CN101828919A - 一种具有放大功能的表面肌电电极 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种包括信号采集单元、且具有放大功能的表面肌电电极，采集单元采集肌电信号后，依次经过信号滤波单元和信号放大单元，从信号输出单元输出期望的肌电信号，并且采集单元包括信号电极、接地电极和参考电极，信号滤波单元包括高通滤波电路，信号放大单元包括仪表放大器。这种肌电电极具有较好的抗干扰能力，能精确地采集肌电信号，可很好的满足于临床医学方面的研究和应用的需要。

Description

一种具有放大功能的表面肌电电极

技术领域

本发明涉及电生理诊断类设备，特别涉及具有放大功能的表面肌电电极。

背景技术

肌电图是应用电子学仪器记录肌肉静止或收缩时的点活动，及应用电刺激检查神经、肌肉兴奋及传导功能的方法。利用肌电图装置对由肌肉产生的电位进行测量和记录，从而获得描绘肌肉电活动的肌电图。肌电信号活动的变化在很大程度上能够定量反映和评估肌肉活动的局部疲劳程度、肌力水平、肌肉激活模式、运动单位兴奋传导速度、多肌群协调性等肌肉功能活动和中枢控制特征的变化规律。对临床诊断及康复医学、运动医学等具有重要的研究意义。

表面肌电(surface electromyography，sEMG)信号是神经肌肉系统在进行随意性和非随意性活动时的生物电变化经表面电极引导、放大、显示和记录所获得的一维电压时间序列信号，其振幅约为0-5000μV，频率0-1000Hz，信号形态具有较强的随机性和不稳定性。与传统的针式肌电图相比，sEMG的空间分辨率相对较低，但是探测空间较大，重复性较好，对于体育科学研究、康复医学临床和基础研究等具有重要的学术价值和应用意义。

要将表面肌电信号应用于医学临床和基础研究，必须采集表面肌电信号。在现有的技术中，表面肌电信号的采集是通过Ag/AgCL电极片引出，通过电缆线传输进入信号放大处理电路的。然而，这样的传统传输方式在实际应用中存在着许多弊端：由于电缆传输表面肌电信号的阻抗很高，容易受到空间电磁场和工频交流电的干扰；而且在测量表面肌电时，人体运动引起电缆线的弯曲、移动也会对微弱的肌电信号造成严重干扰，影响最终获取的表面肌电信号的质量。

发明内容

本发明的目的旨在克服肌电信号采集时可能受到的50HZ工频干扰、固有噪声，运动状态如手臂抖动、移动等导致信号的失真，或者湮灭初始信号而不利于观测，减少它们对肌电信号的影响，从而输出高质量的清晰信号。

为此，本发明提出和实现了一种具有抗干扰能力的且具有放大功能的表面肌电电极，从而提供一种可以精确采集肌电信号的、性价比高的表面肌电电极，以满足于临床医学方面的研究和应用的需要。

在设计本发明的表面肌电电极时，主要考虑以下因素：

(1)外来的各种辐射信号的干扰：如日光灯、无线电、电源线、各种泄漏高频信号的仪器设施等均可干扰到人体肌电信号；甚至有的干扰信号，如电源线引起的50Hz工频干扰信号，其电压幅值大大超出人体的肌电信号，对肌电信号有严重干扰影响。人体是一导电体，工频干扰及体外的电场、磁场感应都会在人体内形成测量噪声，干扰表面肌电信号的检测，所以信号的滤波和电路的屏蔽成为表面肌电信号数字传感器设计的重点。

(2)运动伪迹干扰：这种干扰现象可能是由电极与皮肤表面间的相对位移造成的，也可能由电极与前置放大器之间的导联连线发生移动而造成。

因此，我们在设计这种具有放大功能的表面肌电电极中采用了高性能的仪表放大器，有效地抑制了噪声和干扰的影响。

关于这种具有放大功能的表面肌电电极包括信号采集单元，采集单元采集肌电信号后，依次经过信号滤波单元和信号放大单元，从信号输出单元输出期望的肌电信号，并且所述采集单元除了包括信号电极和接地电极外，还包括参考电极，所述信号滤波单元包括高通滤波电路，所述信号放大单元包括仪表放大器。

