表面肌電信號采集系統設計

李成凱，席旭剛，王俊偉，武 昊

(杭州電子科技大學自動化學院，浙江杭州310018)

0 引言

肌電信號(Electromyography，EMG)是產生肌肉動力的電信號根源，是肌肉中很多運動單元的動作電位在時間和空間上的疊加，反映了神經、肌肉的運動狀態［1］。表面肌電信號(Surface Electromyography，sEMG)是淺層肌肉肌電信號和神經干上電活動在皮膚表面的綜合效應，因此將sEMG用于研究人體運動狀態有著非常重要的價值。sEMG已經被廣泛應用于臨床診斷、康復工程、運動醫學等領域［2－4］，但人體動作電位表現出來的sEMG是一種非常微弱的信號。國內外大量數據和文獻資料表明，sEMG 的幅值范圍一般是 10 5 000 μV，肌肉收縮時為 60 300 μV，松弛時約為 20 30 μV［5］。sEMG的能量集中在1 000 Hz以下，頻譜主要分布在20 500 Hz之間。此外，通過電極獲取sEMG往往有很多干擾信號，包括人體表面心電信號、電極接觸噪聲、電磁場干擾、工頻干擾等［6］。國外肌電采集系統已發展多年，針對sEMG信號微弱特征和易受干擾通過復雜的硬件電路已經較好地解決了sEMG信號的提取與放大問題。如美國Noraxon公司生產的MyoTrace400肌電采集儀器，可以實現四通道的肌電信號采集。但是由于價格高昂，體積較大，不能直接修改底層代碼添加算法，不便于研究應用。本文設計的肌電信號采集系統，主要用于人體佩戴便攜式采集儀，要求小型和輕便。

1 表面肌電信號采集電路設計

表面肌電信號采集系統使用一次性Ag/AgCl心電電極片獲取表面肌電信號，通過屏蔽導線到前端采集電路，經過濾波放大后得到有效信號。信號濾波與放大電路模塊是本設計的核心部分，主要包括信號的儀表放大，低通、高通濾波，二級放大等部分。圖1為表面肌電信號采集系統的模塊組成，圖2為采集系統通道一的信號采集放大電路。所設計的成品為四通道采集系統，由于4個通道的電路完全一致，這里只介紹1個通道的電路圖用以說明問題。

圖1 表面肌電信號采集電路模塊組成

圖2 通道一的信號采集電路

1.1 儀表放大電路設計

儀表放大電路是將從表面電極獲取到的微弱的肌電信號實現差分放大。由于表面肌電信號微弱，并存在工頻干擾，使用高共模抑制比的儀表放大器可以獲取有效的差分信號而大幅衰減其中的共模干擾［7］。本設計采用的儀表放大器是美國德州儀器公司Burr-Brown系列的INA128，這是一款低功耗、低偏置電壓、低溫度漂移的儀表放大器，它是用通用的三運放設計的，具有非常寬的增益范圍，依靠其外接電阻可以實現1 10 000的任一增益。

由于表面肌電信號為毫伏(mV)級別，甚至更低，為此整個電路需要較大的放大倍數，此外考慮到抑制前端共模信號的要求，將INA128的放大倍數定在51倍:

取RG為1 kΩ。考慮到溫度漂移等影響最好使用精密電阻，設計初期無需太高的要求，用普通電阻就行，且不影響效果。

1.2 濾波與放大電路設計

表面肌電信號的能量譜主要分布在10 500 Hz之間。外電路中還有從電源端、人的身體引入的較大的工頻噪聲。從硬件上消除工頻噪聲可以選用雙T型陷波器也可以選用集成芯片UAF42來設計陷波器［8］。本文借助于儀表放大器非常高的共模抑制能力，可以很大程度上衰減工頻噪聲，而無需專門設計工頻陷波電路。

初期研究將高通、低通濾波器設計為普通的阻容濾波器，達到表面肌電信號的采集需求。圖2中，電容C13和電阻R13構成高通濾波器，其截止頻率為fc=1/(2 R13C13)=10.62 Hz，主要衰減10 Hz以下的低頻干擾和直流成分;電容C15和電阻R15構成低通濾波器，其截止頻率為fc=1/(2 R15C15)=497.61 Hz，主要衰減500 Hz及以上的高頻干擾。從測試結果來看，阻容濾波器可以實現基本的濾波效果，若要得到更好的濾波效果，可以嘗試更高級的濾波器［9］。

