单片机肌电信号采集电路.pdf

电信号检测系统先关模块说明 表面肌电信号采集模块 表面肌电图（surface Electromyogram，sEMG ）又称动态肌电图（dynamic Electromyogram， dEMG ），是通过表面电极从 肉表面引导和记录肌肉活动时神经肌肉系统生物电变化的一维时间序 列电信号。这些年来，表面 电信号在很多领域的应用都越来越受到重视，如在康复医学、骨科学、 神经学、生物医学、运动医学和工程学等领域。和传统的采用针式获取 电图的方法比较，表面 电信号具有很多优点，比如操作更 便捷、不会产生创伤、可采集的空间相对要大，可以进行很长 时间的动态采集以及重复性好等优点。由于这些优点，表面 电信号采集更容易被脑瘫患儿及家长 接受。本节主要介绍表面 电信号采集电路设计。 为了不失真地检出具有临床价值的 电信号，我们设计了具有较高共模抑制比、抗干扰能力强 的表面 电信号采集调理电路，设计框图如图3-1 所示。 图3-1 表面肌电信号采集电路模块框图 电极选择与贴片方案 要采集人体皮肤表面的微弱肌电信号，需要通过电极把信号引导到后续电路中来。但并不是任 何形状、尺寸、材料和工艺制作的电极都能取得 电引导的良好效果。这是因为电极材料要与人体 组织 （包括细胞组织和体液等）接触，不仅有电化学方面的联系，也会发生物理和化学方面的作用。 电极分为针式电极、表面电极、埋藏电极与悬浮电极，本系统中选择的是表面电极方案。 选用表面电极采集 电信号时应考虑如下因素[21] ： ( 1)人体表面的皮肤是电信号的不良导体，但是与之相反的皮下 织却是电信号的良好导体。人 体表皮与皮下组织之间存在一定的阻抗，于是，信号放大器与信号源之间实际上形成了一个串联通 路，如果皮下组织的阻抗比较高，而放大器的输入阻抗却比较低，此时输入信号就会大大地减弱， 表面肌电信号采集的效果会不理想。如果选用很高输入阻抗的放大器，虽然可以把输入电压提高， 但是整个系统对周围环境中存在的各种干扰的抵抗能力就会受到影响。因此，选择合适的放大器输 入阻抗也很重要。 (2) 在采集表面肌电信号时，电极片会与人体皮肤直接接触，在这个接触界面上会产生一个接触 电阻。由于皮肤表面容易分泌汗液等化学物质，容易发生溶液的电解，影响接触电阻的阻值以及产 生对皮肤有害的物质。因此，在采集表面肌电信号的时候，应尽量使电极与皮肤接触保持稳定，并 避免产生对人体有害的物质。 (3) 不是采用悬浮电极的情况下，电极与皮肤表面发生的微小位移会引起噪音，干扰肌电信号。 经过综合考虑，本系统采用一次性心电电极引导表面肌电信号，该电极使用Ag/AgCl做为感应 件，水凝胶做为粘性元件。这些元件都具有很好的皮肤适应性。水凝胶用来加强产品与皮肤的粘贴 效果从而杜绝因为人的活动造成接触不良。 ( 1) 电极主要技术指标： (2) 交流阻抗： 3KΩ； (3) 直流失调电压： 100mV ； (4) 内容噪声：≥150uVp-p； (5) 模拟除颤恢复性能：每次放电后第五秒，电极对上的电压值 100mV ； (6) 偏置电流耐受度：电极对经400nA 的直流电流持续作用4小时，在整个作用期间内，电极对 两端的电压变化 100mV 。 肌电信号在人体组织内的传递 （容积导），会随着距离的增 而很快急减。因此，电极片应该贴 放在肌电信号发放最强的部位，以减少邻近肌肉的 电信号干扰。同时，良好的接地不仅可以降低 前面所述的第一种干扰，还可以有效地降低回路阻抗，提高抗干扰能力。图3-2是表面电极的贴片方 式，采用差分方式可以有效降低共模干扰。 图3-2 表面电极贴片方案示例 前置放大电路设计 通过电极拾取到的表面肌电信号含有各种各样的噪声，单片机是无法直接进行A/D转换的，必 须要经过一步一步地调理，才能去除噪声，提取有用信号。信号首先经过前置放大电路，进行初步 处理。为了更有效地去除共模信号地干扰，本系统采用差分放大电路，选用专门的仪器仪表放大器， 同时为了防止干扰从导线引入，应使用屏蔽导线与电极相连。 为了获取极佳的性能与功耗比，我们选用ADI公司生产的新型仪用放大器AD620 。该芯片是一 款虽然成本低但精度却很高的仪表放大器，实际使用时只需要一个外部电阻便可以设置放大器的增 益，增益范围为1 10,000 。此外，A