根据本发明的表面肌电电极，所述信号放大单元包括连接在仪表放大器外侧的电阻，用来调整信号放大单元的增益。

根据本发明的表面肌电电极，所述信号滤波单元还包括连接在高通滤波器之后的电容器。

根据本发明的表面肌电电极，所述信号电极和参考电极经过信号滤波单元后连接至仪表放大器的正负输入端。

根据本发明的表面肌电电极，所述信号电极、接地电极和参考电极为扣式电极。

根据本发明的表面肌电电极，所述仪表放大器的型号优选为AD8221。

根据本发明的表面肌电电极，所述高通滤波电路优选为一阶阻容式滤波电路。

针对现有技术存在的缺陷，本发明的表面肌电电极主要在以下方面做了改进：

将前置放大器与电极一体化设计，几乎没有导联电缆线引起的串扰，有效防止了电极与放大器之间的导联线通过电容耦合方式降低系统的共模抑制能力，而对后级测量精度造成的不利影响。

内置的放大器采用差分放大的结构电路。其具有的共模抑制比高特性，在一定程度上削弱了共模干扰；同时满足了高输入阻抗的需求，也使因皮肤与检测电极间接触电阻(可能在几千欧到几兆欧姆)衰减的信号和造成的信号变形降到最低，提高了系统信噪比。

内置放大电路有较大的放大倍数(近100倍)，而且设置由屏蔽层和平衡电路做成的参考电极，较好地抑制了电路等造成的固有噪声，进一步使其信噪比得到较大提高。

选用的扣式电极作为采集信号的电极，该电极为一种性能稳定的磁性电极，如人体出汗后将导致阻抗降低，因此可以保证记录时不会因皮肤出汗或湿度改变而使电极特性发生重大变化，从而影响信号波形。同时采用固定位置的电极，克服了因电极相对位置移动而导致所测信号差异较大即运动伪迹的问题。

采用仪表放大器AD8221，其频率响应较宽，即使在其增益达100dB时，其频率范围仍可达200kHz，而表面肌电信号的频率通常小于500Hz，能完全满足表面肌电信号检测需要。

附图说明

图1为本发明的表面肌电电极的系统结构框图；

图2为本发明的典型实施例的表面肌电电极的具体电路图；

图3为本发明的典型实施例的表面肌电电极的信号滤波和放大单元结合在一起的原理结构图；

图4为本发明的典型实施例的表面肌电电极中的信号放大单元采用的仪表放大器的内部电路图；

图5为表面肌电电极实际工作中的连接示意图

图6为采用传统表面肌电电极获得的肌电信号图

图7为采用本发明的表面肌电电极获得的肌电信号图

具体实施方式

为了更好地理解本发明，以下将通过举例的方式详细说明本发明的具有放大功能的表面肌电电极。本领域技术人员应当明白，这并不构成对本申请要求保护的发明的实施方式的限制。

本发明的表面肌电电极的系统结构系统框图如图1所示。表面肌电电极主要包括信号采集单元、信号滤波单元、信号放大单元和信号输出单元。利用Ag/AgCL表面肌电电极将表面肌电信号由人体引出后，将信号导入具有初步信号处理功能的放大器。减小了信号第一级处理的物理空间距离，以减少各种由长电缆传输引入的干扰信号的影响进行信号放大。尽可能排除可以预见存在的干扰信号，同时放大肌电信号，完成肌电信号采集。

下面将通过举例的方式详细说明本发明的表面肌电电极的电路。

图2为本发明的一种具有放大功能的表面肌电电极电路图。下面将以对应于图1所示各部分单元的方式具体说明肌电电极的电路组成。

信号采集单元：如图2所示，采集单元在电路图中主要由电极1(J1)、电极2(J2)和电极3(J3)这3个电极实现，其中电极2(J2)是接地电极，电极3(J3)是参考电极，电极1(J1)是信号电极。在两个电极中间插入的参考电极(J3)也称作无关电极，以利于降低噪声，提高对共模信号的抑制能力。

