CN207545088U - 一种基于表面皮肤电极的表面肌电采集装置 - Google Patents

Abstract

一种基于表面皮肤电极的表面肌电采集装置，涉及生理信号采集装置，该装置包括肌电信号检测单元，其特征在于，所述肌电信号检测单元与肌电信号放大与滤波单元连接，肌电信号放大与滤波单元与肌电信号采集单元连接，肌电信号采集单元与肌电信号发射单元连接，肌电信号发射单元与肌电信号接收单元采用无线方式传输肌电信号，肌电信号接收单元与上位机显示与保存单元连接；肌电信号检测单元为单电源低电压供电连接式；该装置实现表面肌电信号的采集、无线传输、显示和保存的功能，表面肌电信号可以在上位机上进行显示和保存，为后续实时提取表面肌电信号的特征提供支撑。

Description

一种基于表面皮肤电极的表面肌电采集装置

技术领域

本实用新型涉及生理信号采集装置，具体说是一种基于表面皮肤电极的表面肌电采集装置。

背景技术

肌电信号是人体自主运动时从骨骼及表面通过电极记录下来的神经肌肉活动时发放的生物电信号，它反映了神经、肌肉的功能状态，是最早被人类发现的生物电现象。在1960年，一群由Kobrinsky领导的俄国科学家展示了由前臂肌肉产生的肌电信号控制的手的假体，这一贡献极大地激励了工程学在康复医学中的应用。随后，许多北美和欧洲的科学家开始探索这一新领域，揭开了肌电信号在控制智能假肢方面研究的序幕。

由于截肢后，大脑仍然发送支配肢体运动的信号给残肢，这种信号是患者直觉上的一种响应方式。骨骼肌根据大脑指令产生收缩，在收缩力和外力的共同作用下使人体产生特定的静止姿态或运动状态，从而实现了在时间和空间上具有一定特点的运动动作。而肌电信号(myoelectric signal，EMG)是相应肌肉中的电行为，这种行为与肌肉的收缩成正比，同时具有提取方便，信号强度大，容易识别的特点，所以肌电信号可以用于人工假肢的控制。尤其是表面肌电信号(surface EMG，SEMG)以其采集方便，无创伤的优点成为智能假肢的理想控制信号，相比于传统机械假肢，肌电信号控制的假肢有着其不可比拟的优势。

因此，肌电信号的采集、传输、显示和保存，对于上述人工假肢的控制起着至关重要的作用。

发明内容

本实用新型提供一种基于表面皮肤电极的表面肌电采集装置，该装置实现表面肌电信号的采集、无线传输、显示和保存的功能，表面肌电信号可以在上位机上进行显示和保存，为后续实时提取表面肌电信号的特征提供支撑。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于表面皮肤电极的表面肌电采集装置，该装置包括肌电信号检测单元，所述肌电信号检测单元与肌电信号放大与滤波单元连接，肌电信号放大与滤波单元与肌电信号采集单元连接，肌电信号采集单元与肌电信号发射单元连接，肌电信号发射单元与肌电信号接收单元采用无线方式传输肌电信号，肌电信号接收单元与上位机显示与保存单元连接；肌电信号检测单元为单电源低电压供电连接式；肌电信号放大与滤波单元包括前置放大电路、前置放大电路与带通滤波电路连接，带通滤波电路与二级放大电路连接，二级放大电路与50Hz陷波电路连接，50Hz陷波电路与A/D采样电路连接；肌电信号采集单元与肌电信号发射单元通过SPI接口连接。

所述的一种基于表面皮肤电极的表面肌电采集装置，所述肌电信号发射单元和肌电信号接收单元均采用无线模块连接。

本实用新型的优点与效果是：

本实用新型实现表面肌电信号的采集、无线传输、显示和保存的功能，表面肌电信号可以在上位机上进行显示和保存，为后续实时提取表面肌电信号的特征提供支撑。

附图说明

通过以下参考附图对本实用新型实施例的描述，本实用新型的上述以及其它目的、特征和优点更为清楚，在附图中：

图1是本实用新型实施例的基于表面皮肤电极的表面肌电采集装置原理框图；

图2是本实用新型实施例的肌电信号放大与滤波单元的原理框图；

图3是本实用新型实施例的前置放大电路的电路原理图；

图4是本实用新型实施例的高通反馈电路的电路原理图；

图5是本实用新型实施例的带通滤波电路的电路原理图；

图6是本实用新型实施例的二级放大电路的电路原理图；

图7是本实用新型实施例的二级放大电路的电路原理图；

图8是本实用新型实施例的上位机显示与保存单元所显示的数据与界面；

图9是本实用新型实施例的另一上位机显示与保存单元所显示的数据与界面；

图10是本实用新型实施例的上位机显示的肌电信号频谱分析图。

具体实施方式

以下基于实施例对本实用新型进行描述，但是值得说明的是，本实用新型并不限于这些实施例。在下文对本实用新型的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。然而，对于没有详尽描述的部分，本领域技术人员也可以完全理解本实用新型。

