CN101773393A - 低成本多通道表面肌电放大模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低成本多通道表面肌电放大模块．本发明涉及动物肌肉神经诊断和人体生物电采集与识别的模拟信号放大技术，也涉及运算放大器应用。它至少包括两个独立的安插在总线底板上的单通道放大模块，每个模块由缓冲电路、前级差分放大电路、双T陷波电路、第二级放大电路、后级放大输出电路、稳压电路构成；前级差分放大电路是高输入阻抗的仪用放大器AD620；双T陷波电路由带有4路放大功能的LM324N放大器和可调电阻实现消除49.5-50.5Hz工频干扰的陷波功能；第二级放大电路和后级放大输出电路是1个有4路放大电路的LM324N放大器。本发明的每个单通道模块单独封装，方便检测维修。每个单通道模块输出信号放大倍数为2000-3000倍，等同现有国内外同类产品，但成本仅60-70元，远低于现市场800元左右价格，有利于相关产品普及和市场化。

Description

低成本多通道表面肌电放大模块

技术领域

本发明涉及动物肌肉神经诊断和人体生物电采集与识别的模拟信号放大技术，也涉及运算放大器的应用。

背景技术

表面肌电放大模块是一种封装了模拟放大电路和独立电源，能够独立放大表面肌电信号的装置。随着神经医学、运动与健康科学、康复工程的发展，人们越来越重视肌肉运动、肌肉功能疾病、运动神经和神经康复的检测和识别。无痛和便携式的表面肌电信号检测是重要的医学检测方法之一，目前市场上对该类医疗诊断和治疗仪器的需求增长较快，其中，放大表面肌电信号的生物电信号放大模块是表面肌电信号检测的重要部件之一。

近年来，有关这方面的新传感器比较多。ZL200610039858.4报道了一种“数字式全隔离肌电信号放大降噪方法及其装置”，该专利中虽然提出了生物电信号拾取器(参看该专利图4)，即提出由模拟放大电路实现对表面肌电电极采集信号的放大，但是没有具体说明模拟放大电路的方法和装置。

ZL200720108473.9报道了一种“二自由度肌电假手实时控制装置”，采用初级放大电路置于拾电电极之后的方法对肌电信号进行模拟放大，初级放大电路采用常规的仪器放大器，具体参看该申请书的具体实施方式，但是文件中也没有具体说明模拟放大电路的方法和装置。

ZL200910136532.7报道了一种“表面肌电图***及其电极板”，该文件虽然介绍阵列式电极采集表面肌电信号的装置并提出了电路的一级放大方法及其装置，但是也并没有具体说明模拟放大电路的方法和装置，而且没有提出多级放大的方法和装置。此外，该专利申请内容涉及的是阵列式电极，没有涉及普通的、非阵列模式的多个电极信号的模拟放大方法及其装置。

目前市场上可购买的表面肌电放大模块主要是美国DELSYS公司和北京祥云计算机技术公司提供的产品。美国DELSYS公司整套出售带有表面肌电放大模块的肌电信号处理***，市场价为10万人民币以上，并且不零售表面肌电放大模块。北京祥云计算机技术公司出售的表面肌电放大模块的价格一般是：1个通道(即1个表面肌电采集点)需要800元人民币以上，而基本的人体表面肌电信号检测需要数个到数十个通道，因此需要花费数千元到数万元。表面肌电信号放大模块是与表面肌电相关的肌电图仪、医学分析仪、肌电类家庭仪等仪器重要配件，目前表面肌电信号放大模块的昂贵价格制约了其支撑的相关产品的普及化，而且也使得医疗与科研的成本较高。

本发明的目的，针对现有市场产品成本高的缺点，提供一种低成本的、专门用于放大表面肌电信号的放大模块，其输入端与表面肌电电极连接，其输出端输出被放大2000-3000倍的肌电信号，该信号可直接供数字电路或计算机进行数字滤波和信号分析。

本发明的目的通过以下方式实现。

本发明的低成本多通道表面肌电放大模块，至少包括两个独立的单通道放大模块，所有单通道放大模块使用针脚插座安装在同一个PCB总线底板上，每个单通道放大模块输入端通过总线底板分别与表面肌电电极及直流稳压电源接通，其特征在于，每个单通道放大模块通过总线底板接口与电极输出端连接，然后在单通道放大模块内部依次连接有缓冲电路、前级差分放大电路、双T陷波电路、第二级放大电路、后级放大输出电路和稳压电路，所述前级差分放大电路是1个能实现高输入阻抗和高共模抑制比的AD620运算放大器；所述双T陷波电路由一个带有4路放大功能的LM324N放大器和一个可调电阻实现消除49.5-50.5Hz工频干扰的陷波功能；所述第二级放大电路和后级放大输出电路由一个带有4路放大功能的LM324N放大器构成；所述稳压电路采用常规的稳压器和电容组成，给每个放大器的电压输入端提供5伏直流稳压电源。