信号滤波单元：表面肌电信号一般只有毫伏级电压，信号中往往夹带着低频(接近直流)和高频的干扰信号，真正有用的肌电信号大致在10HZ-500HZ之间，因此，信号滤波电路必须能够滤除其中的低频信号和高频干扰信号。本发明的典型实施方式的表面肌电电极中的信号滤波单元采用高通滤波电路来去除低频信号。表面肌电信号被电极1、2、3采集进入电路后，经过由C1、C2、R1、R2、R7组成的高通滤波电路，滤除低频率的干扰信号。高通滤波电路首先滤除5HZ以下的信号，即进行初步滤波。在5HZ-∞频率范围内，高通滤波电路的幅频特性是平直的。因此，高通滤波电路使肌电信号中高于5HZ的频率成分几乎不受衰减地通过，而低于5HZ的频率成分将受到极大地衰减。其中使用空间耦合电容C1、C2的作用是去除极化电压，以防止放大器因极化电压的影响而进入饱和状态，使信号不产生饱和失真。R1、R2的作用在于给后面将要提到的运放提供一直流偏置电压，使放大器工作在放大状态，确保信号不产生截止失真。考虑到在信号输入端的高通滤波可能会由于R1、C1、R2、C2这些元件值的匹配误差带来共模噪声，并且该结构可能会降低放大电路的输入阻抗，所以加入电阻R7，连同电极J2一起来滤除共模噪声。

利用电容的隔直通交的原理，在高通滤波电路的末端再设置电容C5，能够将高频电流从信号中隔离出来，因此，电容C5可以有效的衰减高频干扰和噪声，减小由高频噪声和干扰所产生的测量误差。图中的R5、C3、C6构成+5V端的低通滤波电路，R6、C4、C7构成-5V端的低通滤波电路，对电源具有一定的滤波功能，滤除电源部分的高频干扰及噪声。

在本发明的典型实施方式中，滤波部分的各元件的代表性参数为：R1＝10MΩ、R2＝10MΩ、R3＝500Ω、R4＝100Ω、R5＝100Ω、R6＝100Ω；C1＝0.1μF、C2＝0.1μF、C3＝0.1μF、C4＝0.1μF、C5＝470PF、C6＝10μF。

信号放大单元：信号放大单元主要由运放U1及其外围电路组成。任何噪声如果离检测点很远，在检测点上将表现为“共模”信号；而被检测的表面附近的信号则表现得不同，将被放大。因此，为了消除来自电源线的噪声，采用差动放大的方法。将由两个电极检测输入的肌电信号“相减”，去掉相同的“共模”成份，只放大不同的“差模”成份。从而达到了相对较远处的电力线噪声被消除、而相对比较近处的肌电信号被放大的目的。

本发明所用的放大器优选为AD8221。AD8221是一款单芯片仪表放大器，采用经典的三运放拓扑结构设计，图3示出了包括前述的高通滤波单元在内的信号滤波放大单元的结构原理图，即高通滤波电路42和三运放结构的差分放大器36分别实现滤波和放大的功能。

仪表放大器AD8221的内部电路参见图4。如图4所示，输入晶体管Q1和Q2来固定电流偏置，因此任何差分输入信号都会使运放A1和A2的输出电压发生相应变化。输入信号产生电流通过电阻RG、R1、R2，使得运放A1和A2的输出正确的电压。从拓扑意义上说，Q1、A1、R1与Q2、A2、R2均可视为精密电流反馈放大器，后者抑制共模电压，但放大差分电压。采用该差动放大器，可实现低输出失调电压及低输出失调电压漂移。而且，AD8221采用superbeta输入晶体管和IB补偿方案，所以具有极高的输入阻抗、低IB漂移、低IOS输入偏置电流噪声和极低的电压噪声特性。该放大器的传递函数为G＝1+49.4KΩ/RG，用户可以通过一个标准电阻轻松而精确地设置增益。

如图2所示，电阻R3为对应于图4中的电阻RG的放大器反馈电阻，运放U1的放大倍数为G＝1+49.4KΩ/R3，因此，调整电阻R3的阻值就可调整放大器增益。

信号输出单元：表面肌电信号经过前述的采集、滤波和放大处理后，最后由信号输出单元(输出端子J7)输出模拟信号。为下一步的数字化处理单元(例如A/D转换)以及计算机分析和计算提供准备。