此外，本领域普通技术人员应当理解，所提供的附图只是为了说明本实用新型的目的、特征和优点，附图并不是实际按照比例绘制的。

同时，除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包含但不限于”的含义。

图1是本实用新型实施例的基于表面皮肤电极的表面肌电采集装置原理框图。提取肌电信号的第一步是使用电极导引出电信号。因此，选择合适的电极至关重要，只有选择了正确的电极，才能够得到质量比较好的肌电信号，用于肌电采集的电极种类很多，其共同要求是它们必须对受试者无害。电极可以分成表面皮肤电极和***针形电极两类，本实用新型采用表面皮肤电极。

针电极是针***到肌肉中，收集到的在针电极周围有限范围内的运动单元电位的总和。因此，针电极提取肌电需将电极***肌肉，需要较高的操作技术并对受试者有一定损伤，但是采集到的肌电信号更加准确，一般适用于动物实验。

表面电极在信号的准确性方面比***电极差一些，同时干扰也更大，但对受试者无害。因此，用途也更加广泛。表面电极所取肌电信号反映体内较大区域肌电活动的总和，其特点是使用简便，一般只需粘贴或附于躯体被测部位即可使用。

如图1所示，一种基于表面皮肤电极的表面肌电采集装置，包括：肌电信号检测单元、肌电信号放大与滤波单元、肌电信号采集单元、肌电信号发射单元、肌电信号接收单元与上位机显示与保存单元。肌电信号检测单元采用表面皮肤电极对肌电信号进行检测。

图1中，肌电信号检测单元与肌电信号放大与滤波单元连接，肌电信号放大与滤波单元与肌电信号采集单元连接，肌电信号采集单元与肌电信号发射单元连接，肌电信号发射单元与肌电信号接收单元采用无线方式传输肌电信号，肌电信号接收单元与上位机显示与保存单元连接；

图1中，肌电信号检测单元，用于检测所述肌电信号；肌电信号放大与滤波单元，用于对所述肌电信号进行放大和滤波；肌电信号采集单元，用于对所述肌电信号进行采集；肌电信号发射单元和肌电信号接收单元，用于所述进行信号传输；上位机显示与保存单元，用于对所述肌电信号进行显示和保存。

其中，肌电信号为表面肌电信号；肌电信号检测单元通过表面皮肤电极检测肌电信号。

进一步地，肌电信号发射单元、肌电信号接收单元采用NRF24L01无线通信模块，NRF24L01无线模块与单片机通过SPI接口完成通信，NRF24L01无线通信模块完成无线传输的功能，最后通过串口将数据发送到上位机。

图2是本实用新型实施例的肌电信号放大与滤波单元的原理框图。在肌电电信号采集过程中，由于肌电信号是微弱信号，且存在很多干扰成分如：工频干扰、心电干扰、高频噪声和基线漂移等，这些干扰都比肌电信号要强，因此很好的除去这些干扰的影响是肌电信号采集的关键。因此需要对肌电信号的采集与滤波，得到干扰比较小的肌电信号，以便于对肌电信号的进一步处理。

如图2所示，电信号放大与滤波单元包括前置放大电路、带通滤波电路、二级放大电路、50Hz陷波电路和A/D采样电路。

图2中，前置放大电路与带通滤波电路连接，带通滤波电路与二级放大电路连接，二级放大电路与50Hz陷波电路连接，50Hz陷波电路与A/D采样电路连接；

图2中，前置放大电路，用于对所述肌电信号进行初级放大；带通滤波电路，用于滤去大于200Hz和小于15Hz的所述肌电信号；二级放大电路，用于对所述肌电信号进一步放大，使所述肌电信号适合A/D采样；50Hz陷波电路，用于滤除现实中50Hz的工频干扰；A/D采样电路，用于将所述肌电信号的转换为数字信号。

