1、 表面肌电信号采集（硬件部分）报告一 研究背景肌肉收缩时伴随的电信号，表面肌电信号是各个运动单元动作电位在表面电极处之和，是在体表无创检测肌肉活动的重要方法。本课程设计通过表面肌电信号幅值的检测，实现对手指运动或抓握力量的识别。图一 表面肌电信号图 2 手指运动的肌电信号肌电信号特性设计肌电信号采集系统，首先要了解并分析肌电信号的特性，明确肌电信号的特性能够更好的滤除噪声，更好的设计肌电采集系统。肌电信号发源于作为中枢神经一部分的脊髓中的运动神经元。运动神经元的细胞体处在其中，其轴突伸展到肌纤维处，经终板区（哺乳类神经肌肉接头为板状接头，故称终板或称运动终板 motor endplate）与肌
2、纤维耦合（是生化过程性质的耦合）。与每个神经元联系着的肌纤维不只一条。这些部分合在一起，构成所谓运动单位，如图（2.1）。运动单位是肌肉的最小功能单位并能被随意地激活，它由受同一运动神经支配的一群肌肉纤维组成，肌电信号(EMG)是由不同运动单位的运动单位动作电位motor unit action potential，MUAP)组成。肌电信息与肌肉收缩的关系可以概述如下：由中枢神经系统发出传向运动神经末梢分支的运动电位，传递着驱使肌肉收缩的信息。由于神经末梢分支的电流太小，常不足以直接兴奋大得多的肌纤维，但是通过神经肌肉接头处的特殊终板的类似放大作用，这样就爆发一个动作电位沿着肌纤维而传播，在动
3、作电位的激发下随之产生一次肌肉收缩。这种兴奋和收缩之间的联结是通过肌纤维内部特殊的传导系统实现的，因此，可以明确以下概念：1） 动作电位不是肌肉收缩的表现，而是发动肌肉收缩机制的重要部分。2） 由于肌肉信号只与给予肌肉的指令成比例，因此肌肉实际上不需要产生力，但工作了的肌肉仍然是发放肌电的适当源泉。各肌纤维在检测点上表现出的电位波形，其极性与终板和检测点的相对位置有关（例如图 2.2 上纤维 1 和 n 引起的电位波形与纤维 2，3 引 起的 电 位 波 形 反 向 ） 。又和纤维与检测点间的距离有关，相距愈远，幅度愈小。各肌纤维在检测点间引起电位的总和构成运动单元的动作电位（MUAP）。由于
4、轴突上的电发放是脉冲序列，因此检测点间引起的也是动作电位的序列（MUAPT），如图 2.3 所示。二、设计原理采集电路原理如图 3 所示，本次任务要求采集人体前臂指浅屈肌的表面肌电信号，通过示波器观察采集的肌电信号随手指握力大小变化而变化。图 3 表面肌电信号调理电路结构图1、前级运放的噪声是仪器引入噪声的主要来源，因此前级运放需选用具有低噪声性能的仪表放大器。前级仪表放大器的选用：(1)输入电压噪声和输入电流噪声小。(2)共模抑制比 CMRR 大。(3)差模输入阻抗大。(4) 输入偏置电流小。根据这个要求我们比较选取了 AD 公司的 AD8220 仪表放大器AD8220 产品特性:1） 输入
5、电压噪声：14Nv/Hz.2） 输入电流噪声：1Fa/Hz.3） 共模抑制比 CMRR:100.4） 输入偏置电流：10Pa根据图 3，肌电信号处理步骤总体设计图如下图 1-12 设计方案1.前级放大部分采用 AD8220 仪表放大器图 2-1该部分由三个芯片组成 u1 为 AD8220 放大前置放大倍数为 G1)32(*1/)321(4.9RRKKR12.4KR9.24总体 G=309.43AD8220 的设置电阻中点接入两个 op07 进行缓冲、反转并放大这点的共模电压驱动回身体。Multism 上仿真如下图2.高通、低通滤波部分图 2-2-1 高通滤波 图 2-2-2 低通滤波器本次方案
6、采用低通+高通形成带通的方式进行滤波，频率成分主要分布在20Hz500Hz 之间，选用的芯片均为 OP07，价格较为便宜，且使用方便，同时也可满足题目所需。高通滤波器：其放大倍数 G=1.9998=2,经 计算， 。RCf21Hzf20Multism 上仿真如下低通滤波器: 其放大倍数 G=8.333，经计算 ，RCf21f=500Multism 上仿真如下3 50hz 限波50hz 工频对表面肌电信号的采集有很大的影响，频率在肌电信号频率范围内且幅度大于肌电信号，因此要滤去。Multism 仿真如下4后级放大部分电路图如下：Multism 仿真如下RfG1,Rf=10k,R=1.1k,G=1
7、0.9.6.电平抬升使用一个 op07 组成的累加器，对前级输出进行抬升。Multism 仿真如下7总体电路图二 测试1输入肌电信号：舒张紧握：2结果分析实验结果并未达到预期的 1000 倍，只有几百倍。但并不妨碍肌电信号的采集输出。三 总结今次实验课对我来说并不容易，当我准备开始本次课程设计时，我甚至不知道从何处下手!辛亏我和搭档在网上查阅了大量资料，然后通过好搭档的简单交流，了解到本次课程设计的重点是滤波电路，于是我们研究了相关滤波电路。跟某些组来比，我们组开始的进度并未不快，直到第三次实验课结束才最终确定了总体电路，幸运的是仿真成功了。我并不擅长焊接电路，所以我很感谢我的搭档，她一个人利
8、用空闲时间完成了整个电路的焊接。焊接后我们开始了调试，然而调试的过程中并不一帆风顺，一个简单的跟随器电路居然出了差错！我们用一个晚上才最终找出来问题的所在电路某些部分焊接失误，排除了这个错误后，我们继续测试，然后几个芯片 op07 又不能发挥正常功能，幸亏其他组借了我们几个芯片给我们，调试才能继续下去。终于到了第九周，我们开始了最后的测试阶段，可是在进行人体试验的时候，差分反向段电极也没能发挥正常功能。除却以上所说的，整个实验过程还是比较顺利的，在长达九周的时间里，我们凭借自己的努力和帮助我门的人，终于圆满的结束此次实验设计课程，我知道自己还有很多不足，所以接下来我会更加严格要求自己，让这条路越走越宽敞。生 物 医 学 工 程 学 院题 目：表面肌电信号采集指导老师：李正义年 级：2013 级小组成员：张梦莎 201321121113瞿康为 201321121094报告内容： 系统方案设计与比较 单元电路设计与计算 系统测试 总结报告撰写者：瞿康为