表面肌電信號強度為毫伏級別，儀表放大電路的增益為51倍，達不到信號采集的要求，設置二級放大倍數為8倍，將整個電路的放大倍數設定在400左右。此處需要說明兩點:1)根據小信號放大器的設計原理，常通過多級放大到達預計放大倍數，第一級放大增益如設置太高則不利于后續電路對噪聲的處理，且放大電路的級數一般也不便超過三級［9］，故而一般將采集電路設計為兩級放大;2)二級放大電路中，采用集成運算放大器LM324，圖2中R15與R14及運算放大器構成同相比例放大電路，放大倍數為G=1+R15/R14，取 R14=4.7 kΩ 得到 G=8。

1.3 電壓抬升電路設計

由于表面肌電信號是采用差分輸入、差分放大的，其有效信號是在0 mV上下波動的，要實現A/D轉換，則需要將整個信號的電壓范圍抬升到0 mV以上，此外要實現較高精度的轉換，最好應將有效信號幅值范圍抬升到A/D輸入范圍的1/3至3/3之間，本設計中采用微處理器自帶的A/D進行轉換，其分辨率為12位，參考電壓為3.3 V。使用美國國家半導體公司的LM385D－1.2基準芯片將表面肌電信號的幅值抬升到1.237 V上下，LM385D－1.2可以等效為一個穩壓二極管。參考芯片手冊，基準電壓電路如圖3所示。在電路性能測試中，如其輸入電壓范圍在3 12 V之間都可以實現輸出1.237 V的電壓，最大輸出幅值差為5 mV。

1.4 同相加法電路設計

使用同相加法電路實現表面肌電信號與基準電壓信號的疊加，配好耦合電阻，使加法電路的增益為1，同相加法電路的計算公式為:

代入相應參數，得到Uo=Ui+Uref，滿足電路設計需求。通過同相加法電路，將放大后的表面肌電信號和基準電壓信號疊加。采集手臂上的表面肌電信號，其最大峰峰值可以達到2.3 V(400倍放大倍數，相當于原信號大小是5.7 mV)，因此抬升之后的幅值大概是在200 mV 2 500 mV之間，比較適合A/D轉換。

1.5 電源電路設計

表面肌電信號采集系統使用一塊7.4 V鋰電池供電，整個系統采用雙電源供電。微處理器最小系統需要+5 V供電，INA128和LM324需使用±5 V雙電源供電，LM385D使用+5 V供電，故需要設計+7.8V轉+5 V降壓電路和+5 V轉－5 V電路，降壓芯片使用AMS1117-5.0，正轉負穩壓芯片使用是TPS60402，電路設計如圖4所示。

圖3 基準電壓電路

圖4 +5 V轉－5 V穩壓電路

2 測試結果

實驗中將表面電極片貼在手臂尺側腕屈肌處，用屏蔽線將表面信號導入信號采集系統，在TFT液晶顯示屏和示波器上可以觀察到輸出信號。實際測得采集系統的放大倍數為400倍，符合預設參數。圖5為手臂握拳收縮時采集到的尺側腕屈肌sEMG信號，圖中示波器的電壓檔位為500 mV，可見收縮時電壓輸出峰峰值在500 mV 2 500 mV之間。

圖6為美國Noraxon公司專用肌電信號采集儀采集的尺側腕屈肌肌電信號，對比圖5和圖6的肌電信號，采集的表面肌電信號雖不及國內外一些專用的肌電信號采集儀所測的信號，但是采集的信號波形基本相近。

圖5 手臂握拳收縮過程中sEMG信號

3 結束語

圖6 Noraxon公司肌電信號采集儀采集的sEMG信號

本文設計的低成本便攜式表面肌電信號采集系統實現了電路小型化及微型化，能夠很好地實現表面肌電信號的采集，并能將數據和結果實時傳至電腦和手機，具有很高的性價比。采集放大電路還存在功耗較大的問題，采用單節7.4 V鋰電池供電時，其總功耗電流在61 mA左右。

［1］席旭剛，左靜，張啟忠，等.多通道表面肌電信號降噪與去混迭研究［J］.傳感技術學報，2014，27(3):293－298.

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［5］Agostini V，Knaflitz M.An Algorithm for the Estimation of the Signal-To-Noise Ratio In Surface Myoelectric Signals Generated During Cyclic Movements［J］.IEEE Transactions on Biomedical Engineering，2012，59(1):219 －225.

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［9］王熙星.基于FPGA的表面肌電信號檢測與處理［D］.武漢:華中科技大學，2012:16－22.