熊 平，唐 建

中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083

1 引言

表面肌電信號(hào)（SEMG）是由電極周圍的肌纖維產(chǎn)生的所有運(yùn)動(dòng)單元電位（Motor Unit Potentials，MUAPs）在空間和時(shí)間上的累積。這些信號(hào)取決于運(yùn)動(dòng)相關(guān)的肌肉收縮過(guò)程中的解剖和生理特性，能夠?yàn)槿藗兲峁┡c神經(jīng)肌肉活動(dòng)相關(guān)的重要信息[1]。由于其具有提取方便、快捷、無(wú)創(chuàng)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，表面肌電信號(hào)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于例如功能性電刺激（FES）、肌肉收縮的疲勞分析、功能恢復(fù)、臨床診斷以及假肢控制系統(tǒng)等許多領(lǐng)域[2-3]。

表面肌電信號(hào)是一種非常微弱的交流電壓信號(hào)，其幅值在100～5 000 μV，峰峰值一般在0～6 mV。采用表面電極時(shí)，肌電信號(hào)能量主要集中在1 000 Hz以下，頻譜分布在20～500 Hz，其中，絕大部分頻譜集中在50～150 Hz之間[4]。研究表明，表面肌電信號(hào)一般不會(huì)超過(guò)噪聲水平，因此在進(jìn)行表面肌電信號(hào)采集時(shí)必須先對(duì)其進(jìn)行放大和去噪等處理，這就決定了處理電路必須滿足高輸人阻抗、高增益、高共模抑制比、低噪聲、低漂移[5-6]等要求。

本文通過(guò)分析表面肌電信號(hào)采集過(guò)程中可能引入的噪聲源，設(shè)計(jì)相應(yīng)的電路模塊對(duì)其進(jìn)行抑制，在保證表面肌電信號(hào)放大的同時(shí)使干擾降到最低。

2 影響SEMG的因素分析

本身即為一種微弱信號(hào)，再加之皮膚和組織的衰減作用，在皮膚表面記錄的表面肌電信號(hào)更容易受各種干擾的影響[7-8]。影響表面肌電信號(hào)形態(tài)和特性的因素基本上可以歸納為以下幾個(gè)方面：（1）組織特性，人的身體是良好的電導(dǎo)體，這也是能夠檢測(cè)到表面肌電信號(hào)的基礎(chǔ)。然而，人體的導(dǎo)電性會(huì)隨著組織的形狀、厚度，以及生理?xiàng)l件和溫度的變化而改變，這些條件會(huì)因測(cè)量主體的不同（甚至在主體內(nèi)部）有較大的差異，因此不能對(duì)未經(jīng)過(guò)處理的SEMG信號(hào)進(jìn)行振幅等參數(shù)的定量比較。（2）串?dāng)_，表面肌電信號(hào)在采集過(guò)程中會(huì)受到別的生理信號(hào)的串?dāng)_，包括相鄰肌肉電信號(hào)，以及其他生理信號(hào)比如心電、腦電等。（3）測(cè)量電極放置位置的變化，信號(hào)源與檢測(cè)點(diǎn)之間距離的變化會(huì)影響表面肌電信號(hào)的讀取，這對(duì)于所有動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)研究來(lái)說(shuō)是一個(gè)必然存在的問(wèn)題。（4）外部干擾，在嘈雜的電氣環(huán)境中要特別注意這類干擾，主要包括50 Hz工頻干擾，電臺(tái)、無(wú)線通訊設(shè)施以及其他儀器造成的高頻干擾。（5）電極及電子器件的固有噪聲：系統(tǒng)中選用的電極及電子器件本身固有的噪聲可能會(huì)致使在SEMG基線上加入其他的信號(hào)內(nèi)容，值得注意的是這類干擾無(wú)法靠外部方法來(lái)消除，只有通過(guò)選擇高質(zhì)量的元器件并且嚴(yán)格控制工藝技術(shù)等措施將其控制在可接受的范圍。

