摘 要：介紹了表面肌電信號(hào)數(shù)字傳感器的設(shè)計(jì)方法。根據(jù)表面肌電信號(hào)產(chǎn)生特點(diǎn)和采集技術(shù)的基本要求，研究電極的形狀和正確的放置方法，采用儀用放大器INA128設(shè)計(jì)前置放大電路。設(shè)計(jì)有源濾波器，應(yīng)用串行A/D轉(zhuǎn)換芯片輸出數(shù)字信號(hào)。實(shí)驗(yàn)表明，該方法可以提高信噪比，減小噪聲，有效地提取出表面肌電信號(hào)。
關(guān)鍵字：表面肌電信號(hào);數(shù)字傳感器;前置放大電路
Abstract: Design of surface electromyography digital transducer was discussed. According to the special character of surface electromyography and basic need of collection technology, it had been explored to investigate the electrode shape and the right placing method. The instrumentation amplifier INA128 was adopted to design preamplifier circuit. Active filter was designed and serial A/D switch circuit controller was used to output digital signal. Experiments showed that the design can improve ratio of signal and noise, reduce noise and detect surface electromyography effectively.
Keywords: Surface electromyography, Digital transducer, Data acquisition
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、磁場感應(yīng)都會(huì)在人體內(nèi)形成測量噪聲，干擾sEMG的檢測，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，兩個(gè)輸入信號(hào)“相減”，去掉相同的“共模”成份，只放大不同的“差模”成份。任何噪聲如果離檢測點(diǎn)很遠(yuǎn)，在檢測點(diǎn)上將表現(xiàn)為“共模”信號(hào);而檢測表面附近的信號(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)
表面肌電信號(hào)一般只有毫伏級(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、濾波功能，并且要求具有高共模抑制比和好的抗干擾性。低通濾波器采用壓控電壓源型二階低通濾波器。
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)中采用雙T有源濾波器來濾除50Hz的工頻信號(hào)，如圖2所示。
下面來分析可能引入工頻干擾的途徑：1由空間輻射引入：空間的電磁場可以通過檢測設(shè)備中的電極連線、印刷電路板上的連線、器件引腳或器件本身感應(yīng)為相應(yīng)頻率成分的電流，成為噪聲混入肌電信號(hào)。空間的電磁場可能來自于多種源，最致命的是電網(wǎng)輻射造成的工頻干擾。2由直流電源引入：檢測設(shè)備中，為有源器件供電的直流電源通常都是由工頻交流電源變壓、整流、穩(wěn)壓而得到的。直流穩(wěn)壓電源不可能達(dá)到理想的濾波效果。以紋波形式存在的工頻（或其諧波）電流會(huì)通過電源引入到放大電路中。3由受試者身體引入：暴露于空間電磁場中的受試者身體同樣會(huì)感應(yīng)電磁場而產(chǎn)生感應(yīng)電流，受試者身體所感應(yīng)的工頻電流通過檢測電極，與生物電信號(hào)一起加到放大器輸入端，形成工頻干擾。
針對(duì)直流電源引入的工頻干擾，采用電池對(duì)有源器件進(jìn)行供電。采用電池供電不僅避免了整流穩(wěn)壓電源紋波所帶來的工頻干擾問題，而且還消除了因漏電而導(dǎo)致受試者被電擊傷的可能。由于電池的電壓較低，用多節(jié)電池又會(huì)顯得體積龐大，所以采用DC/DC模塊來升壓解決芯片的供電問題。
圖2 雙T有源濾波器電路
5 A/D轉(zhuǎn)換
由于采樣頻率并不高，選用8位串行A/D轉(zhuǎn)換器ADC0832即可。ADC0832使用采樣—數(shù)據(jù)—比較器的結(jié)構(gòu)，采用逐次逼近方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。根據(jù)多路器的軟件配置，單端輸入方式下，要轉(zhuǎn)換的輸入電壓連到一個(gè)輸入端和地端;差分輸入方式下，要轉(zhuǎn)換的輸入電壓連到一個(gè)輸入端和另一輸入端。ADC0832 的兩輸入可以分配為正極或負(fù)極，可以由多路器進(jìn)行軟件配置。但是要注意的是，當(dāng)連到分配為端的輸入電壓低于分配為負(fù)端的輸入電壓時(shí)，轉(zhuǎn)換結(jié)果為全0。通過和控制處理器相連的串行數(shù)據(jù)鏈路傳送控制命令，用軟件對(duì)通道選擇和輸入端的配置。串行通信格式在不增加封裝大小的情況下，可以在轉(zhuǎn)換器中包含更多的功能。另外，可把轉(zhuǎn)換器和模擬傳感器放在一起，和遠(yuǎn)端的控制處理器串行通信，而不是進(jìn)行低電平的模擬信號(hào)的遠(yuǎn)程傳送。這樣的處理使返回到處理器的是無噪聲的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，避免了模擬信號(hào)遠(yuǎn)傳的干擾。整個(gè)采集系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完畢，具體電路圖3所示：
圖3 系統(tǒng)電路圖
6 結(jié) 論
表面肌電信號(hào)非常微弱，先要對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行放大，才能達(dá)到AD采集單元的要求，而且由于人體是一導(dǎo)電體，工頻干擾及體外的電場、磁場感應(yīng)都會(huì)在人體內(nèi)形成測量噪聲，干擾肌電信息的檢測，嚴(yán)重影響了測量系統(tǒng)的工作和有用信號(hào)的正確測量。本文根據(jù)表面肌電信號(hào)產(chǎn)生特點(diǎn)和采集技術(shù)的基本要求，設(shè)計(jì)了表面肌電信號(hào)數(shù)字傳感器，取得了良好的試驗(yàn)效果。
參考文獻(xiàn)
[1] 師碩，李錫杰，王旭. 肌電信號(hào)采集系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)的串口通訊[J]. 微計(jì)算機(jī)信息，2006，1：226-227.
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[3] 錢曉進(jìn)，鄭如冰，王傳林. 高性能肌電檢測前置放大器的設(shè)計(jì). 現(xiàn)代科學(xué)儀器，2003，19（3）：50-52
