表面肌電信號前端處理系統(tǒng)

熊 平，唐 建

中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，長沙 410083

1 引言

表面肌電信號（SEMG）是由電極周圍的肌纖維產(chǎn)生的所有運(yùn)動單元電位（Motor Unit Potentials，MUAPs）在空間和時間上的累積。這些信號取決于運(yùn)動相關(guān)的肌肉收縮過程中的解剖和生理特性，能夠?yàn)槿藗兲峁┡c神經(jīng)肌肉活動相關(guān)的重要信息[1]。由于其具有提取方便、快捷、無創(chuàng)測量等優(yōu)點(diǎn)，表面肌電信號已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于例如功能性電刺激（FES）、肌肉收縮的疲勞分析、功能恢復(fù)、臨床診斷以及假肢控制系統(tǒng)等許多領(lǐng)域[2-3]。

表面肌電信號是一種非常微弱的交流電壓信號，其幅值在100～5 000 μV，峰峰值一般在0～6 mV。采用表面電極時，肌電信號能量主要集中在1 000 Hz以下，頻譜分布在20～500 Hz，其中，絕大部分頻譜集中在50～150 Hz之間[4]。研究表明，表面肌電信號一般不會超過噪聲水平，因此在進(jìn)行表面肌電信號采集時必須先對其進(jìn)行放大和去噪等處理，這就決定了處理電路必須滿足高輸人阻抗、高增益、高共模抑制比、低噪聲、低漂移[5-6]等要求。

本文通過分析表面肌電信號采集過程中可能引入的噪聲源，設(shè)計(jì)相應(yīng)的電路模塊對其進(jìn)行抑制，在保證表面肌電信號放大的同時使干擾降到最低。

2 影響SEMG的因素分析

本身即為一種微弱信號，再加之皮膚和組織的衰減作用，在皮膚表面記錄的表面肌電信號更容易受各種干擾的影響[7-8]。影響表面肌電信號形態(tài)和特性的因素基本上可以歸納為以下幾個方面：（1）組織特性，人的身體是良好的電導(dǎo)體，這也是能夠檢測到表面肌電信號的基礎(chǔ)。然而，人體的導(dǎo)電性會隨著組織的形狀、厚度，以及生理?xiàng)l件和溫度的變化而改變，這些條件會因測量主體的不同（甚至在主體內(nèi)部）有較大的差異，因此不能對未經(jīng)過處理的SEMG信號進(jìn)行振幅等參數(shù)的定量比較。（2）串?dāng)_，表面肌電信號在采集過程中會受到別的生理信號的串?dāng)_，包括相鄰肌肉電信號，以及其他生理信號比如心電、腦電等。（3）測量電極放置位置的變化，信號源與檢測點(diǎn)之間距離的變化會影響表面肌電信號的讀取，這對于所有動態(tài)運(yùn)動研究來說是一個必然存在的問題。（4）外部干擾，在嘈雜的電氣環(huán)境中要特別注意這類干擾，主要包括50 Hz工頻干擾，電臺、無線通訊設(shè)施以及其他儀器造成的高頻干擾。（5）電極及電子器件的固有噪聲：系統(tǒng)中選用的電極及電子器件本身固有的噪聲可能會致使在SEMG基線上加入其他的信號內(nèi)容，值得注意的是這類干擾無法靠外部方法來消除，只有通過選擇高質(zhì)量的元器件并且嚴(yán)格控制工藝技術(shù)等措施將其控制在可接受的范圍。

3 整體電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電路主要由四部分組成：初級放大電路、屏蔽驅(qū)動和右腿驅(qū)動電路、浮地電源和濾波電路以及后級放大電路。

3.1 初級放大電路

本部分電路主要對是將兩路差分表面肌電信號轉(zhuǎn)換成一路信號，并對其進(jìn)行放大和共模抑制。主要由三部分組成：雙運(yùn)放并聯(lián)型差動放大器、阻容耦合電路以及集成儀器放大器。電路如圖1所示。

（1）對于并聯(lián)型差動放大器，為提高運(yùn)放性能的匹配性，選用集成雙運(yùn)放OPA2604一塊芯片上的兩個運(yùn)放進(jìn)行該功能塊的設(shè)計(jì)[9]（如圖1中的U1A和U1B）。并聯(lián)型雙運(yùn)放差動放大器能夠有效地提高整體電路的輸入阻抗，并且對輸入信號有一定的緩沖作用。該電路最值得關(guān)注的優(yōu)點(diǎn)是無需精密匹配的外圍電阻，不難證明，對于理想運(yùn)放，并聯(lián)型差動放大器的共模抑制比為無窮大，輸入阻抗也為無窮大，且與外圍電阻（R4與R5）的匹配程度無關(guān)。