3 整體電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電路主要由四部分組成：初級(jí)放大電路、屏蔽驅(qū)動(dòng)和右腿驅(qū)動(dòng)電路、浮地電源和濾波電路以及后級(jí)放大電路。

3.1 初級(jí)放大電路

本部分電路主要對(duì)是將兩路差分表面肌電信號(hào)轉(zhuǎn)換成一路信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行放大和共模抑制。主要由三部分組成：雙運(yùn)放并聯(lián)型差動(dòng)放大器、阻容耦合電路以及集成儀器放大器。電路如圖1所示。

（1）對(duì)于并聯(lián)型差動(dòng)放大器，為提高運(yùn)放性能的匹配性，選用集成雙運(yùn)放OPA2604一塊芯片上的兩個(gè)運(yùn)放進(jìn)行該功能塊的設(shè)計(jì)[9]（如圖1中的U1A和U1B）。并聯(lián)型雙運(yùn)放差動(dòng)放大器能夠有效地提高整體電路的輸入阻抗，并且對(duì)輸入信號(hào)有一定的緩沖作用。該電路最值得關(guān)注的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需精密匹配的外圍電阻，不難證明，對(duì)于理想運(yùn)放，并聯(lián)型差動(dòng)放大器的共模抑制比為無(wú)窮大，輸入阻抗也為無(wú)窮大，且與外圍電阻（R4與R5）的匹配程度無(wú)關(guān)。

（3）電路后級(jí)使用通用型儀用放大器INA128[10]，將并聯(lián)型差動(dòng)放大器輸出的雙端信號(hào)轉(zhuǎn)換成常用的單端輸出信號(hào)。INA128具有高精度、低偏置電壓、低溫漂以及高共模抑制比等特點(diǎn)。

圖1所示電路的差動(dòng)輸出可由式（1）計(jì)算：

其中G為INA128的增益。

3.2 屏蔽驅(qū)動(dòng)與右腿驅(qū)動(dòng)電路

引入屏蔽驅(qū)動(dòng)和右腿驅(qū)動(dòng)，是為提高系統(tǒng)的共模抑制能力，增強(qiáng)系統(tǒng)抑制干擾的能力。

圖1 前級(jí)放大電路

（1）屏蔽驅(qū)動(dòng)：由于信號(hào)線與電纜屏蔽層之間存在分布電容，而兩根導(dǎo)聯(lián)線的分布電容不可能完全相等，加之電極阻抗不平衡，導(dǎo)致包括輸入回路在內(nèi)的整個(gè)放大系統(tǒng)共模抑制比能力下降，所以使導(dǎo)聯(lián)線的屏蔽層不接地，將共模電壓通過(guò)電壓跟隨器與屏蔽層連接，從而消除屏蔽層電容的不良干擾。

（2）右腿驅(qū)動(dòng)：作為抑制工頻干擾的有效方法之一，右腿驅(qū)動(dòng)電路常被用于生物體表電信號(hào)的采集[11]。它從前置放大電路兩個(gè)相等的偏置電阻R8、R9中間取出人體共模電壓，依次經(jīng)U3B（電壓跟隨器）與U3A（反相放大）連接到右腿，本質(zhì)上，它是一個(gè)共模電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路，起快速放電、有效衰減人體所帶共模電壓的作用。

屏蔽驅(qū)動(dòng)與右腿驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。

圖2 屏蔽驅(qū)動(dòng)與右腿驅(qū)動(dòng)電路

3.3 浮地電源

不難理解，如果U1A和U1B的正負(fù)電源的公共端不接地，而是把它接到與共模輸入電壓等電位的一點(diǎn)，那么對(duì)于兩個(gè)運(yùn)放來(lái)說(shuō)共模信號(hào)將是零[12]。