在实际使用中，可以根据不同的使用需求，选择不同数量的低成本单通道放大模块，然后将每个模块独立封装在一块电路板上，再各自独立地安插在多通道总线底板上集成使用。

当本发明的低成本多通道模块正常工作时，每对电极的端部分别与人体所测部位紧密接触，每对电极的导线分别对应地连接到多通道放大模块的底板接口，通过底板的插座接口输入到每个独立的单通道放大模块，经缓冲电路输出到前级差分运放电路，输出双端差动输出信号。所述前级差分放大电路采用共模驱动技术，可避免阻容耦合电路中的阻、容元件参数不对称导致的共模干扰转换成差模干扰的情况发生。在前级放大之后，对信号进行双T陷波，消除49.5-50.5赫兹的工频干扰。信号经过双T陷波之后连续进入第2个LM324N放大器的第1路到第3路放大电路，最后输出放大倍数为2000-3000倍的肌电信号。输出的放大信号可以接入到其它数字电路或者计算机，采用比模拟滤波更高效的数字滤波方法获取使用者所需要的特定频率或者特定幅值的肌电信号。

本发明的低成本多通道表面肌电放大模块，其肌电信号放大倍数等同于国内外现有的同类产品的放大倍数(2000-3000倍)，但所用另部件的成本十分低廉，例如，本发明的前级差分放大电路中使用的AD620运算放大器，其市场价格仅为30元人民币左右，陷波电路中使用的LM324N放大器的市场价格只有1元左右，加上PCB电路板、针脚插座及稳压电容等所有零部件在内，则每个通道的材料成本共计约60-70元人民币，远远地低于国内外同类产品的每个通道800元人民币的市场价格。

本发明的低成本多通道表面肌电放大模块，由于每个单通道放大模块单独封装，给检测和维修提供了方便，同时，由于每个单通道放大模块使用针脚插座安装在同一个PCB总线底板上，即只要PCB总线底板足够大，就能安装足够多的单通道放大模块，以满足各种不同使用场合的需要。由于其价格低廉，也有利于相关医疗产品的普及化。

下面通过实施例和附图作进一步说明。

附图说明

图1是本发明的具有多通道表面肌电放大模块实施例的整体电路结构框图。

图2是本发明的多通道表面肌电放大模块底板的外电源接口示意图。

图3是本发明所述的底板接口与第1通道放大模块连接的一种实施例示意图。

图4是本发明所述的第1通道放大模块接口的一种实施例示意图。

图5是本发明所述的第1通道放大模块的稳压电路的一种实施例示意图。

图6是本发明所述的第1通道放大模块的前级放大电路的一种实施例示意图。

图7是本发明所述的第1通道放大模块的双T陷波电路的一种实施例示意图。

图8是本发明所述的第1通道放大模块的第二级放大电路的一种实施例示意图。

图9是本发明所述的第1通道放大模块的后级放大输出电路的一种实施例示意图。

图10a.b是本发明的多通道表面肌电放大模块检测手腕动作时的输出信号图。

具体实施方式

实施例

参见图1，图中表达了本发明多通道表面肌电放大模块的整体结构框图；所述多通道表面肌电放大模块由每个独立并且相同的单通道模块并列构成；每个单通道模块放大电路由电极和电源的输入接口、缓冲电路、前级差分放大、双T陷波、二级放大、后级放大输出、稳压电路，共7部分组成；每个单通道模块单独封装在一块电路板上，以插拔方式连接在多通道底板上，便于独立维护和更新；多通道底板(以下简称底板)对外接口包括每个单通道放大模块的电极和电源输入接口、以及放大信号输出接口。

参见图2，图中表达了底板对外电源接口的连接方式，对外电源接口1连接外部直流稳压电源(或者9伏干电池)的正极；对外电源接口2连接外部直流稳压电源(或者9伏干电池)的负极；对外电源接口3焊接在底板上并且与对外电源接口2连接；对外电源接口4焊接在底板上并且与对外电源接口1连接。

