻信號(hào)，這就要使用低通濾波器。最常用的全極點(diǎn)濾波器有巴特沃斯濾波器和切比雪夫?yàn)V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?yàn)V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(nèi)，巴特沃斯濾波器則較切比雪夫?yàn)V波器差得多。本設(shè)計(jì)中要保證低頻信號(hào)不被衰減，而對(duì)高頻要求不高，因此選擇了巴特沃斯濾波器。同時(shí)考慮到本設(shè)計(jì)需要正反饋，所以選用了能產(chǎn)生正相增益的壓控電壓源濾波器（vcvs）。

本設(shè)計(jì)中選擇了兩組不同參數(shù)的元器件，來(lái)構(gòu)成兩個(gè)低通濾波電路。這樣濾波效果要比兩個(gè)參數(shù)相同的濾波電路的效果要好。各實(shí)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(shí)電路中還應(yīng)加入反比例運(yùn)算電路以提高放大倍數(shù)。至此，濾波器設(shè)計(jì)基本完成。

濾波器的調(diào)試

在對(duì)本濾波器的調(diào)試時(shí)輸入了峰值電壓為20mv的正弦信號(hào)，為保證輸出的信號(hào)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(shí)際波形看出該濾波器的50hz信號(hào)得到較大的衰減，并且阻帶較窄，從而使臨近頻率的信號(hào)得到保留。同時(shí)高頻信號(hào)也被衰減，而500hz以下的信號(hào)則衰減較少。從而滿足了本設(shè)計(jì)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(hào)放大器，性能穩(wěn)定，抗干擾性強(qiáng)。但通過(guò)實(shí)際實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，visheeg16－24amp濾波器的選頻范圍較窄，信號(hào)在40hz以上的都被衰減，而表面肌電信號(hào)的有效信號(hào)范圍在10hz－500hz。如果使用visheeg16－24amp濾波器進(jìn)行表面肌電信號(hào)的拾取，必然會(huì)損失大量有效信號(hào)，因此visheeg16－24amp濾波器并不適合用于表面肌電信號(hào)的拾取，必須使用本文設(shè)計(jì)的專用表面肌電信號(hào)濾波器。visheeg16－24amp濾波與表面肌電信號(hào)專用濾波器性能比較如表1所示。

結(jié)語(yǔ)

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