系統(tǒng)采用一種“浮地電源”[13]技術(shù)，來(lái)減小電源紋波所帶來(lái)的工頻干擾。電路如圖3所示，從前置放大電路兩個(gè)相等的偏置電阻R8、R9中間取出人體共模信號(hào)輸入到集成運(yùn)放U5A和U5B的正相輸入端，Q1、Q2與Q3、Q4分別構(gòu)成PNP型和NPN型比例恒流源電路[14]，通過(guò)精密穩(wěn)壓器Q5和精密電阻R39來(lái)控制流過(guò)三極管集電極的電流恒為0.25 mA，使得流入U(xiǎn)5A反相輸入端的電流恒為0.25 mA同時(shí)流入U(xiǎn)5B反相輸入端的電流恒為-0.25 mA，從而保證電阻R35與R41兩端的壓降恒為5 V。

圖3 浮地電源電路

如果假設(shè)共模電壓為VD，則U5A的輸出電壓為VOUT5A=VD-0.25×R35=VD-5{V}，以這個(gè)電壓作為U1A和U1B的負(fù)電源（圖3中的VSS-5V2）使用；同理U5B的輸出電壓為VOUT5B=VD+5{V}，以這個(gè)電壓作為U1A和U1B的正電源（圖3中的VDD+5V2）使用。這樣，對(duì)于U1A和U1B來(lái)說(shuō)，共模信號(hào)即相當(dāng)于零，消除了共模信號(hào)產(chǎn)生的誤差。

3.4 濾波器電路

表面肌電信號(hào)是一種非平穩(wěn)微弱信號(hào)，頻譜分布在20～500 Hz，除了高頻與低頻噪聲外，還要注意50 Hz工頻干擾。因此，本文中的濾波器電路主要包括50 Hz雙T型有源陷波器、高通濾波器與低通濾波器。

3.4.1 50 Hz雙T型有源陷波器

陷波器就是一種用作單一頻率陷波的窄帶阻濾波器，本文中使用的電路為典型的有源雙T型陷波器[15]，陷波器的電路如圖4所示。

圖4 50 Hz有源陷波器電路

陷波器的品質(zhì)因素Q，決定濾波器的選擇性，高Q對(duì)應(yīng)較窄的阻帶而低Q對(duì)應(yīng)較寬的阻帶。本設(shè)計(jì)中由于只要求衰減50 Hz信號(hào)，其他頻率盡量保留，因此需要提高Q。Q值的計(jì)算公式為：

阻帶BW為：

由式（2）和式（3）可以看出，當(dāng)k≈1時(shí)，Q值極高，BW接近于0，然而實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著k值不斷趨近于1，陷波寬度逐漸變窄，而陷波深度卻逐漸變小，因此在選擇k值（即R29與R34的值）時(shí)要綜合考慮，經(jīng)過(guò)不斷實(shí)驗(yàn)測(cè)試，最終選定R=10 kΩ，C=0.33 μF，R29=1 kΩ，R34=51 kΩ。

3.4.2 高通濾波器與低通濾波器

加入高通濾波器可以有效地減小由于電極和皮膚之間移動(dòng)偽差等原因產(chǎn)生的低頻干擾，根據(jù)表面肌電信號(hào)的頻率分布特性，系統(tǒng)將高通濾波器（HPF）的截止頻率設(shè)計(jì)為20 Hz。經(jīng)過(guò)反復(fù)仿真實(shí)驗(yàn)分析，本文使用Sallen-key的1次后接2次構(gòu)成的三階巴特沃斯濾波器，電路如圖5所示。

圖5 三階高通濾波器電路

該高通濾波器的傳遞函數(shù)為：

為了濾除高頻干擾，設(shè)計(jì)三階巴特沃斯濾波器低通濾波器（LPF）。LPF的設(shè)計(jì)方法與HPF相同，只是將HPF中電阻與電容的位置進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。本文中設(shè)計(jì)的低通濾波器截止頻率為500 Hz，電路如圖6所示。

圖6 三階低通濾波器電路

該低通濾波器的傳遞函數(shù)為：

高通濾波器和低通濾波器在系統(tǒng)中除了起到濾除低頻噪聲和高頻噪聲的作用外，還對(duì)表面肌電信號(hào)進(jìn)行再次放大，放大的倍數(shù)為：