图3是本实用新型实施例的前置放大电路的电路原理图。对于级联***的噪声系数主要取决于第一级，为了控制***总噪声应对各级的增益和噪声进行综合考虑和分配。

另一方面，为了减小空间电磁场形成的噪声混入肌电信号，尤其是其中电网辐射造成的工频干扰，模拟放大电路应该有比较高的共模抑制比。

同时病人身体的运动会导致电极电位的变化，当用两个电极分别引导生物体两点的电位时，如果两个电极本身的电位不同则会造成记录中的伪差(又称极化电压)。

极化电压差作为差模直流电压信号输入到放大器，会造成前置放大器静态工作点的偏离，严重会导致放大器进入截止或饱和状态。

这种极化电压的存在限制了前置放大级的增益，为了避免截止或饱和，前置放大电路的增益不能太大，一般小于20，而本***选择前置放大倍数约为10倍。这样使得采集到的信号不失真。

如图3所示，放大器U1采用仪表放大器AD620。AD620具有高精度（最大非线性度40ppm），低失调电压（最大50uV）和低失调温漂（最大0.6 μV/°C），AD620还具有高输入阻抗、低输出阻抗低噪声、低输入偏置电流和低功耗等特性，使之非常适合于EMG等医疗应用，并且放大器的放大倍数仅由一个外接电阻决定。

图3中，放大器U1的1脚和8脚之间的外接电阻R1，即可实现放大器1~1000变化范围的电压增益。放大器U1的2脚和3脚分别为肌电信号的输入端IN-和IN+，放大器U1的4脚接地GND，放大器U1的7脚接入电源VCC，放大器U1的7脚和电源VCC还与滤波电容C1连接，滤波电容C1的另一端接地GND。放大器U1的5脚与图4中放大器TLV2252的输出端7脚连接。

图4是本实用新型实施例的高通反馈电路的电路原理图。肌电信号中还混有心电，运动伪差等低频信号，为了得到比较好的有用信号，在图3中，放大器U1的的反馈回路上设计了一个高通滤波器，其截至频率约为15Hz，这样就可以在图3中的前置放大电路将不需要的低频信号预先滤掉，对于抑制基线漂移有着极大的作用

如图4所示，高通反馈电路的放大器U2B采用TLV2252，放大器U2B的6脚和7脚通过容量为105的电容连接，放大器U2B的6脚通过10K电阻R5与图3中的放大器U1的6脚连接，放大器U2B的5脚通过容量为104的电容R3与图5中的放大器TLV2252的3脚连接，放大器U2B的4脚和8脚分别接到地GND和电源VCC。

其中，1V8为网络标号，表示连接关系。

图5是本实用新型实施例的带通滤波电路的电路原理图。由于肌电信号频带为15-500Hz，其中绝大部分能量集中在20-200Hz的频带中，选用高精度、低偏置的低功耗运放芯片TLV2252，片内集成了两个运放，可以灵活组成各类滤波电路。带通滤波由二阶有源低通滤波电路和一阶高通滤波电路级联组成，由于高频噪声与电阻阻值大小成正比关系，所以电阻阻值不宜太大，一般大小在几K到几十K，并且通过反馈来改善电路的幅频特性。

如图5所示，带通滤波电路包括放大器U2A和放大器U3A、

图5中，放大器U2A的2脚分别和1脚和3脚连接，放大器U2A的2脚和3脚之间具有10K的电阻R4和容量104的电容C2，放大器U2A的1脚通过3.3μF的电容C7和放大器U3A的3脚连接，放大器U2A的3脚通过10K的电阻R4和10K的电阻R3和图3中的放大器U1的6脚连接，放大器U2A的4脚和8脚分别接到地GND和电源VCC，电源VCC通过容量为104的滤波电容C4连接到地GND。

图5中，放大器U3A的2脚通过1K的电阻R6和容量为104的电容C3连接到U2A的3脚，放大器U3A的2脚还通过1K的电阻R8与放大器U3A的1脚连接，放大器U3A的3脚通过6.8K的电阻R7和容量为104的电容C3连接到U2A的3脚。放大器U3A的4脚和8脚分别接到地GND和电源VCC，电源VCC通过容量为104的滤波电容C4连接到地GND。放大器U3A的1脚还与图6中的运算放大器B的5脚连接。

其中，1V8为网络标号，表示连接关系。

图6是本实用新型实施例的二级放大电路的电路原理图。由于肌电信号的幅值最大不到5mV，而A/D转换电压值的大小有一定范围，因而需要将肌电信号放大一定倍数，一般为2000倍左右。

在前置放大电路中，放大倍数约为10.7倍，而带通滤波电路放大2倍，因此二级放大电路约为100倍。

如图6所示，放大器B采用也采用TLV2252型号的放大器，放大器B的7脚为输出端OUT1，放大器B的7脚还通过68K的电阻R11和IK的电阻R10连接到带有网络标号1V8的一端，电阻R11和电阻R10之间还与放大器B的6脚连接，放大器B的4脚和8脚分别接到地GND和电源VCC。

