表面肌电信号拾取与预处理电路设计_姜磊.docx

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1、第(卷#第%期#%&(年*月科#学#技#术#与#工#程#J=$(#1J=$%#1:IZ%&(!%&(%0)!+0&+#8F5C0FCMCFB0=(S)=1.0;H0I50CC650I!%&(#8F5$MCFB$HOI6I$通信技术表面肌电信号拾取与预处理电路设计姜#磊#王红旗#杜冬梅!河南理工大学电气工程与自动化学院焦作!+!&摘#要#表面肌电信号SHKP(是指当骨骼肌收缩时!肌纤维所产生的微弱电信号在皮肤表面的募集#一般情况下I表面肌电信号特别微弱!频率主要集中在&C+&-Q范围内!幅值在&c+&$J!很容易受到工频+&-Q噪声干扰#针对表面肌电信号的特点!采用I1a117电极拾取8HKP信

2、号!设计了仪表放大电路!带通信号调理电路#实验证明!所设计的电路能有效提取带宽为&c”&-Q的衣而肌电信号I实现了简捷有效的表面肌电信号拾取#关键词#表面肌电信号#信号拾取楣信号预处理#带通滤波中图法分类号#MU&),#文献标志码#1#表面肌电信号!8HKP”是从人体骨骼肌表面通过电极记录下来的神经肌肉活动发放的生物电信号广$表面肌电信号的应用已经深入到临床医学#运动控制#生物医学与康第工程等诸多领域阿$特别是通过提取截肢者残端8HKP信号控制电动轮椅有机的将8HKP信号与外部装置联系起来使残疾人可以直接通过残端运动来控制电动轮椅的运动而肌电控制中最为关键的是如何有效提取8HKP巧目前国外研究

3、学者应用8HKP信号实现了机械手的控制和驾驶电动车“%,$国内赵章琰陈香等应用8HKP信号实现了手势识别，罗志增等应用8HKP信号研制肌电假肢)%$近年来随着检测技术和信号处理手段的发展研究如何使用表面肌电信号代替传统的针式电极进行全面的临床无损诊断已经成为医学界研究的热点问题之一)%$人体皮肤表面的肌电信号幅值约为“&$Jc+?J%能量主要集中在“&-Qc+&-Q之间信号微弱易受干扰r&$因此用电极采集过来的表面肌电信号必须经过放大滤波才能有效的识别广$本文采用IIaI17表面电极拾取8HKP信号设计了%&”(年!月*日收到河南理工大学博士基金!V%&0)&资助第一作者简介&姜#磊男河南巩义

4、人河南理工大学硕上研究生研究方向&机器人控制$HO?.5&.0,&,&)_X$F=?$具有高共模抑制比#抗干扰能力强的信号调理电路为之后对表面肌电信号进行分析辨识并通过8HKP信号作为控制信号驱动轮椅电机打下坚实的基础$=表面肌电信号的产生机理表面肌电信号!8HKP”是一维时间序列信号它发源于作为中枢神经一部分的脊髓中的运动神经元是电极所接触到的许多运动单元发放的动作单位的总和）”$完成神经控制下肌肉收缩的最小的功能单位是运动单位!K=9=6T059%运动单位是由一jAB.运动神经元!1AB.?=9=0C:6=0”#轴突!1=0”#运动终板!K=9=6C0;A.9C/”和神经末梢支配的肌肉纤维

5、KF（Cj54C3,组成$表面肌电信号产生机理如图”所示从.人8.运动神经元发出的冲动沿着神经轴发送到神经肌肉接头处的触突扣!神经终板膨大”加速该处的乙酰胆碱!1FC9J-O0的拾取8HKP的拾取是肌电信号处理中极为重要的一环$8HKP信号通过贴附在体表的表面电极来拾取表面电极本身的设计和所贴的位置都将对实验的结果产生重大的影响$本文所采用的是1Ia117电极$如图所示1匕117电极由IIa117材料#导电膏#绝缘板和引线端子构成$1匕117电极使用电解或烧结的方法制成通过含75离子的导电膏和皮肤接触$导电音在测量时涂在皮肤上或是用凝胶固定在IIa117电极表面制成一次性电极广$图（为电极接线

6、实物图$由图（所示左边的两片I1aI17电极放置在前臂肌肉密集处!例如槎侧腕曲肌”作为8HKP预处理电路的差分式输入端右边的一片IIa117电极作为参考电极$由于+&-Q共模干扰无处不在人体变成一个大电容体表本身就有一定的电势体自主产生电压$因此需要有一个基准电压这个电压就是参考电压必须由参考电极提供$参考电极可以摆放在体表的骨性标志上或不参加测试运动的肌肉的肌腱处$关键是在测试中参考电极不能采集到自主运动的电信号$本文中参考电极放置在手腕骨性标志上!例如楼腕关节”$图%#1匕117电极?j-oo预处理电路设计和特性分析8HKP信号预处理电路设计框图如图！所示$8HKP预处理电路由隔直和仪表放

7、大电路”&c”&-Q带通滤波电路两部分组成$图伊电极接线实物图W4441HfMA值AJgH图!#8HKP信号预处理电路设计框图?A=隔直和仪表放大电路%期晏#磊等&表面肌电信号拾取与预处理电路设计）!+,图）#肌电信号调理电路的幅频特性曲线图+#仪表放大电路仪表放大电路如图+所示$仪表放大电路由仪表放大器n*%用表示以及周围阻容元件#M.构成$仪表放大电路对差分输入7-1%7-d上的8HKP信号放大一定倍数并利用电阻#“和电容M”串联特性进行一阶高通滤波抑制运动伪迹的影响$本电路采用仪表放大器1*%$1*%1公司生产的高性能#低功耗仪表放大器$n*%的共模抑制比高达”）%失调电压小于+&$J%