（3）電路后級使用通用型儀用放大器INA128[10]，將并聯(lián)型差動放大器輸出的雙端信號轉(zhuǎn)換成常用的單端輸出信號。INA128具有高精度、低偏置電壓、低溫漂以及高共模抑制比等特點(diǎn)。

圖1所示電路的差動輸出可由式（1）計(jì)算：

其中G為INA128的增益。

3.2 屏蔽驅(qū)動與右腿驅(qū)動電路

引入屏蔽驅(qū)動和右腿驅(qū)動，是為提高系統(tǒng)的共模抑制能力，增強(qiáng)系統(tǒng)抑制干擾的能力。

圖1 前級放大電路

（1）屏蔽驅(qū)動：由于信號線與電纜屏蔽層之間存在分布電容，而兩根導(dǎo)聯(lián)線的分布電容不可能完全相等，加之電極阻抗不平衡，導(dǎo)致包括輸入回路在內(nèi)的整個放大系統(tǒng)共模抑制比能力下降，所以使導(dǎo)聯(lián)線的屏蔽層不接地，將共模電壓通過電壓跟隨器與屏蔽層連接，從而消除屏蔽層電容的不良干擾。

（2）右腿驅(qū)動：作為抑制工頻干擾的有效方法之一，右腿驅(qū)動電路常被用于生物體表電信號的采集[11]。它從前置放大電路兩個相等的偏置電阻R8、R9中間取出人體共模電壓，依次經(jīng)U3B（電壓跟隨器）與U3A（反相放大）連接到右腿，本質(zhì)上，它是一個共模電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路，起快速放電、有效衰減人體所帶共模電壓的作用。

屏蔽驅(qū)動與右腿驅(qū)動電路如圖2所示。

圖2 屏蔽驅(qū)動與右腿驅(qū)動電路

3.3 浮地電源

不難理解，如果U1A和U1B的正負(fù)電源的公共端不接地，而是把它接到與共模輸入電壓等電位的一點(diǎn)，那么對于兩個運(yùn)放來說共模信號將是零[12]。

系統(tǒng)采用一種“浮地電源”[13]技術(shù)，來減小電源紋波所帶來的工頻干擾。電路如圖3所示，從前置放大電路兩個相等的偏置電阻R8、R9中間取出人體共模信號輸入到集成運(yùn)放U5A和U5B的正相輸入端，Q1、Q2與Q3、Q4分別構(gòu)成PNP型和NPN型比例恒流源電路[14]，通過精密穩(wěn)壓器Q5和精密電阻R39來控制流過三極管集電極的電流恒為0.25 mA，使得流入U5A反相輸入端的電流恒為0.25 mA同時流入U5B反相輸入端的電流恒為-0.25 mA，從而保證電阻R35與R41兩端的壓降恒為5 V。

圖3 浮地電源電路

如果假設(shè)共模電壓為VD，則U5A的輸出電壓為VOUT5A=VD-0.25×R35=VD-5{V}，以這個電壓作為U1A和U1B的負(fù)電源（圖3中的VSS-5V2）使用；同理U5B的輸出電壓為VOUT5B=VD+5{V}，以這個電壓作為U1A和U1B的正電源（圖3中的VDD+5V2）使用。這樣，對于U1A和U1B來說，共模信號即相當(dāng)于零，消除了共模信號產(chǎn)生的誤差。

3.4 濾波器電路

表面肌電信號是一種非平穩(wěn)微弱信號，頻譜分布在20～500 Hz，除了高頻與低頻噪聲外，還要注意50 Hz工頻干擾。因此，本文中的濾波器電路主要包括50 Hz雙T型有源陷波器、高通濾波器與低通濾波器。

3.4.1 50 Hz雙T型有源陷波器

陷波器就是一種用作單一頻率陷波的窄帶阻濾波器，本文中使用的電路為典型的有源雙T型陷波器[15]，陷波器的電路如圖4所示。

圖4 50 Hz有源陷波器電路

陷波器的品質(zhì)因素Q，決定濾波器的選擇性，高Q對應(yīng)較窄的阻帶而低Q對應(yīng)較寬的阻帶。本設(shè)計(jì)中由于只要求衰減50 Hz信號，其他頻率盡量保留，因此需要提高Q。Q值的計(jì)算公式為：

阻帶BW為：

由式（2）和式（3）可以看出，當(dāng)k≈1時，Q值極高，BW接近于0，然而實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著k值不斷趨近于1，陷波寬度逐漸變窄，而陷波深度卻逐漸變小，因此在選擇k值（即R29與R34的值）時要綜合考慮，經(jīng)過不斷實(shí)驗(yàn)測試，最終選定R=10 kΩ，C=0.33 μF，R29=1 kΩ，R34=51 kΩ。