3.4.3 后級(jí)放大電路

后級(jí)放大電路對(duì)經(jīng)過(guò)濾波后的肌電信號(hào)進(jìn)行再次放大，此電路使用兩個(gè)反向放大器相連構(gòu)成，后端反向放大器的增益為1，因此整個(gè)電路的增益只與前段反相放大器相關(guān)。電路使用8路模擬開(kāi)關(guān)芯片CD4051來(lái)控制反饋電阻Rf，從而達(dá)到改變?cè)鲆娴哪康模潆娐吩O(shè)計(jì)如圖7所示。

圖7 后級(jí)放大電路

后級(jí)放大電路的增益為

根據(jù)Rf的不同，電路可選擇 1、2、4.3、5.1、8.2、10、15和20等8種不同的增益。

4 系統(tǒng)測(cè)試分析

4.1 濾波器電路測(cè)試

該部分電路選用100 mV正弦波進(jìn)行單元電路單步測(cè)試，其中50 Hz陷波電路、高通濾波電路和低通濾波電路的增益分別為ANF=1，AHP=2，ALP=2。濾波電路各部分測(cè)試結(jié)果如表1、表2和表3所示。

表1 50 Hz陷波電路測(cè)試結(jié)果

表2 高通濾波電路測(cè)試結(jié)果

表3 低通濾波電路測(cè)試結(jié)果

由測(cè)試結(jié)果可以看出，50 Hz工頻陷波電路的陷波范圍為44～56 Hz，中心頻率大致在49.6～50 Hz之間，在50Hz時(shí)的衰減深度在17.4%左右；高通濾波電路的理論截止頻率為fHP=20 Hz，與測(cè)試表2中的結(jié)果相符，高通濾波電路在10 Hz時(shí)約衰減88.4%，而在35 Hz時(shí)幾乎無(wú)衰減；低通濾波電路的理論截止頻率為fLP=500 Hz，與表3中的測(cè)試結(jié)果相符，低通濾波電路在850 Hz時(shí)約衰減86.7%，而在300 Hz時(shí)幾乎無(wú)衰減。濾波電路滿足了設(shè)計(jì)要求。

表4 系統(tǒng)總體增益測(cè)試

4.2 系統(tǒng)總體增益測(cè)試

系統(tǒng)的總體增益由初級(jí)放大電路、高通濾波和低通濾波電路，以及后級(jí)放大電路共同決定，綜合式（1）、式（6）和式（7）可以得出增益計(jì)算公式為：

系統(tǒng)總體增益測(cè)試結(jié)果如表4所示，表中的AV代表系統(tǒng)實(shí)際增益。

4.3 系統(tǒng)性能測(cè)試

使用組裝好的表面肌電信號(hào)前端處理系統(tǒng)對(duì)兩名不同的測(cè)試人員（測(cè)試人員A與測(cè)試人員B）進(jìn)行前臂屈肌肌電信號(hào)的檢測(cè)，利用示波器進(jìn)行肌電信號(hào)顯示，結(jié)果如圖8所示。從圖中可以看出系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地捕捉到人體的表面肌電信號(hào)，并能清晰地放映力量的大小和爆發(fā)過(guò)程，也可以反映出不同人員肌肉健壯程度的差別。

圖8 肌電信號(hào)圖

5 結(jié)論

表面肌電信號(hào)是一種復(fù)雜而且微弱的生理信號(hào)，在表面肌電信號(hào)檢測(cè)過(guò)程中存在著許多影響檢測(cè)精度和可靠性的因素，通過(guò)分析表面肌電信號(hào)采集過(guò)程中可能引入的噪聲源，設(shè)計(jì)完成了一個(gè)高共模抑制比的表面肌電信號(hào)前端處理系統(tǒng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，本文系統(tǒng)在表面肌電信號(hào)的有效頻域內(nèi)具有穩(wěn)定的放大倍數(shù)，且具有較高的共模抑制比，可以有效地抑制高、低頻噪聲，共模干擾以及50 Hz工頻干擾，滿足表面肌電信號(hào)去噪和放大的要求。

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