SEMG檢測電極的結(jié)構(gòu)、原理及設(shè)計(jì)

SEMG（Surface electromyogram）即表面肌電信號，是指當(dāng)骨骼肌收縮時，肌纖維產(chǎn)生的微弱動作電位在皮膚表面募集，并通過表面電極所采集到的信號。SEMG檢測電極是用來檢測表面肌電信號的有源電極，它是一種無創(chuàng)檢測電極，簡單實(shí)用，應(yīng)用前景廣泛。SEMG檢測電極的研制對于表面肌電信號的檢測具有重要意義，特別是在臨床診斷、人機(jī)仿生系統(tǒng)等領(lǐng)域。SEMG信號比較微弱，一般在μV級，極易受到心電信號和工頻噪聲的干擾，所以應(yīng)當(dāng)使用模擬濾波器及陷波器對信號進(jìn)行調(diào)理。此外，電極與前置放大電路之間的距離過長也會使干擾進(jìn)入檢測系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)將電極、放大電路、濾波電路和陷波電路封裝在一起并加以屏蔽層保護(hù)，縮短電極與信號調(diào)理電路的距離，從而降低傳導(dǎo)耦合所帶來的干擾。

1 噪聲與干擾

SEMG信號比較微弱，幅值在15～100μV之間，其信號譜寬一般為10～500 Hz，因此極易受到心電信號和工頻噪聲的干擾。同時皮膚和組織對肌電信號具有衰減作用，也容易使其受到干擾。在實(shí)際檢測時，由于來自體表、空中、電源和電路本身等多種因素的影響，使得檢測到的SEMG信號中往往夾帶著甚低頻（接近直流）和高頻（遠(yuǎn)大于500 Hz）的干擾信號。

2 SEMG檢測電極

SEMG檢測電極即表面肌電檢測電極，它是帶有緩沖放大器以及濾波電路的電極，所謂緩沖放大電路就是一種具有高輸入阻抗，低輸出阻抗的放大器，主要實(shí)現(xiàn)阻抗變換，可以做到極小體積，與濾波電路附在電極上，實(shí)現(xiàn)一體化，極大地縮短了電極連線。在進(jìn)行表面肌電信號檢測時，使用表面肌電電極將采集來的模擬信號送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器中，進(jìn)而送入數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，其原理如圖1所示。

圖1 SEMG信號采集處理電路

2.1 SEMG檢測電極結(jié)構(gòu)

最初設(shè)計(jì)是采用Ag-Agcl圓盤表面電極，通過導(dǎo)聯(lián)線引導(dǎo)信號至前置處理電路，結(jié)果導(dǎo)致信號基本上全部被工頻干擾的噪聲所淹沒。在大量查閱國內(nèi)外相關(guān)資料后，參照美國delsYs公司的電極，結(jié)合實(shí)際情況設(shè)計(jì)了表面肌電檢測電極。為了減小噪聲干擾的影響，將電極與前置處理電路密封在一起，并加以屏蔽層保護(hù)，將采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后經(jīng)由屏蔽雙絞線傳送至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理，大大增強(qiáng)了信號的抗干擾能力。使用時將存放在保存液里的銀極棒取出，插入PCB上的卡口，在皮膚上涂上導(dǎo)電膠，并用帶魔術(shù)貼的繃帶將電極固定在肌肉表面，接觸面的凹槽設(shè)計(jì)可以使得電極更加貼緊皮膚，同時不容易移動造成運(yùn)動偽差。

2.2 SEMG檢測電極的設(shè)計(jì)

表面肌電信號非常微弱，其幅度約為15～100μV，為了方便后續(xù)處理（有源濾波A／D轉(zhuǎn)換）準(zhǔn)確有效，需將信號放大1 000～2 000倍，使幅值達(dá)到0～5 V之間。為了抑制疊加在輸入端的共模信號，需要器件提供很高的共模抑制比（CMRR）。由于表皮和皮下肌肉間及電極與接觸的皮膚間存在著阻抗，特別是表皮上的角質(zhì)層在干燥干凈的環(huán)境下其電阻率可達(dá)100 kΩ～1 MΩ，因此要求前級放大有很高的輸入阻抗。國內(nèi)外很多研究人員通過大量實(shí)驗(yàn)得出，SEMG信號的主要能量集中在50～150 Hz范圍內(nèi)，在實(shí)際檢測時由于來自體表空氣中、電源和電路本身的多種因素影響，檢測到的SEMG往往夾帶著甚低頻（接近直流）和高頻（遠(yuǎn)大于500 Hz）的干擾信號，為此在SEMG的次級處理電路中需要加入帶通濾波器。另外，電源系統(tǒng)的50 Hz工頻干擾噪聲在許多情況下其幅度之大以至于將有用的肌電信號完全淹沒，因此如何抑制50 Hz工頻干擾噪聲是肌電信號檢測中首要解決問題。引入雙T陷波器濾除的50 Hz工頻干擾信號，其實(shí)質(zhì)是一個帶阻濾波器。其SEMG檢測電極原理如圖2所示。

