SEMG檢測(cè)電極的結(jié)構(gòu)、原理及設(shè)計(jì)

SEMG（Surface electromyogram）即表面肌電信號(hào)，是指當(dāng)骨骼肌收縮時(shí)，肌纖維產(chǎn)生的微弱動(dòng)作電位在皮膚表面募集，并通過(guò)表面電極所采集到的信號(hào)。SEMG檢測(cè)電極是用來(lái)檢測(cè)表面肌電信號(hào)的有源電極，它是一種無(wú)創(chuàng)檢測(cè)電極，簡(jiǎn)單實(shí)用，應(yīng)用前景廣泛。SEMG檢測(cè)電極的研制對(duì)于表面肌電信號(hào)的檢測(cè)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(hào)比較微弱，一般在μV級(jí)，極易受到心電信號(hào)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(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理。此外，電極與前置放大電路之間的距離過(guò)長(zhǎng)也會(huì)使干擾進(jìn)入檢測(cè)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(hào)調(diào)理電路的距離，從而降低傳導(dǎo)耦合所帶來(lái)的干擾。

1 噪聲與干擾

SEMG信號(hào)比較微弱，幅值在15～100μV之間，其信號(hào)譜寬一般為10～500 Hz，因此極易受到心電信號(hào)和工頻噪聲的干擾。同時(shí)皮膚和組織對(duì)肌電信號(hào)具有衰減作用，也容易使其受到干擾。在實(shí)際檢測(cè)時(shí)，由于來(lái)自體表、空中、電源和電路本身等多種因素的影響，使得檢測(cè)到的SEMG信號(hào)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(hào)。

2 SEMG檢測(cè)電極

SEMG檢測(cè)電極即表面肌電檢測(cè)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(hào)檢測(cè)時(shí)，使用表面肌電電極將采集來(lái)的模擬信號(hào)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(hào)采集處理電路

2.1 SEMG檢測(cè)電極結(jié)構(gòu)

最初設(shè)計(jì)是采用Ag-Agcl圓盤(pán)表面電極，通過(guò)導(dǎo)聯(lián)線引導(dǎo)信號(hào)至前置處理電路，結(jié)果導(dǎo)致信號(hào)基本上全部被工頻干擾的噪聲所淹沒(méi)。在大量查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料后，參照美國(guó)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(cè)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(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)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(hào)的抗干擾能力。使用時(shí)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(shí)不容易移動(dòng)造成運(yùn)動(dòng)偽差。

2.2 SEMG檢測(cè)電極的設(shè)計(jì)

表面肌電信號(hào)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(hào)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(hào)，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(jí)放大有很高的輸入阻抗。國(guó)內(nèi)外很多研究人員通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)得出，SEMG信號(hào)的主要能量集中在50～150 Hz范圍內(nèi)，在實(shí)際檢測(cè)時(shí)由于來(lái)自體表空氣中、電源和電路本身的多種因素影響，檢測(cè)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(hào)，為此在SEMG的次級(jí)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(hào)完全淹沒(méi)，因此如何抑制50 Hz工頻干擾噪聲是肌電信號(hào)檢測(cè)中首要解決問(wèn)題。引入雙T陷波器濾除的50 Hz工頻干擾信號(hào)，其實(shí)質(zhì)是一個(gè)帶阻濾波器。其SEMG檢測(cè)電極原理如圖2所示。

圖2 SEMG檢測(cè)電極原理

圖2中，前級(jí)放大電路采用ADI公司結(jié)型場(chǎng)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(dòng)輸入，單端輸出。結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管運(yùn)算放大器AD8627作為電壓跟隨器，來(lái)提高共模抑制比，它是一個(gè)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(hào)。OP2177具有高精度、低偏置、低功耗等特性，其片內(nèi)集成了2個(gè)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(jí)放大倍數(shù)G1=1+49.4／（R4+R5）／／R6,設(shè)置G1為150，次級(jí)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(hào)放大至伏級(jí)，以便于后級(jí)信號(hào)處理以及抗干擾能力大大增強(qiáng)。

2.3 SEMG檢測(cè)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(zhǎng)為20 mm，孔徑為1mm。實(shí)驗(yàn)板的另一面為SEMG檢測(cè)電路，將銀條分別接入如圖3所示的孔中。在進(jìn)行檢測(cè)表面肌電信號(hào)時(shí)，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(cè)到來(lái)自鄰近肌肉的串?dāng)_。測(cè)定時(shí)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(huì)產(chǎn)生低頻噪聲，因此在測(cè)量時(shí)應(yīng)在被測(cè)者情緒穩(wěn)定情況下進(jìn)行并盡量保持身體相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)。總之，應(yīng)當(dāng)盡量減少外界對(duì)此次實(shí)驗(yàn)過(guò)程的干擾，才能有效提取有用的表面肌電信號(hào)。

圖3 SEMG檢測(cè)電極電路板

3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)是對(duì)小臂執(zhí)行動(dòng)作時(shí)用該電極采集表面肌電圖。

圖4所示為小臂曲伸動(dòng)作時(shí)，該SEMG檢測(cè)電極所采集到的表面肌電信號(hào)以及得出的頻譜特性圖。由圖可知表面肌電信號(hào)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(hào)，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(cè)電極，較為成功地運(yùn)用于實(shí)際應(yīng)用中的SEMG檢測(cè)。試驗(yàn)表明，設(shè)計(jì)的表面肌電檢測(cè)電極較為合理，設(shè)計(jì)中將電極和信號(hào)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(cè)電極來(lái)實(shí)現(xiàn)表面肌電信號(hào)的檢測(cè)，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(hào)。此次研制的SEMG檢測(cè)電極可能會(huì)存在缺陷和不足，在以后的學(xué)習(xí)過(guò)程中將會(huì)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(duì)本電極的設(shè)計(jì)做更進(jìn)一步的研究和改善。