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8导联肌电信号采集系统设计与制作样本
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论文大概：
8导联肌电信号采集系统信号调理设计
摘 要：
本文主要讨论了8导联肌电信号采集系统。通过电极拾取皮肤上的电信号,经过放大,滤波,陷波等信号调理电路把采集到的信号传给调制部分。对微弱和易受干扰的信号的调理电路设计是本文的关键部分,也是整个系统设计的难点,本文通过比较分析设计出合理可靠的信号调理电路。
关键词 肌电信号 滤波 电极
Design Signal Adjust Circuit of SEMGSignal Acquisition
Abstract
This paper design signal adjust circuit of
SEMG Signal Acquisition. Collects on the skin through the electrode
the electrical signal, theprocess enlarges, the filter, falls the
wave equisignal to recuperatethe electric circuit the signal which
gathers to bequeath themodulation part. To weak and easily the
signal which disturbs is recuperated thecircuit design is this
article key are partial, also is the overallsystem design
difficulty,This article designs the reasonable reliable signal
through thecomparative analysis to recuperate the electric
circuit.
Keywords SEMG, filter, electrode,
目 录
1
绪论……………………………………………………………………………………
4
1.1表面肌电信号采集背景………………………………………………………………4
1.2表面肌信号的特性概述………………………………………………………………4
1.3肌电信号采集方法简介………………………………………………………………6
1.4主要研究工作…………………………………………………………………………6
2
系统设计……………………………………………………………………………… 7
2.1
方案目…………………………………………………………………………………7
2.2
方案设计与论证………………………………………………………………………7
3
信号调理电路的设计……………………………………………………………………9
3.1
概述……………………………………………………………………………………9
3.2
信号拾取………………………………………………………………………………9
3.3
前置放大电路设计…………………………………………………………………11
3.4
滤波电路……………………………………………………………………………12
3.4.1
高通滤波器和放大电路…………………………………………………………13
3.4.2
陷波电路…………………………………………………………………………15
3.4.3
低通滤波电路……………………………………………………………………16
3.4.4
滤波器的调试……………………………………………………………………17
3.5
信号调理电路的幅频特性…………………………………………………………18
4
总结与展望 ………………………………………………………………………20
4.1
总结…………………………………………………………………………………20
4.2
展望…………………………………………………………………………………20
谢词………………………………………………………………………………………22
参考文献…………………………………………………………………………………23
附录………………………………………………………………………………………25
1绪论
1.1表面肌电信号采集研究背景
表面肌电信号是从人体骨胳肌表面通过电极记录下来的神经肌肉活动时发放的生物电信号,它反映了神经、肌肉的功能状态。表面肌电检测是从人体皮肤表面通过电极记录神经肌肉活动时发放的生物电信号属无创检测,操作简单,有着广泛的应用前景。近年来,表面肌电信号（Surface
electromyogram
,SEMG）的研究和检测分析已成为医学和生物医学工程界研究的热点问题之一。在临床上广泛应用于诊断神经肌肉接头功能,判定神经系统、肌肉功能障碍及疾病治疗疗效等,在运动医学中用于肌肉疲劳程度及训练强度的判定。在康复医学上通过表面肌电某些特征的分类可以驱动假肢、实现功能性电刺激和生物反馈调节。表面肌电信号的研究对于康复医学研究,（如智能肌电假肢控制、功能性电刺激下肌肉的无创疲劳监护、步态分析),神经肌肉疾病诊断、老年病医学研究、运动医学研究有十分重要的意义。6
基于生物电特别是肌电信号(
EMG)的人机接口研究是目前国内外人-
计算机接口技术研究领域的热点之一。研制一种信噪比高、耗电少、体积小、成本低的肌电信号提取电路是该项研究的重要内容。
1.2表面肌信号产生及特性概述
肌电信号(
EMG) 是一种非常微弱的生物电信号,它与神经肌肉活动密切相关,其中蕴涵着很多与肢体运动相关联的信息[1 ] .