圖2 SEMG檢測電極原理

圖2中，前級放大電路采用ADI公司結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）輸入儀表放大器AD8220以及兩片AD8627。AD8220的基本原理為三運(yùn)放儀表放大器，該放大器的特點(diǎn)為JFET差動輸入，單端輸出。結(jié)型場效應(yīng)管運(yùn)算放大器AD8627作為電壓跟隨器，來提高共模抑制比，它是一個低輸入偏置電流緩沖器，偏置電流小于1 pA，可采集十分微弱信號。OP2177具有高精度、低偏置、低功耗等特性，其片內(nèi)集成了2個運(yùn)放，可靈活組成各類放大和濾波電路，所以跟隨器由OP2177構(gòu)成。此電路中，前級放大倍數(shù)G1=1+49.4／（R4+R5）／／R6,設(shè)置G1為150，次級放大濾波電路放大倍數(shù)G2=10，所以總放大倍數(shù)G=G1xG2=150x10=1 500，足以將信號放大至伏級，以便于后級信號處理以及抗干擾能力大大增強(qiáng)。

2.3 SEMG檢測電極實(shí)驗(yàn)設(shè)備

在本設(shè)計(jì)中，電極采用三極性電極，中間的電極為參考電極，用于降低噪聲，提高共模抑制比。電極的極片采用圓柱狀金屬銀條。其電路板如圖3所示，尺寸為50 mmx25 mm，實(shí)驗(yàn)板的一面固定平行的3根金屬銀電極，銀條之間的距離為10 mm，長為20 mm，孔徑為1mm。實(shí)驗(yàn)板的另一面為SEMG檢測電路，將銀條分別接入如圖3所示的孔中。在進(jìn)行檢測表面肌電信號時，應(yīng)該合理地放置電極，避免放在肌肉的外邊緣，電極很可能檢測到來自鄰近肌肉的串?dāng)_。測定時需用砂片和酒精擦拭皮膚去除油脂和角質(zhì)層，并在皮膚上涂抹導(dǎo)電膏或生理鹽水，使用粘膏將表面電極固定在皮膚上。電極與皮膚接觸表面發(fā)生輕微的位移將會產(chǎn)生低頻噪聲，因此在測量時應(yīng)在被測者情緒穩(wěn)定情況下進(jìn)行并盡量保持身體相對靜止?fàn)顟B(tài)?？傊?，應(yīng)當(dāng)盡量減少外界對此次實(shí)驗(yàn)過程的干擾，才能有效提取有用的表面肌電信號。

圖3 SEMG檢測電極電路板

3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)是對小臂執(zhí)行動作時用該電極采集表面肌電圖。

圖4所示為小臂曲伸動作時，該SEMG檢測電極所采集到的表面肌電信號以及得出的頻譜特性圖。由圖可知表面肌電信號幅值約為0～1.5 V，頻率約為10～500 Hz。因此采用此電極提取了比較理想的表面肌電信號，有效地抑制噪聲干擾。

圖4 表面肌電圖及頻譜圖

4 結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的SEMG檢測電極，較為成功地運(yùn)用于實(shí)際應(yīng)用中的SEMG檢測。試驗(yàn)表明，設(shè)計(jì)的表面肌電檢測電極較為合理，設(shè)計(jì)中將電極和信號調(diào)理電路封裝在一起極大地縮短了電極連線。采用此SEMG檢測電極來實(shí)現(xiàn)表面肌電信號的檢測，可以提高信噪比，減小噪聲，有效地提取有用的表面肌電信號。此次研制的SEMG檢測電極可能會存在缺陷和不足，在以后的學(xué)習(xí)過程中將會不斷地與相關(guān)廠家合作，進(jìn)行交流，采用其先進(jìn)的生產(chǎn)工藝和技術(shù)，對本電極的設(shè)計(jì)做更進(jìn)一步的研究和改善。