表面肌电信号前端处理系统

熊 平，唐 建

中南大学 地球科学与信息物理学院，长沙 410083

1 引言

表面肌电信号（SEMG）是由电极周围的肌纤维产生的所有运动单元电位（Motor Unit Potentials，MUAPs）在空间和时间上的累积。这些信号取决于运动相关的肌肉收缩过程中的解剖和生理特性，能够为人们提供与神经肌肉活动相关的重要信息[1]。由于其具有提取方便、快捷、无创测量等优点，表面肌电信号已经被广泛应用于例如功能性电刺激（FES）、肌肉收缩的疲劳分析、功能恢复、临床诊断以及假肢控制系统等许多领域[2-3]。

表面肌电信号是一种非常微弱的交流电压信号，其幅值在100～5 000 μV，峰峰值一般在0～6 mV。采用表面电极时，肌电信号能量主要集中在1 000 Hz以下，频谱分布在20～500 Hz，其中，绝大部分频谱集中在50～150 Hz之间[4]。研究表明，表面肌电信号一般不会超过噪声水平，因此在进行表面肌电信号采集时必须先对其进行放大和去噪等处理，这就决定了处理电路必须满足高输人阻抗、高增益、高共模抑制比、低噪声、低漂移[5-6]等要求。

本文通过分析表面肌电信号采集过程中可能引入的噪声源，设计相应的电路模块对其进行抑制，在保证表面肌电信号放大的同时使干扰降到最低。

2 影响SEMG的因素分析

本身即为一种微弱信号，再加之皮肤和组织的衰减作用，在皮肤表面记录的表面肌电信号更容易受各种干扰的影响[7-8]。影响表面肌电信号形态和特性的因素基本上可以归纳为以下几个方面：（1）组织特性，人的身体是良好的电导体，这也是能够检测到表面肌电信号的基础。然而，人体的导电性会随着组织的形状、厚度，以及生理条件和温度的变化而改变，这些条件会因测量主体的不同（甚至在主体内部）有较大的差异，因此不能对未经过处理的SEMG信号进行振幅等参数的定量比较。（2）串扰，表面肌电信号在采集过程中会受到别的生理信号的串扰，包括相邻肌肉电信号，以及其他生理信号比如心电、脑电等。（3）测量电极放置位置的变化，信号源与检测点之间距离的变化会影响表面肌电信号的读取，这对于所有动态运动研究来说是一个必然存在的问题。（4）外部干扰，在嘈杂的电气环境中要特别注意这类干扰，主要包括50 Hz工频干扰，电台、无线通讯设施以及其他仪器造成的高频干扰。（5）电极及电子器件的固有噪声：系统中选用的电极及电子器件本身固有的噪声可能会致使在SEMG基线上加入其他的信号内容，值得注意的是这类干扰无法靠外部方法来消除，只有通过选择高质量的元器件并且严格控制工艺技术等措施将其控制在可接受的范围。

3 整体电路设计

系统设计的电路主要由四部分组成：初级放大电路、屏蔽驱动和右腿驱动电路、浮地电源和滤波电路以及后级放大电路。

3.1 初级放大电路

本部分电路主要对是将两路差分表面肌电信号转换成一路信号，并对其进行放大和共模抑制。主要由三部分组成：双运放并联型差动放大器、阻容耦合电路以及集成仪器放大器。电路如图1所示。

（1）对于并联型差动放大器，为提高运放性能的匹配性，选用集成双运放OPA2604一块芯片上的两个运放进行该功能块的设计[9]（如图1中的U1A和U1B）。并联型双运放差动放大器能够有效地提高整体电路的输入阻抗，并且对输入信号有一定的缓冲作用。该电路最值得关注的优点是无需精密匹配的外围电阻，不难证明，对于理想运放，并联型差动放大器的共模抑制比为无穷大，输入阻抗也为无穷大，且与外围电阻（R4与R5）的匹配程度无关。