8、并且只需外接一个精密电阻就可以在”C“&倍之间设定放大倍数$本电路中仪表放大器的增益主要由#，决定并且由外，和M-组成高通滤波电路$n*%的增益公式和高通滤波的截止频率公式分别为公式和式!”选取M“i”&$j%设计高通滤波电路的截止频率为&-Q%由公式!”计算得#，/+%实际取#为“$+2%$根据公式即所得前级放大倍数约(&倍$实际电路中采用1*%作为前置仪表放大器完全能够符合整个电路的设计要求$V!7!S!e%:#!%?A?=VW=VVVTX带通漉波电路设计后级放大器选用！通道模拟量输入的RG1!(!,%选用两片RG1!(!z即可完成*通道模拟输入$RG1!(!,为8R(!封装体积小功耗低大

9、大减少了对电路板的面积需求符合整体电路的设计要求$根据总体放大倍数!&倍的设计要求前级放大器放大约(&倍则后级放大倍数约*倍$同时要求-Q的带通滤波为保证带内增益的平坦选用巴特沃斯带通滤波器$采用K:95O方?电路仿真软件对8HKP调理电路进行仿真所得其幅频特性曲线如图)所示$从图)可以看出电路对低于+-Q的低频和直流分量有较好的抑制作用低通滤波的截止频率约为“&-Q%&c&-Q的通频带内增益平坦且增益约为!(；V%放大倍数约为!&倍满足了整体电路的设计要求$实验结果与分析实验实物图如图!所示将表面电极贴在手臂前端上用屏蔽线将8HKP信号引入8HKP信号处理电路在输出端用示波器观察输出信号记录

10、手臂静止#轻度握拳#用力握拳和手臂翻转的波形如图,c图”&所示$由图,c图”&可得一方面手臂在静止#握拳#翻转三种动作情况下所采集到的8HKP信号是不同的$手臂静止时所测的是静息电位示波器显示波形在参考电势$%J上下有轻微的波动电极拾取到的电压几乎为&轻度握拳时8HKP波形在$%J上下波动且正向峰值和负向峰值电压相差不大翻转时8HKP波形在节J上下波动且正向峰值和负向峰值电压相差较大$另一方面同样的动作在用力程度不同的情况下所得的8HKP信号也不一样$在握拳动作下用力握拳的8HKP波形图峰值电压明显要比轻度握拳的8HKP波形图峰值电压大很多%而且在节J电压上下波动较大$由此可得肌肉运动和8HK

11、P的对应关系为&肌肉收缩时对应的8HKP信号变大肌肉舒张时对应的8HKP信号变小肌肉收缩的力度越大对应的8HKP信号也就越大$这将非常有利于对手的动作进行有效识别$)(+*科#学#技#术#与#工#程(卷图,#手腕静止时8HKP波形图#用力握拳时8HKP波形IUfio1ana.au图*#轻度握拳时8HKP波形C结束语本文针对8HKP信号的特点采用IIaI17电图&#手腕翻转时8HKP波形极对8HKP信号进行拾取并设计了8HKP信号的检测方法和相应的信号调理电路很好地解决了8HKP的拾取和预处理问题$本电路具有低成本#高效率#便捷快速等优点$为了达到利用8HKP信号来控制智能轮椅的运动模式8HKP

12、信号的正确获取只是完成了第一步$如何将8HKP信号中蕴涵的肢体运动信息提取出来后续的信号处理与特征提取将是关键$以上所取得的研究成果为进一步对上肢运动模式进行分类识别以及特征提取最终用8HKP信号控制电动轮椅打下了良好的基础$参考文献曲史#萍宋爱国Z基于7-&+j的肌电信号采集仪设计Z研究论著%&”!I&,&(%&湖顾#昕金#杰周建江Z智能化肌电信号测试与训练系统前端处理电路与数据采集系统设计与实现Z%&”&!&(*(#何庆华彭承琳吴宝明Z有源电极用于表面肌电信号的检测Z生物医学工程学杂志%&(%&!&(&!*(!,&!ftj:e:;.R%M/:gSMZ1B:?.00./9501?.05A:.

13、9=69CC=AC6.9C;4HKPIO.O;.6?=95=0ZXHHHM6.0/.F95=0/=02=4=95F/.0;1:O9=?.95=0%&(1%&%&(%+#/=8%8./.e51%-./B5?=9=-%)*+,Z65E50ICCF965FF.64.FCZXHHHX09C60.95=0.7=0C6C0FC/=074C60C95F/X09C5OIC098C?/%&)&(*%期姜#磊等&表面肌电信号拾取与预处理电路设计)!+#何乐生倪海燕宋啜国Z一种便携式肌电信号HKP提取方法及其电路实现Z电子测量与仪器学报%&)/&!&%&,&(,!擀胡#巍赵章琰路知远Z无线多通道表面肌电信号采集系统设计Z电孑测量与仪器学报%&%(!&(&(+用罗志增席旭刚Z一种表面肌电信号测试电路设计Z测试技术学报%&,%!&(*#毛志勇和卫星Z基于02&+的无线表面肌电信号监测系统设计Z微计算机信息%&“+!)(%&%I(%)#万华莎侯文生杨丹丹等Z基于1.4JXHN的多通道/HKP信号检测系统设计Z测控技术与仪器仪表%&%r!&(&,*(*&#：E粉娟秦#刚王靖宇Z8HKP检测电极的设计Z电子设计工#唐志刚何爱军谭慧玲Z表面肌电检测系统上位机应用程序程%&!&(%设计Z北京生物医学工程%&%!&+&!,(!*%J-O0$.Y2*)*/*+%&%45#H5+.#