3.4.2 高通濾波器與低通濾波器

加入高通濾波器可以有效地減小由于電極和皮膚之間移動偽差等原因產(chǎn)生的低頻干擾，根據(jù)表面肌電信號的頻率分布特性，系統(tǒng)將高通濾波器（HPF）的截止頻率設(shè)計(jì)為20 Hz。經(jīng)過反復(fù)仿真實(shí)驗(yàn)分析，本文使用Sallen-key的1次后接2次構(gòu)成的三階巴特沃斯濾波器，電路如圖5所示。

圖5 三階高通濾波器電路

該高通濾波器的傳遞函數(shù)為：

為了濾除高頻干擾，設(shè)計(jì)三階巴特沃斯濾波器低通濾波器（LPF）。LPF的設(shè)計(jì)方法與HPF相同，只是將HPF中電阻與電容的位置進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。本文中設(shè)計(jì)的低通濾波器截止頻率為500 Hz，電路如圖6所示。

圖6 三階低通濾波器電路

該低通濾波器的傳遞函數(shù)為：

高通濾波器和低通濾波器在系統(tǒng)中除了起到濾除低頻噪聲和高頻噪聲的作用外，還對表面肌電信號進(jìn)行再次放大，放大的倍數(shù)為：

3.4.3 后級放大電路

后級放大電路對經(jīng)過濾波后的肌電信號進(jìn)行再次放大，此電路使用兩個反向放大器相連構(gòu)成，后端反向放大器的增益為1，因此整個電路的增益只與前段反相放大器相關(guān)。電路使用8路模擬開關(guān)芯片CD4051來控制反饋電阻Rf，從而達(dá)到改變增益的目的，其電路設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖7 后級放大電路

后級放大電路的增益為

根據(jù)Rf的不同，電路可選擇 1、2、4.3、5.1、8.2、10、15和20等8種不同的增益。

4 系統(tǒng)測試分析

4.1 濾波器電路測試

該部分電路選用100 mV正弦波進(jìn)行單元電路單步測試，其中50 Hz陷波電路、高通濾波電路和低通濾波電路的增益分別為ANF=1，AHP=2，ALP=2。濾波電路各部分測試結(jié)果如表1、表2和表3所示。

表1 50 Hz陷波電路測試結(jié)果

表2 高通濾波電路測試結(jié)果

表3 低通濾波電路測試結(jié)果

由測試結(jié)果可以看出，50 Hz工頻陷波電路的陷波范圍為44～56 Hz，中心頻率大致在49.6～50 Hz之間，在50Hz時的衰減深度在17.4%左右；高通濾波電路的理論截止頻率為fHP=20 Hz，與測試表2中的結(jié)果相符，高通濾波電路在10 Hz時約衰減88.4%，而在35 Hz時幾乎無衰減；低通濾波電路的理論截止頻率為fLP=500 Hz，與表3中的測試結(jié)果相符，低通濾波電路在850 Hz時約衰減86.7%，而在300 Hz時幾乎無衰減。濾波電路滿足了設(shè)計(jì)要求。

表4 系統(tǒng)總體增益測試

4.2 系統(tǒng)總體增益測試

系統(tǒng)的總體增益由初級放大電路、高通濾波和低通濾波電路，以及后級放大電路共同決定，綜合式（1）、式（6）和式（7）可以得出增益計(jì)算公式為：

系統(tǒng)總體增益測試結(jié)果如表4所示，表中的AV代表系統(tǒng)實(shí)際增益。

4.3 系統(tǒng)性能測試

使用組裝好的表面肌電信號前端處理系統(tǒng)對兩名不同的測試人員（測試人員A與測試人員B）進(jìn)行前臂屈肌肌電信號的檢測，利用示波器進(jìn)行肌電信號顯示，結(jié)果如圖8所示。從圖中可以看出系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地捕捉到人體的表面肌電信號，并能清晰地放映力量的大小和爆發(fā)過程，也可以反映出不同人員肌肉健壯程度的差別。

圖8 肌電信號圖

5 結(jié)論

表面肌電信號是一種復(fù)雜而且微弱的生理信號，在表面肌電信號檢測過程中存在著許多影響檢測精度和可靠性的因素，通過分析表面肌電信號采集過程中可能引入的噪聲源，設(shè)計(jì)完成了一個高共模抑制比的表面肌電信號前端處理系統(tǒng)。通過實(shí)驗(yàn)測試表明，本文系統(tǒng)在表面肌電信號的有效頻域內(nèi)具有穩(wěn)定的放大倍數(shù)，且具有較高的共模抑制比，可以有效地抑制高、低頻噪聲，共模干擾以及50 Hz工頻干擾，滿足表面肌電信號去噪和放大的要求。

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