有源柔性表面肌电电极阵列设计_张恒毅_陈香

第28卷第8期2014年8月

电子测量与仪器学报

JOUＲNAL OF ELECTＲONIC MEASUＲEMENT AND INSTＲUMENTATION

Vol .28No .8

·901·

收稿日期：2014-03Ｒeceived Date ：2014-03

*基金项目：国家自然科学基金（61271138）资助项目

DOI ：10．13382/j．jemi．2014．08．014

有源柔性表面肌电电极阵列设计

*

张恒毅

陈香

（中国科学技术大学电子科学与技术系

合肥230027）

摘

要：：针对表面肌电信号采集过程中皮肤电极接触阻抗较大，易受工频信号干扰，皮肤表面接触区域不平坦等问题，在

聚酰亚胺柔性材料上设计并实现了一种新型有源表面肌电电极阵列。该电极阵列由12通道电极组成，与无源电极不同的是，有源阵列在电极和调理电路间加入了一级集成在柔性材料端的阻抗变换电路，以减小接触阻抗和工频噪声对采集信号的影响。性能测试结果表明，所设计的新型有源柔性电极阵列所采集的表面肌电信号具有较低的基线噪声和较高的信噪比，即使在皮肤表面不平坦区域，亦能获取高质量、低噪声的多路表面肌电信号。关键词：表面肌电；柔性电路板；有源电极；工频抑制中图分类号：Ｒ318．6；TN707

文献标识码：A

国家标准学科分类代码：310．6140

Design of active surface EMG electrode array based on flexible material

Zhang Hengyi

Chen Xiang

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

Abstract ：Aiming at reducing the effect brought by big skin electrode contact resistance ，power frequency interfer-

ence and uneven skin surface in the process of surface electromyography （sEMG ）signal acquisition ，a new type of active electrode array on polyimide flexible material is designed and implemented．The designed active electrode ar-ray is composed of 12channel electrodes ，and unlike the passive electrode ，an impedance transformation circuit is added between each electrode and their modulation circuit on the flexible material to reduce the contact resistance and the influence of power frequency noise．The results of the performance test experiment show that the designed active flexible electrode array has lower baseline noise ，higher signal-to-noise ratio ，and can get high quality ，low

noise multi-channel sEMG signal even on uneven skin surface．

Keywords ：surface EMG ；flexible circuit board ；active electrode ；power frequency suppression

1引言

肌电信号（electromyography ，EMG ）在神经肌

肉系统状态评估、临床诊断以及康复治疗等方面具有重要的研究意义与应用价值，如肌电假手自适应

控制［1］、肌纤维传导速度评估［2］

等。与临床上常用的针电极EMG 相比，表面肌电（surface EMG ，sEMG ）具有无创性的优点，适用于长期连续可重复性测量以及用于孩童的测量监护。

传统的sEMG 电极多为有源单/双差分形式，如Delsys 公司Bagnoli 系统中使用银条制作的单差分

有源电极［3］

，Biometrics 公司的SX230单差分电

极

［4］

，意大利OT 公司uEMG 系统使用的同心圆电

极CoDe ［5］

和shimmer 公司的无线有源表面电极

［6］

等。传统的有源差分电极可有效测量sEMG 信号的

时域信息，其特点是电极尺寸大、电极间隔较远等，主要应用于运动控制、步态研究、疲劳分析等领域

［2］

。采用阵列式电极结构可在获取被测肌肉活动的时域信息外，有效记录肌肉活动的空间信息，使得检测新的肌肉特性成为可能，特别在肌纤维传导速度（muscle fiber conduction velocity ）和单运动单元（single motor unit ，sMU ）特性评估方面［8］具有独特

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的优势。Farina D［2］用阵列式sEMG对股外侧肌持续发力过程中肌纤维运动单元传导速度评估研究。

根据实现电极阵列载体的不同，阵列电极分为硬质板阵列电极和柔性阵列电极。硬质电极阵列典型的有OT公司SA16系列银丝棒状阵列电极［9］，Delsys用于sEMG分解工作的NDD（normal double differential）差分有源电极［10］，赵章琰等人研制的弹簧探针式阵列电极［11］。硬质电极阵列因其自身特点，不利于在非平坦部位进行sEMG信号测量。

