基于multisim的肌电信号的采集与分析

院（系）：基层教学单位：

燕山大学课程设计评审意见表

目录

第1章摘要 (1)

第2章基本原理 (3)

第3章设计及仿真 (5)

3.1 前置放

大 (5)

3.2 滤波电路 (8)

3.3 主放大电路 (10)

3.4 50Hz陷波电路 (12)

第5章结论 (16)

参考文献 (18)

第1章摘要

肌电信号是一种复杂的生物医学信号，是肌肉收缩时产生的电活动，不仅和肌肉本身的生理特性有关，也和神经控制系统有关。因此，肌电信号的研究分析已成为临床诊断、康复工程、神经生理学和生物力学等诸多领域的研究热点。

目前，国内外生产的肌电反馈产品较多，它对临床诊断，康复医学及运动医学等领域方面起着重要作用。本文从肌电信号的产生机理入手，研究了肌电信号的特点和提取的方法，通过肌电变化转化成直观的肌电波，以此表征肌肉的活动状态，并通过此反馈给患者，使患者能感知肌电的这种变化，并进行反复的调控训练，从而达到康复训练和治疗的目的。

生物反馈疗法是使用电子仪器，将人们正常意识不到的身体功能，如肌电、脑电、皮温、心率、血压等转变为可以被人察觉到的信号，如视觉或听觉信号，再让患者根据这些信号，学会控制自身不随意功能的治疗和训练方法。这一疗法自60年代提出并开展以来，以其无损伤，无痛苦，无药物副作用，方法简便，疗效满意等优点而被许多国家重视并采用，特别是一些发达国家己把生物反馈和自身调节作为一种常规方法，广泛开展于临床医学临床。

肌电反馈仪及电刺激使用普遍，国内外生产的品种也比较多，

它在临床诊断，康复医学及运动医学等领域方面起着重要作用。随着科学技术的快速发展，新技术、新产品的不断涌现，人们对仪器的功能、灵活性的要求越来越高。虚拟仪器技术是仪器技术和计算机技术相结合的产物。经过了近20年的发展，它已成为2l世纪测试技术和仪器技术发展的主要方向。本课题的研究目的就是为了采用虚拟仪器技术，发挥其强大的软件优势，来实现传统的治疗仪。这将对节约成本，利于开发编程等方面有很高的益处。

第2章基本原理

肌电信号是肌肉中运动单元动作电位(MUAP)在时间上和空间上的叠加，表面肌电信号则主要是浅层肌肉和神经干上电活动的综合效应。肌电信号的幅值本质上是随机信号，其峰一峰幅值范围为0-10mv，均方根幅值范围为

0-1.5mV，主要集中在100-500uV，频率范围在0-10KHz，有用能量分布在

0-500Hz频率范围之间，主要能量集中分布在50—150Hz频率范围之间。

图1 硬件结构图

由于人体表面肌电信号非常微弱，从几微伏到几毫伏，并存在高频电磁干扰，50Hz工频干扰和极化电压干扰等。因此选用高共模抑制比的仪表放大器AD620和高通滤波电路作前置隔直放大，消除极化电压的干扰；通过带通滤波放大电路消除高频电磁干扰：用50Hz陷波器消除工频干扰，并用通过隔离放大器使检测的肌电信号和后端处理信号隔离，保证了人体安全。通过前置放大和二级放大，并经过信号调理后把信号传给AD转换器，供AD采样。由于肌电信号的个体差异性，在设计放大通道时，放大倍数在4000-100000倍，可通过PC机软件调节控制。

第3章设计及仿真

本课题主要设计为采集部分电路，由于肌电信号十分微弱，所以对信号的采集首先就算是需要放大，信号采集过程还必不可少信号的滤波和陷波，下图为采集电路的流程图

3.1

人体皮肤表面的肌电信号很微弱，容易受到其它信号的干扰，因此需用放大器和滤波器对输入信号进行滤波、放大才能得到有效且可识别的信号。表面肌电信号一般只有微伏级电压，信号中往往夹带着低频(接近直流)和高频的干扰信号，真正有用的肌电信号大致在10Hz-500Hz之间。除此之外，50Hz 的工频信号也是一个重要的干扰源，如果不去除可能会掩盖表面肌电信号。根据这些特殊要求，滤波器必须具有放大、滤波功能，并且要求具有高共模抑制比和好的抗干扰性。根据肌电信号的特点，在选择设计放大器时，必须考虑以下几个参数：

（1）高输入阻抗

放大是最为常用的一种信号调理手段。放大的目地就是要在对电模拟的信号进行数字化之前进行放大，消除噪声的影响，提高测量的准确性。生物信号源本身是高内阻的微弱信号源，源阻抗的不稳定性将使放大器电压增益不稳定。再者，如果放大器输入阻抗不足够高(和源阻杭相比)，则造成信号的低频分量的幅度减小，产生低频失真。

（2)高共模抑制比

为了抑制人体所携带的工频干扰以及所测量的参数外的其它生理作用的干扰，需选用差动放大形式，因此CMRR值是放大器的主要指标。生物电放大器的CMI汛值一般要求60dB一80dB，高性能放大器的CMRR达100dB。各个电极处的皮肤接触电阻是不平衡的，这种不平衡造成的危害是共模干扰向差模干扰的转化，从而造成共模干扰输出，而提高放大器的输入阻杭，则会减小这一转化。

3)低噪声、低漂移

我们知道，放大的低噪声性能主要取决于前置级，正确设计放大器的增益分配，在前置级的噪声系数较小时，可以获得良好的低噪声性能。

因此，为了确保第一级高增益放大的低失调电压、低失调电压漂移、低噪声的要求，我们选用AD620AN进行第一级放大。AD620具有高输入电阻、低输入偏置电流、低输入失调电流、低噪声、低功耗等特点，另外其增益G的调节直接由一个外部电阻控制。其主要枝术指标如下：

低电源电流：50uA；

输入失调电压：125uV；

输入失调电流：O．3nA；

输入偏置电流：O．5nA；

最小共模抑制比：93dB(G=10)；

高输入电阻：10GΩ；

最大功耗：650mW。

具体设计电路如下：

图3 前置放大电路

在检测电极和人体接触部分会有极化电压，一般几十毫伏，最大达300mV，为了消除极化电压，前端用隔直处理。其中C1，R1，C2，R2分别对两个输入信号其隔直滤波作用，对于C1=0．1uF，RI=10MΩ，其时间常数T=R1C1=ls，其截止频率为：

fo=1/(2πC1R1)=0.16Hz 另外，由于等效信号源输出阻抗很大，有几十千欧，这就要求输入阻抗