将本发明的表面肌电电极应用于医学诊断或研究中，如图5所示。用固定线使得肌电电极与于人体(例如手臂)保持接触，肌电电极输出的模拟信号由信号传输线连接到电生理设备。由于本发明将电极与肌电信号放大器一体化设计，使电极采集部分同时具备了信号放大功能。实现了信号前端的预处理及放大，使信号预先得到一定增强后，由三路电缆线转换为一路总线输出，再经过电缆传输进行进一步的后续处理，有效降低了由于前期长电缆传输而引入的各种干扰信号的影响。提升了电极传输信号的抗干扰能力，减少了因患者因移动而牵动电缆线产生的干扰。

图6为传统采用表面肌电电极采集肌电信号后得到的肌电信号波形图，而图7为采用本发明的具有放大功能的表面肌电电极采集肌电信号而得到的肌电信号波形图。从图6和图7可以看出，低频干扰信号几乎被滤除，而且高频干扰信号也得到明显的抑制。

经测试，本发明设计的具有放大功能的表面肌电电极性能指如下：

(1)放大倍数：100倍。增益是衡量放大器放大微弱信号的能力，肌电信号振幅约为0-5000μV，必须将这些微弱的生理信号放大到适合于记录或显示装置的电平，以利于信号检测；

(2)低噪声：噪声电压≤0.7μV。生理参数测量放大器本身的噪声较高，则有可能将有用的微弱信号淹没而难以观察，因此在微弱生物电信号放大时，必须要求放大器具有较低的内部噪声；

(3)高输入阻抗：≥10MΩ。生理参数测量放大器的输入阻抗一般来说应尽可能大，通常要求放大器的输入阻抗比信号源的内阻抗大得多。由于信号源内阻可达几十KΩ，乃至几百KΩ，肌肉组织与电极之间的接触阻抗可能在相当大的范围内变化，在天气干燥地区，接触电阻甚至高达几万欧姆；为了达到有效提高生物电信号的信噪比的目的，输入阻抗必须要远远大于信号源内阻；输入阻抗越大，信噪比越高。在这种条件下，即使放大器的共模比极优良，如果输入阻抗不够高，共模干扰信号也会造成输出误差，因此必须提高放大器的输入阻抗。

(4)高共模抑制比：≥80db。生理参数测量放大器一般具有高增益和高输入阻抗，因而各类干扰也极易随信号进入放大器通道，肌电信号微小的差模信号，而信号采集过程中是难免会引入共模信号(高频电噪声)。能否有效地去除信号中的共模干扰信号，是神经电放大器的一个重要指标，因此本发明选用具有高共模抑制比的放大电路对干扰信号进行抑制。

采用本发明的改进的表面肌电电极的优势主要体现在以下方面：(1)提高了肌电信号的测量精度；(2)系统的信噪比得到了提升，抗干扰能力强，减少噪声干扰等对肌电信号的影响；(3)使用更方便，无需要求患者在被检测时保持被测部位的禁止。

本领域技术人员可轻易地对本实施例进行修正、改变或者等同的替换，例如，可将典型实施例中的一阶阻容式高通滤波电路替换为有源高通滤波电路或者LC高通滤波器等，也可选用其它类型的运放电路，在此不再赘述，这些都应属于本发明的权利要求所主张的范围。

Claims (7)

1.一种表面肌电电极，该肌电电极包括信号采集单元，采集单元采集肌电信号后，依次经过信号滤波单元和信号放大单元，从信号输出单元输出期望的肌电信号，其特征在于：所述采集单元除了包括信号电极和接地电极外，还包括参考电极，所述信号滤波单元包括高通滤波电路，所述信号放大单元包括仪表放大器。

2.如权利要求1所述的表面肌电电极，所述信号放大单元包括连接在仪表放大器外侧的电阻，用来调整信号放大单元的增益。

3.如权利要求1所述的表面肌电电极，所述信号滤波单元还包括连接在高通滤波器之后的电容器。

4.如权利要求1所述的表面肌电电极，所述信号电极和参考电极经过信号滤波单元后连接至仪表放大器的正负输入端。

5.如权利要求1所述的表面肌电电极，所述信号电极、接地电极和参考电极为扣式电极。

6.如权利要求1所述的表面肌电电极，所述仪表放大器的型号为AD8221。

7.如权利要求1所述的表面肌电电极，所述高通滤波电路为一阶阻容式滤波电路。

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