相对于硬质电极，柔性电极阵列在可挠性材料上集成多路sEMG电极，具有较高的柔韧性，可用于皮肤表面不平坦区域的sEMG测量。现有的柔性电极阵列设计中具有代表性的有侯文生等设计的圆盘柔性印刷工艺的表面肌电装置［12］，TMSI公司在柔性材料上实现的8ˑ8阵列、4mm/8．5mm电极间距可选的高密度电极阵列［13］。B．G．Lapatki 设计的7ˑ12柔性电极阵列［14］，OT公司设计的64通道电极阵列ELSCH064Ｒ3S［15］，以及董中飞等设计的同心圆环柔性表面肌电电极阵列装置［16］。

在电生理信号采集过程中，信噪比是衡量采集质量的重要标准。sEMG信号采集过程中主要干扰来源为运动伪迹和工频干扰。运动伪迹主要由皮肤表面位置与电极之间的相对移动造成，工频干扰则由较高的电极皮肤接触阻抗与高输入阻抗的放大器之间的连接线以及电极与皮肤之间的接触不良所引入。抑制工频干扰可通过提高第一级放大器的共模抑制比，利用对消驱动［17］，有效接地［18］等方法实现。针对肌肉动作收缩时产生的相对位移以及皮肤不平坦区域导致的电极-皮肤接触问题，采用柔性材料可增强两者的接触。此外，采用在电极对应位置直接实现放大等方法，可降低因电缆或走线长度等引起的工频干扰。现有sEMG电极设计中，常见的单/双差分有源电极和基于硬质材料的阵列式有源电极均采用了这种思想以提高采集信号质量，而基于可挠性材料的有源柔性阵列电极设计目前还未见有报道。为此，本研究在可挠性材料上设计了一种电极间距为4mm有源柔性阵列电极，以实现多路sEMG 信号的高质量采集。

2设计与方法

本研究设计的有源柔性阵列式sEMG采集装置主要由布局在柔性印刷电路板上的有源电极阵列和信号调理电路构成［14］。图1所示为本装置的整体示意图，有源电极阵列从皮肤表面采集多通道sEMG 信号，通过信号调理电路进行放大和滤波处理，输出至数据采集电路

。

图1有源柔性表面肌电采集装置整体结构

Fig．1Whole structure of active and flexible sEMG

acquisition device

2．1有源电极设计

图2所示为本文所设计的有源电极阵列，图2（a）为所设计有源电极阵列实物，包括电极阵列、阻抗变换电路和输出接口，底层电极通过中间过孔与顶层的运算放大器连接。电极阵列采用间距4mm的2ˑ6排列方式，每一行相邻电极构成单差分电极对，电极阵列可形成10通道单差分电极对，如图2（b）所示。柔性材料采用150μm聚酰亚胺（Polyimide，PI）为基质，相对于其他柔性材质，PI具有较高的耐热性，利于在PI材质上焊接元件，同时采用150μm载体厚度保证柔性板具有较高的柔韧性。电极为在柔性材料上印制的直径2．5mm、厚度35μm的铜质圆盘，为稳定皮肤电极接触阻抗，电极表面镀有2μm厚度的镍和0．035μm厚度的金层，如图2（c）所示。在PI材料上通过电化学腐蚀和沉积等方法制作电极阵列，采用压延铜制作表面焊盘和走线进一步减小因弯曲引起的形变。柔性板的走线尽可能排布在顶层以减小与皮肤接触的可能，增强电极与皮肤接触的紧密度。由于皮肤表面电位相对于地电位（GND）有正有负，故在柔性板接口处为运算放大器提供正负双电源供电。

基于柔性印刷工艺的电极阵列的具体加工流程如下：将聚酰亚胺柔性材料通过等离子清洗，在过孔位置钻孔并电镀得到所需的过孔；打磨柔性膜表面并与铜箔层压，再将感光干膜与铜箔基板压合后曝光形成微电极阵列等图形，然后再通过腐蚀、电镀、涂覆绝缘层等得到所需要的电极区域

。