图7是本实用新型实施例的二级放大电路的电路原理图。虽然前置放大电路对50Hz工频干扰有很强的抑制作用，但仅仅靠共模抑制是不够的，还需要设计专门的滤波电路来滤除。最典型的陷波电路是有源双T网络加运算放大器，双T网络实际是由低通和高通滤波器并联组合成的二阶有源带阻滤波器，两个运算放大器接成射级跟随状态，增益都为l。本实施例实际采用的电路就是这种双T网络构成的带阻滤波器。

该滤波器的优点是品质因数可以调节，可以控制Q的值，使得曲线有比较陡峭的过渡带，且和带阻滤波器的中心频率无关。

由于单级50Hz陷波电路只能除去部分工频干扰，因此采用两级50Hz陷波电路，可以将50Hz工频干扰信号更好的滤除，两级50Hz陷波电路可以很好得除去工频干扰，使工频干扰降得很小。

如图7所示，图6中的放大器B的7脚的输出端OUT1作为两级50Hz陷波电路的输入，6.8K的电阻R12和6.8K的电阻R13串联在一起，0.47μF的电容C14和0.47μF的电容C15串联在一起，然后并联在一起，一端连接放大器B的7脚的输出端OUT1，一端连接到放大器U4A的3脚，放大器U4A的型号为TLV2252，放大器U4A的的2脚和1脚连接，放大器U4A的4脚和8脚分别接到地GND和电源VCC，电源VCC通过容量为104的滤波电容C4连接到地GND。

图7中，电阻R12和电阻R13之间通过0.94的电容C16与放大器U4B的7脚连接，电容C14和电容C15之间通过3.4K的电阻R14也与放大器U4B的7脚连接，放大器U4B的型号为TLV2252。放大器U4B的7脚还与放大器U4B的6脚连接，放大器U4A的1通过1K的电阻R16和5.1K的电阻R15标号1V8出连接，电阻R16和电阻R15之间与放大器U4B的5脚连接。

图8是本实用新型实施例的上位机显示与保存单元所显示的数据与界面。如图8所示，肌电采集装置的界面包括串口设置模块、图形展示模块、打开串口按键、接收字节数和Inputbuf字节数。

图8中，串口设置模块的端口号选择COM2，串口设置为如下，波特率：115200；数据位：8位；停止位：1位。为了测试采集到的数据，显示串口数据分为两种情况，一种为横坐标为时间轴，另一种为横坐标为数据轴。图8为横坐标为时间轴的肌电信号采集图。横坐标为时间轴，使得信号显示起来比较均匀，信号采样频率为1KHz，界面中显示的始终为两个周期的数据量。

图9是本实用新型实施例的另一上位机显示与保存单元所显示的数据与界面。如图9所示，肌电采集装置的界面与图8相同，横坐标为数据量。

图10是本实用新型实施例的上位机显示的肌电信号频谱分析图。如图10所示，横坐标为频率值，采集到肌电信号之后，为了验证信号是否为肌电信号，对采集到的肌电信号做频谱分析，看肌电信号的频段是否与肌电信号相符。

分析频谱图可知，信号频带分布在[0,500]Hz,其中大部分能量集中于[20,200]Hz的频带中，符合肌电信号的频带分布曲线。由于电路中使用的50Hz陷波电路，因此在50Hz处幅值非常小，但同时也滤去了一部分肌电信号。

以上所述实施例仅为表达本实用新型的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形、同等替换、改进等，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (2)

1.一种基于表面皮肤电极的表面肌电采集装置，该装置包括肌电信号检测单元，其特征在于，所述肌电信号检测单元与肌电信号放大与滤波单元连接，肌电信号放大与滤波单元与肌电信号采集单元连接，肌电信号采集单元与肌电信号发射单元连接，肌电信号发射单元与肌电信号接收单元采用无线方式传输肌电信号，肌电信号接收单元与上位机显示与保存单元连接；肌电信号检测单元为单电源低电压供电连接式；肌电信号放大与滤波单元包括前置放大电路、前置放大电路与带通滤波电路连接，带通滤波电路与二级放大电路连接，二级放大电路与50Hz陷波电路连接，50Hz陷波电路与A/D采样电路连接；肌电信号采集单元与肌电信号发射单元通过SPI接口连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于表面皮肤电极的表面肌电采集装置，其特征在于，所述肌电信号发射单元和肌电信号接收单元均采用无线模块连接。