阵列式表面肌电信号采集仪_赵章琰

第23卷 第12期 电子测量与仪器学报 Vol. 23 No. 12 · 88 ·

JOURNAL OF ELECTRONIC MEASUREMENT AND INSTRUMENT

2009年12月

本文于2009年6月收到。

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基金项目:国家自然科学基金(编号：30870656)资助项目

阵列式表面肌电信号采集仪*

赵章琰 陈 香 雷培源 杨基海

(中国科学技术大学电子科学与技术系, 合肥 230027)

摘 要: 采用阵列式电极, 通过空间滤波方法可提高表面肌电信号的MUAP 分辨能力。本文实现的阵列式表面肌电信号采集仪由表面肌电电极阵列、信号调理电路和数据采集部分构成。表面肌电电极阵列实现了镀金圆盘式和弹簧探针式两种类型, 信号调理电路对电极上的肌电信号进行放大和滤波, 数据采集部分将调理后的信号转换成数据并进行显示和存储。电极阵列和前级信号调理电路集成在一起, 有效的降低了微弱信号通过导线传输所引入的干扰。通过实验, 验证了这种阵列式表面肌电采集仪在研究肌肉中动作电位传播和利用空间滤波提高MUAP 分辨力的可行性, 并证实了镀金圆盘式电极在降低噪声方面、弹簧探针式电极在缩短MUAP 时长方面的优势。

关键词: 表面肌电电极阵列；镀金圆盘；弹簧探针；空间滤波；MUAP 时长 中图分类号: R318.6 文献标识码: A 国家标准学科分类代码: 310.6140

Array acquisition instrument for surface electromyogram

Zhao Zhangyan Chen Xiang Lei Peiyuan Yang Jihai

(University of Science and Technology of China, Hefei 230027, China)

Abstract: The discrimination of MUAP from surface Electromyogram (sEMG) can be improved by using elec-trodes array and space filtering method. According to this principle, an array acquisition instrument for sEMG was de-veloped in this paper, containing sEMG electrodes array, signal conditioning circuits and a data acquisition part. Gold plated disk shaped electrodes and spring probe electrodes built up two different kinds of sEMG electrode array; The conditioning circuit amplifies and filters the signal form electrode array; The data acquisition part converted the condi-tioned signal to digital for display and storage. The electrode array is integrated with the first-stage conditioning circuit, in order to prevent interferences of weak signal transmission through wires. It is proved that the array acquisition in-strument can be used in the research of action potential transmission in muscles, and it can improve the discrimination of MUAP by using space filtering method. It is also proved that the gold plated disk shaped electrodes work better in noise reduction and the spring probe electrodes work better in reducing the MUAP duration.

Keywords: sEMG electrode array; gold plated disk shaped electrode; spring probe electrode; space filtering;

MUAP duration

1 引 言

表面肌电(surface electromyogram, sEMG)是从皮肤表面检测相应位置内部肌肉肌电图的方法, 这种方法与传统的针电极EMG 相比, 具有无痛苦无损伤的优点。表面肌电信号事实上是肌肉上各点的运动单位动作电位(motor unit action potentials, MUAP)

通过皮下组织和皮肤, 在皮肤表面的叠加。所以跟针电极EMG 相比, 它不利于区分出各个MUAP, 在医疗诊断中的应用受到限制。

研究表明, 通过空间滤波的方法可以提高对表面肌电信号MUAP 的分辨能力。空间滤波的基本思想是采集皮肤表面多点的表面肌电信号, 通过线性变换尽可能的反演出肌肉内部的电位活动。这种方

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法需要用阵列式的电极来实现[1]。文献[2-3]均提出了由针形电极构成的电极阵列, 文献[4]提出了一种柔性高密度的表面电极阵列, 这些电极阵列均可用于实现肌电信号的空间滤波。

另外, 表面肌电电极与皮肤的接触面积越小, MUAP的时间长度(简称时长)越小, 更有利于分解出单个的MUAP。已有模型仿真的结果支持这个结论[5]。

表面肌电信号的幅度仅几微伏至几百微伏, 阻抗达兆欧级别。因此它在采集和传输中会引入相对幅度较大的干扰。这种干扰主要包含工频干扰[8]和来自一些其他设备的干扰例如电器开关、通讯设备等。这些噪声可以通过工频陷波器、带通滤波器和采集后的算法[8]处理等方式减弱或消除, 还可以通过有源电极(即电极与放大电路集成在一起)进行一定程度的避免[6]。

基于表面肌电信号分解研究的要求, 本文研制了一种阵列式表面肌电采集仪, 它由表面肌电电极阵列、信号调理电路和数据采集部分构成。其中, 针对低噪声、短MUAP时长、测量的便捷性和舒适性等要求分别研制了镀金圆盘式、弹簧探针式两种类型的表面肌电电极阵列；改变传统的电极阵列通过导线连接放大器的方式, 将电极阵列与前级信号调理电路集成在一起, 从而减轻微弱信号在电缆传输所引入的干扰。最后, 通过多项实验对该阵列式表面肌电采集仪其进行了测试, 并对比了这两种类型阵列式电极一些特性的差异。

2实现方法

如图1所示, 阵列式表面肌电采集仪主要由表面肌电电极阵列、信号调理电路、数据采集部分构成。表面肌电电极阵列从皮肤表面采集多通道的肌电信号, 信号调理电路对该信号进行一定倍数的放大和一定频率的带通滤波, 数据采集部分将放大滤波之后的信号转换为数字信号, 传送给计算机, 由计算机内的软件显示并存储。本章将详细介绍已实现两种类型的表面肌电电极、由这两种电极构成的阵列、分为前后两级的信号调理电路和数据采集的方式。

2.1镀金圆盘式电极

如图2所示, 使用印刷电路板的方式在基板上

图1 阵列式表面肌电采集仪的总体结构Fig. 1 Structure of the array acquisition instrument for

sEMG

印制直径2.5 mm, 厚度35 µm的铜质圆盘, 圆盘的中心通过“连接过孔”与处于印刷电路板其他层的导线连接。在圆盘上镀镍, 并在镍层上镀金约0.1 µm, 形成表面肌电电极。电极的外周以电路的参考点(也就是接地点)环绕以屏蔽线路中信号的串扰, 并涂覆绝缘涂层避免影响皮肤电位。

图2 镀金圆盘式电极

Fig. 2 Gold plated disk shaped electrode

一般来说, 表面肌电信号幅值在几十微伏至几毫伏的范围, 输入阻抗跟皮肤接触情况有关, 皮肤干燥时可高至数十兆欧。为减小高阻抗、微电压的表面肌电信号在传输中引入的噪声, 所有电极与前级放大器集成在同一块印刷电路板上, 该放大器将信号放大一定倍数并进行一定的滤波之后, 再用导线连接到后级信号调理电路。

2.2弹簧探针式电极

为进一步缩小电极与皮肤接触的面积, 并使各电极与皮肤表面接触的压力尽可能一致, 本文中选用了如图3所示的弹簧探针作为与皮肤接触的电极。选用P50-D型成品测试探针：其前端为直径0.9 mm 的镍质圆头；由于其后端套筒里弹簧的作用, 该探针放置在皮肤表面并略施压力时, 会以约50 g的压力与皮肤接触；同时由于弹簧的存在, 在皮肤表面有突出的情况下, 整个阵列中的各个电极均可以与皮肤