参见图3，图中表达了底板对外信号接口、以及内部与第1通道放大模块的插座接口。其中底板对外接口具体如下：对外信号接口5连接被粘贴在人体皮肤表面的第1对电极的正极；对外信号接口6连接被粘贴在人体皮肤表面的第1对电极的负极；对外信号接口14连接被粘贴在人体皮肤表面的第1对电极的参考电极；对外信号接口15输出经过单个通道放大模块放大的肌电信号。底板内部与第1通道放大模块的插座接口具体如下：插座接口7连接对外电源接口2；插座接口8连接对外信号接口14；插座接口9连接对外信号接口5；插座接口10连接对外信号接口6；插座接口11连接对外信号接口15；插座接口12连接对外电源接口1；插座接口13连接对外电源接口2。其它通道放大模块与其对应的底板插座的实施方式与第1通道的实施方式相同。

参见图4，图中表达了第1通道放大模块电路板上的接口与底板连接的一种实施例示意图，其中该接口以插针的方式插接在底板的插座上。第1通道接口16连接插座接口13；第1通道接口17连接插座接口12；第1通道接口18连接插座接口11；第1通道接口19连接插座接口10；第1通道接口20连接插座接口9；第1通道接口21连接插座接口8；第1通道接口22连接插座接口7。其它通道放大模块与其对应的底板插座的实施方式与第1通道的实施方式相同。

参见图5，图中表达了第1通道放大模块的稳压电路的一种实施例示意图。接口23连接第1通道接口16；接口24连接第1通道接口17；稳压芯片7805DT的输入端25连接接口24；稳压芯片7805DT的输出端26输出5伏稳压电源；稳压芯片7805DT接地端27连接第1通道接口16；接口28输出5伏稳压电源，供第1通道放大模块电路内各个放大器使用。其它通道放大模块稳压电路的实施方式与第1通道的实施方式相同。

参见图6，图中表达了第1通道放大模块的前级差分放大电路的一种实施例示意图，其中接口29连接第1通道接口19；接口30连接第1通道接口20；电容31是实现缓冲电路功能；仪用放大器AD620的信号正极输入端口32输入接口30传来的信号；仪用放大器AD620的信号负极输入端口33输入接口29传来的信号；电源输入端34和电源输入端35都连接到接口28；电路节点36连接第1通道接口21；电路节点37输出前级差分放大信号。其它通道放大模块前级差分放大电路的实施方式与第1通道的实施方式相同。

参见图7，图中表达了第1通道放大模块的双T陷波电路的一种实施例示意图。接口38输入端连接电路节点37；电源输入端39连接接口28；电压跟随电路40的作用是共模抑制和稳压信号，其使用第1个放大器LM324N的第1路放大电路；双T陷波电路41的作用是抑制50Hz工频干扰，其使用第1个放大器LM324N的第2路和第3路放大电路；信号输出端42输出经过双T陷波电路处理的放大信号。其它通道放大模块的双T陷波电路的实施方式与第1通道的实施方式相同。

参见图8，图中表达了第1通道放大模块的第二级放大电路的一种实施例示意图。输入端43连接信号输出端42；电源输入端44连接接口28；第二级放大电路45使用第2个放大器LM324N的第3路放大电路；电路节点46输出放大信号。其它通道放大模块的第二级放大电路的实施方式与第1通道的实施方式相同。

参见图9，图中表达了第1通道放大模块的后级放大电路的一种实施例示意图。输入端47连接电路节点46；电源输入端48连接接口28；后级放大电路49使用第2个放大器LM324N的第1路放大电路；电压跟随电路50的作用是共模抑制和稳定信号，其使用第2个放大器LM324N的第4路放大电路；信号输出端51连接第1通道接口18，输出经过3级放大的肌电信号。其它通道放大模块的后级放大电路的实施方式与第1通道的实施方式相同。