（3）电路后级使用通用型仪用放大器INA128[10]，将并联型差动放大器输出的双端信号转换成常用的单端输出信号。INA128具有高精度、低偏置电压、低温漂以及高共模抑制比等特点。

图1所示电路的差动输出可由式（1）计算：

其中G为INA128的增益。

3.2 屏蔽驱动与右腿驱动电路

引入屏蔽驱动和右腿驱动，是为提高系统的共模抑制能力，增强系统抑制干扰的能力。

图1 前级放大电路

（1）屏蔽驱动：由于信号线与电缆屏蔽层之间存在分布电容，而两根导联线的分布电容不可能完全相等，加之电极阻抗不平衡，导致包括输入回路在内的整个放大系统共模抑制比能力下降，所以使导联线的屏蔽层不接地，将共模电压通过电压跟随器与屏蔽层连接，从而消除屏蔽层电容的不良干扰。

（2）右腿驱动：作为抑制工频干扰的有效方法之一，右腿驱动电路常被用于生物体表电信号的采集[11]。它从前置放大电路两个相等的偏置电阻R8、R9中间取出人体共模电压，依次经U3B（电压跟随器）与U3A（反相放大）连接到右腿，本质上，它是一个共模电压并联负反馈电路，起快速放电、有效衰减人体所带共模电压的作用。

屏蔽驱动与右腿驱动电路如图2所示。

图2 屏蔽驱动与右腿驱动电路

3.3 浮地电源

不难理解，如果U1A和U1B的正负电源的公共端不接地，而是把它接到与共模输入电压等电位的一点，那么对于两个运放来说共模信号将是零[12]。

系统采用一种“浮地电源”[13]技术，来减小电源纹波所带来的工频干扰。电路如图3所示，从前置放大电路两个相等的偏置电阻R8、R9中间取出人体共模信号输入到集成运放U5A和U5B的正相输入端，Q1、Q2与Q3、Q4分别构成PNP型和NPN型比例恒流源电路[14]，通过精密稳压器Q5和精密电阻R39来控制流过三极管集电极的电流恒为0.25 mA，使得流入U5A反相输入端的电流恒为0.25 mA同时流入U5B反相输入端的电流恒为-0.25 mA，从而保证电阻R35与R41两端的压降恒为5 V。

图3 浮地电源电路

如果假设共模电压为VD，则U5A的输出电压为VOUT5A=VD-0.25×R35=VD-5{V}，以这个电压作为U1A和U1B的负电源（图3中的VSS-5V2）使用；同理U5B的输出电压为VOUT5B=VD+5{V}，以这个电压作为U1A和U1B的正电源（图3中的VDD+5V2）使用。这样，对于U1A和U1B来说，共模信号即相当于零，消除了共模信号产生的误差。

3.4 滤波器电路

表面肌电信号是一种非平稳微弱信号，频谱分布在20～500 Hz，除了高频与低频噪声外，还要注意50 Hz工频干扰。因此，本文中的滤波器电路主要包括50 Hz双T型有源陷波器、高通滤波器与低通滤波器。

3.4.1 50 Hz双T型有源陷波器

陷波器就是一种用作单一频率陷波的窄带阻滤波器，本文中使用的电路为典型的有源双T型陷波器[15]，陷波器的电路如图4所示。

图4 50 Hz有源陷波器电路

陷波器的品质因素Q，决定滤波器的选择性，高Q对应较窄的阻带而低Q对应较宽的阻带。本设计中由于只要求衰减50 Hz信号，其他频率尽量保留，因此需要提高Q。Q值的计算公式为：

阻带BW为：

由式（2）和式（3）可以看出，当k≈1时，Q值极高，BW接近于0，然而实验发现随着k值不断趋近于1，陷波宽度逐渐变窄，而陷波深度却逐渐变小，因此在选择k值（即R29与R34的值）时要综合考虑，经过不断实验测试，最终选定R=10 kΩ，C=0.33 μF，R29=1 kΩ，R34=51 kΩ。

