表面肌電信號采集

1、 表面肌電信號采集（硬件部分）報告一 研究背景 肌肉收縮時伴隨的電信號，表面肌電信號是各個運動單元動作電位在表面電極處之和，是在體表無創(chuàng)檢測肌肉活動的重要方法。本課程設計通過表面肌電信號幅值的檢測，實現(xiàn)對手指運動或抓握力量的識別。 圖一 表面肌電信號圖2 手指運動的肌電信號肌電信號特性設計肌電信號采集系統(tǒng)，首先要了解并分析肌電信號的特性，明確肌電信號的特性能夠更好的濾除噪聲，更好的設計肌電采集系統(tǒng)。肌電信號發(fā)源于作為中樞神經(jīng)一部分的脊髓中的運動神經(jīng)元。運動神經(jīng)元的細胞體處在其中，其軸突伸展到肌纖維處，經(jīng)終板區(qū)（哺乳類神經(jīng)肌肉接頭為板狀接頭，故稱終板或稱運動終板motor endpla

2、te）與肌纖維耦合（是生化過程性質(zhì)的耦合）。與每個神經(jīng)元聯(lián)系著的肌纖維不只一條。這些部分合在一起，構(gòu)成所謂運動單位，如圖（2.1）。 運動單位是肌肉的最小功能單位并能被隨意地激活，它由受同一運動神經(jīng)支配的一群肌肉纖維組成，肌電信號(EMG)是由不同運動單位的運動單位動作電位motor unit action potential，MUAP)組成。肌電信息與肌肉收縮的關(guān)系可以概述如下：由中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)出傳向運動神經(jīng)末梢分支的運動電位，傳遞著驅(qū)使肌肉收縮的信息。由于神經(jīng)末梢分支的電流太小，常不足以直接興奮大得多的肌纖維，但是通過神經(jīng)肌肉接頭處的特殊終板的類似放

3、大作用，這樣就爆發(fā)一個動作電位沿著肌纖維而傳播，在動作電位的激發(fā)下隨之產(chǎn)生一次肌肉收縮。這種興奮和收縮之間的聯(lián)結(jié)是通過肌纖維內(nèi)部特殊的傳導系統(tǒng)實現(xiàn)的，因此，可以明確以下概念：1） 動作電位不是肌肉收縮的表現(xiàn)，而是發(fā)動肌肉收縮機制的重要部分。2） 由于肌肉信號只與給予肌肉的指令成比例，因此肌肉實際上不需要產(chǎn)生力，但工作了的肌肉仍然是發(fā)放肌電的適當源泉。各肌纖維在檢測點上表現(xiàn)出的電位波形，其極性與終板和檢測點的相對位置有關(guān)（例如圖2.2上纖維1和n引起的電位波形與纖維2，3引起的電位波形反向）。又和纖維與檢測點間的距離有關(guān)，相距愈遠，幅度愈小。各肌纖維在檢測點間引起電位的總和構(gòu)成運動單元的動作電位

4、（MUAP）。由于軸突上的電發(fā)放是脈沖序列，因此檢測點間引起的也是動作電位的序列（MUAPT），如圖2.3所示。二、設計原理采集電路原理如圖3所示，本次任務要求采集人體前臂指淺屈肌的表面肌電信號，通過示波器觀察采集的肌電信號隨手指握力大小變化而變化。 圖3 表面肌電信號調(diào)理電路結(jié)構(gòu)圖 1、前級運放的噪聲是儀器引入噪聲的主要來源，因此前級運放需選用具有低噪聲性能的儀表放大器。前級儀表放大器的選用：(1)輸入電壓噪聲和輸入電流噪聲小。(2)共模抑制比CMRR大。(3)差模輸入阻抗大。(4) 輸入偏置電流小。根據(jù)這個要求我們比較選取了AD公司的AD8220儀表放大器AD8220產(chǎn)品特性:1） 輸入電

5、壓噪聲：14Nv/Hz.2） 輸入電流噪聲：1Fa/Hz.3） 共模抑制比CMRR:100.4） 輸入偏置電流：10Pa根據(jù)圖3，肌電信號處理步驟總體設計圖如下 圖1-12 設計方案 1.前級放大部分采用AD8220儀表放大器 圖2-1該部分由三個芯片組成u1為AD8220放大前置放大倍數(shù)為G 總體 G=30 AD8220的設置電阻中點接入兩個op07進行緩沖、反轉(zhuǎn)并放大這點的共模電壓驅(qū)動回身體。Multism上仿真如下圖2. 高通、低通濾波部分 圖2-2-1 高通濾波 圖2-2-2 低通濾波器本次方案采用低通+高通形成帶通的方式進行濾波，頻率成分主要分布在20Hz500Hz之間，選用的芯片均

6、為OP07，價格較為便宜，且使用方便，同時也可滿足題目所需。高通濾波器：其放大倍數(shù)G=1.9998=2,經(jīng)計算，。Multism上仿真如下低通濾波器: 其放大倍數(shù)G=8.333，經(jīng)計算，f=500HzMultism上仿真如下350hz限波50hz工頻對表面肌電信號的采集有很大的影響，頻率在肌電信號頻率范圍內(nèi)且幅度大于肌電信號，因此要濾去。Multism仿真如下4后級放大部分電路圖如下：Multism仿真如下,Rf=10k,R=1.1k,G=10.9.6.電平抬升使用一個op07組成的累加器，對前級輸出進行抬升。Multism仿真如下7總體電路圖二 測試1輸入肌電信號：舒張緊握：2結(jié)果分析實驗結(jié)

7、果并未達到預期的1000倍，只有幾百倍。但并不妨礙肌電信號的采集輸出。三 總結(jié)今次實驗課對我來說并不容易，當我準備開始本次課程設計時，我甚至不知道從何處下手!辛虧我和搭檔在網(wǎng)上查閱了大量資料，然后通過好搭檔的簡單交流，了解到本次課程設計的重點是濾波電路，于是我們研究了相關(guān)濾波電路。跟某些組來比，我們組開始的進度并未不快，直到第三次實驗課結(jié)束才最終確定了總體電路，幸運的是仿真成功了。我并不擅長焊接電路，所以我很感謝我的搭檔，她一個人利用空閑時間完成了整個電路的焊接。焊接后我們開始了調(diào)試，然而調(diào)試的過程中并不一帆風順，一個簡單的跟隨器電路居然出了差錯！我們用一個晚上才最終找出來問題的所在電路某些部分焊接失誤，排除了這個錯誤后，我們繼續(xù)測試，然后幾個芯片op07又不能發(fā)揮正常功能，幸虧其他組借了我們幾個芯片給我們，調(diào)試才能繼續(xù)下去。終于到了第九周，我們開始了最后的測試階段，可是在進行人體試驗的時候，差分反向段電極也沒能發(fā)揮正常功能。除卻以上所說的，整個實驗過程還是比較順利的，在長達九周的時間里，我們憑借自己的努力和幫助我門的人，終于圓滿的結(jié)束此次實驗設計課程，我知道自己還有很多不足，所以接下來我會更加嚴格要求自己，讓這條路越走越寬敞