参见图10，图中显示了本发明实施例所述的多通道肌电放大模块检测手腕翻转时手臂上的表面肌电信号。具体如下：手臂水平伸直并且握拳，在手腕与肘关节的中间位置，依次按顺序将4对电极粘贴在人体手臂的肱桡肌、尺侧腕屈肌、桡侧腕屈肌、伸指肌，将参考电极粘贴在手臂肘关节外侧，采用4个通道依次检测上述的4对电极的肌电信号。显示器采用北京普源DS1052E数字示波器。即：采用北京普源DS1052E数字示波器显示第1通道对外信号接口15的接口的输出信号，其中，示波器探头正极连接对外信号接口15，示波器探头接地极连接对外电源接口2，其它单通道放大模块的肌电信号显示方法相同。图中的横坐标是信号的发生时间，每格2毫秒；纵坐标是信号的电压幅值，每格40毫伏。每幅图中都有两条垂直状点划直线(与纵坐标平行)，如果将位于图内左侧的一根称为X1，位于图内右侧的一根称为X2，则从X1到X2是最大波峰-波谷的发生周期；每幅图中还有垂直于纵轴的两条水平状点划直线(与横坐标平行)，如果将位于图内上面的一根称为Y1，将位于图内下方的一根称为Y2，则从Y1到Y2是最大波峰-波谷的幅值，即为激励肌肉产生最大收缩力的最大肌电信号电压。采用如下方法可分别计算出最大肌电信号的幅值和频率：幅值＝(Y1-Y2)毫伏；频率＝1/(X1-X2)赫兹。

(1)图10a中是从上向下依次显示握拳并且手腕向上翻转时的4个通道的输出信号，其中：肱桡肌最大信号幅值是256毫伏、频率135赫兹；尺侧腕屈肌最大信号幅值是224毫伏、频率96赫兹；桡侧腕屈肌最大肌电信号幅值是208毫伏、频率90赫兹；伸指肌最大肌电信号幅值是260毫伏、频率104赫兹。从以上所列数据可以看出，与手背同平面的肱桡肌和手臂外侧伸指肌的肌电信号幅值大，肌肉的收缩力大，因此手腕向上翻转(即手腕向手背方向翻转)。同时肱桡肌和伸指肌的肌电信号频率高，即肌电信号激励肌肉收缩的频率高。

(2)图10b中是从上向下依次显示握拳并且手腕向下翻转时的4个通道的输出信号，其中：肱桡肌最大肌电信号幅值是168毫伏、频率100赫兹；尺侧腕屈肌最大肌电信号幅值是1600毫伏、频率81赫兹；桡侧腕屈肌最大肌电信号幅值是216毫伏、频率96赫兹；伸指肌最大肌电信号幅值是204毫伏、频率86赫兹。从以上数据可以看出，与手掌同平面的尺侧腕屈肌和手臂内侧的桡侧腕屈肌的肌电信号幅值大，即肌肉的收缩力大，因此手腕向下翻转(即手腕向手掌方向翻转)。与手腕向上翻转的情况不同，手腕向下翻转时尺侧腕屈肌最大肌电信号幅值是1600毫伏，是手腕向上翻转时肱桡肌最大信号幅值256毫伏的6倍，这说明手腕向下翻转的力量远远大于向上翻转的力量；而手腕向下翻转时尺侧腕屈肌最大肌电信号频率81赫兹，远小于手腕向上翻转时肱桡肌最大信号频率135赫兹，这说明当手腕向下翻转、使肌肉产生最大收缩力的肌电信号，其激励肌肉收缩的频率下降，即肌肉收缩力的稳定性下降。

以上检测结果表明本发明的多通道表面肌电放大模块具有实际应用功能。

Claims (5)

1.一种低成本多通道表面肌电放大模块，至少包括两个独立的单通道放大模块，所有单通道放大模块使用针脚插座安装在同一个PCB总线底板上，每个单通道放大模块输入端通过总线底板分别与表面肌电电极及直流稳压电源接通，其特征在于，每个单通道放大模块通过总线底板接口与电极输出端连接，然后在单通道放大模块内部依次连接有缓冲电路、前级差分放大电路、双T陷波电路、第二级放大电路、后级放大输出电路和稳压电路；所述稳压电路给每个放大器的电压输入端提供5伏直流稳压电源。

2.如权利要求1所述的每个单通道放大模块，其特征在于，所述前级差分放大电路是1个能实现高输入阻抗和高共模抑制比的AD620运算放大器。

3.如权利要求1所述的每个单通道放大模块，其特征在于，所述双T陷波电路由一个带有4路放大功能的LM324N放大器和一个可调电阻实现消除49.5-50.5Hz工频干扰的陷波功能。

4.如权利要求1所述的每个单通道放大模块，其特征在于，所述第二级放大电路和后级放大输出电路由一个带有4路放大功能的LM324N放大器构成。

5.如权利要求1所述的多通道放大模块，其特征在于，每个单通道放大模块都独立封装在一块电路板上，然后各自独立地安插在多通道总线底板上集成。

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