3.4.2 高通滤波器与低通滤波器

加入高通滤波器可以有效地减小由于电极和皮肤之间移动伪差等原因产生的低频干扰，根据表面肌电信号的频率分布特性，系统将高通滤波器（HPF）的截止频率设计为20 Hz。经过反复仿真实验分析，本文使用Sallen-key的1次后接2次构成的三阶巴特沃斯滤波器，电路如图5所示。

图5 三阶高通滤波器电路

该高通滤波器的传递函数为：

为了滤除高频干扰，设计三阶巴特沃斯滤波器低通滤波器（LPF）。LPF的设计方法与HPF相同，只是将HPF中电阻与电容的位置进行相应的调整。本文中设计的低通滤波器截止频率为500 Hz，电路如图6所示。

图6 三阶低通滤波器电路

该低通滤波器的传递函数为：

高通滤波器和低通滤波器在系统中除了起到滤除低频噪声和高频噪声的作用外，还对表面肌电信号进行再次放大，放大的倍数为：

3.4.3 后级放大电路

后级放大电路对经过滤波后的肌电信号进行再次放大，此电路使用两个反向放大器相连构成，后端反向放大器的增益为1，因此整个电路的增益只与前段反相放大器相关。电路使用8路模拟开关芯片CD4051来控制反馈电阻Rf，从而达到改变增益的目的，其电路设计如图7所示。

图7 后级放大电路

后级放大电路的增益为

根据Rf的不同，电路可选择 1、2、4.3、5.1、8.2、10、15和20等8种不同的增益。

4 系统测试分析

4.1 滤波器电路测试

该部分电路选用100 mV正弦波进行单元电路单步测试，其中50 Hz陷波电路、高通滤波电路和低通滤波电路的增益分别为ANF=1，AHP=2，ALP=2。滤波电路各部分测试结果如表1、表2和表3所示。

表1 50 Hz陷波电路测试结果

表2 高通滤波电路测试结果

表3 低通滤波电路测试结果

由测试结果可以看出，50 Hz工频陷波电路的陷波范围为44～56 Hz，中心频率大致在49.6～50 Hz之间，在50Hz时的衰减深度在17.4%左右；高通滤波电路的理论截止频率为fHP=20 Hz，与测试表2中的结果相符，高通滤波电路在10 Hz时约衰减88.4%，而在35 Hz时几乎无衰减；低通滤波电路的理论截止频率为fLP=500 Hz，与表3中的测试结果相符，低通滤波电路在850 Hz时约衰减86.7%，而在300 Hz时几乎无衰减。滤波电路满足了设计要求。

表4 系统总体增益测试

4.2 系统总体增益测试

系统的总体增益由初级放大电路、高通滤波和低通滤波电路，以及后级放大电路共同决定，综合式（1）、式（6）和式（7）可以得出增益计算公式为：

系统总体增益测试结果如表4所示，表中的AV代表系统实际增益。

4.3 系统性能测试

使用组装好的表面肌电信号前端处理系统对两名不同的测试人员（测试人员A与测试人员B）进行前臂屈肌肌电信号的检测，利用示波器进行肌电信号显示，结果如图8所示。从图中可以看出系统可以准确地捕捉到人体的表面肌电信号，并能清晰地放映力量的大小和爆发过程，也可以反映出不同人员肌肉健壮程度的差别。

图8 肌电信号图

5 结论

表面肌电信号是一种复杂而且微弱的生理信号，在表面肌电信号检测过程中存在着许多影响检测精度和可靠性的因素，通过分析表面肌电信号采集过程中可能引入的噪声源，设计完成了一个高共模抑制比的表面肌电信号前端处理系统。通过实验测试表明，本文系统在表面肌电信号的有效频域内具有稳定的放大倍数，且具有较高的共模抑制比，可以有效地抑制高、低频噪声，共模干扰以及50 Hz工频干扰，满足表面肌电信号去噪和放大的要求。

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