肌电信号可通过表面肌电拾取电极或针式肌电拾取电极加以引导、记录,通过表面电极拾取的肌电信号称之为表面肌电信号,而通过针电极拾取的肌电信号称之为针肌电信号.目前,肌电信号已经深入应用到临床医学、运动医学、生物医学工程等领域.7
EM
G 发源于运动神经元, 运动神经元的细胞体处于脊髓中, 但它的轴突却伸展到肌纤维处, 由终板区与肌纤维耦合一般,
一个神经元与多条肌纤维相联. 在中枢神经的控制下, 由运动神经元发放的电脉冲沿轴突传导到肌纤维, 在相关的肌纤维上产生脉冲序列,
从终板区沿肌纤维相向传播. 电脉冲引起肌纤维抽缩而产生肌张力. 传播的电脉冲在人体的软组织中引起电流场, 此时,
如果在对应组织处放置测试电极, 则在检测电极与没有电活动的参考点(如肘部) 之间表现出电位差. 由于电脉冲的触发是由终板区开始的,
所以, 在终板区的两侧所检测到的动作电位信号的相位是反相的, 如图1 所示.由EM G 的产生机理可知, SEM G
是检测电极附近多根肌纤维释放的动作电位在皮肤表面的募集, 因此, 可以得到一个简化的SEM G 生成模型, 如图2 所示. 假设有M
个运动神经元触动肌纤维的抽缩, 信号源是运动神经元沿突轴释放的电脉冲uk ( t) =, 突轴的传播等效为延迟环节 (
t- τi) , 肌纤维的动作电位被等效一个冲击响应hk ( t) =p k ( t) , 对于SEM G,
纤维深度的影响可用另一个冲击相应g k ( t) 来描述, 则动作电位序列(MUA PT ) m k ( t)
是这些环节共同作用的结果
m k ( t) =
N
图1 运动神经元与肌纤维的电刺激传播
图2 肌电信号产生的模型
肌电信号(EM G) 是一种伴随肌肉活动的生物电信号, 是肌肉活动的电信号根源,
其中蕴涵了关于肌肉活动的多种信息. 人在完成肢体动作时, 大脑皮层中控制运动区域的神经元兴奋并产生一定频率的电脉冲,
这个电脉冲通过神经系统精确传导至特定的肌肉纤维, 当这些电脉冲到达神经肌肉突触时, 在肌纤维中产生终板电位,
它的去极化将在肌纤维中产生一串动作电位, 引起肌肉收缩, 使肢体完成大脑意向控制所设定的动作.
肌纤维中的这种生物电效应称为运动单元动作电位(MUA P) , EM G 是众多肌纤维中MUA P 的叠加表面EM G (或称SEM
G) 则是浅层肌肉EM G 和神经干上电活动在皮肤表面的综合效应, 测量难度相对较大, 但由于SEM G 在测量上具有非侵入特性,
对被实施检测的个体具有无痛苦和便捷的特点。11
2.2
方案设计与论证
由于系统要求功能分为三个主要的本部分,每个部分的功能明确,因此系统的设计应尽量可行,完成基本的功能要求即可。系统实现的重点实现为硬件电路的设计和上位机上信号的分析,通过上位软件来实现信号的分析和处理的功能,以提高系统的性能。
初步确定硬件系统由表面电极、信号调理电路、声卡和计算机组成,硬件系统框图如图2.1所示。SEMG通过贴附在体表的Ag2AgCl
表面电极来拾取,然后输入给信号调理电路进行放大、滤波等处理。信号调理电路它可以实现8 通道隔离放大,最高增益可达2000 倍,
连接方式采用差分DIFF
方式。当输入信号被适当调理后,把它们分别调制到不同的载频上,再混合起来,形成多路复用,送至PC音频接口之线路输入端。
硬件电路是整个基础,系统所要采集的信号很微弱,很容以受到干扰,在设计整个系统的时候,我们会考虑信号的抗干扰性,是采集到的信号不受污染。信号主要会受到高频干扰和低频信号的干扰,还有工频50Hz的干扰。因此,设计的电路必须首先考虑解决这些干扰的问题。
3 信号调理电路的设计
3.1
系统原理图：