表面肌电信号采集系统设计

李成凯，席旭刚，王俊伟，武 昊

(杭州电子科技大学自动化学院，浙江杭州310018)

0 引言

肌电信号(Electromyography，EMG)是产生肌肉动力的电信号根源，是肌肉中很多运动单元的动作电位在时间和空间上的叠加，反映了神经、肌肉的运动状态［1］。表面肌电信号(Surface Electromyography，sEMG)是浅层肌肉肌电信号和神经干上电活动在皮肤表面的综合效应，因此将sEMG用于研究人体运动状态有着非常重要的价值。sEMG已经被广泛应用于临床诊断、康复工程、运动医学等领域［2－4］，但人体动作电位表现出来的sEMG是一种非常微弱的信号。国内外大量数据和文献资料表明，sEMG 的幅值范围一般是 10 5 000 μV，肌肉收缩时为 60 300 μV，松弛时约为 20 30 μV［5］。sEMG的能量集中在1 000 Hz以下，频谱主要分布在20 500 Hz之间。此外，通过电极获取sEMG往往有很多干扰信号，包括人体表面心电信号、电极接触噪声、电磁场干扰、工频干扰等［6］。国外肌电采集系统已发展多年，针对sEMG信号微弱特征和易受干扰通过复杂的硬件电路已经较好地解决了sEMG信号的提取与放大问题。如美国Noraxon公司生产的MyoTrace400肌电采集仪器，可以实现四通道的肌电信号采集。但是由于价格高昂，体积较大，不能直接修改底层代码添加算法，不便于研究应用。本文设计的肌电信号采集系统，主要用于人体佩戴便携式采集仪，要求小型和轻便。

1 表面肌电信号采集电路设计

表面肌电信号采集系统使用一次性Ag/AgCl心电电极片获取表面肌电信号，通过屏蔽导线到前端采集电路，经过滤波放大后得到有效信号。信号滤波与放大电路模块是本设计的核心部分，主要包括信号的仪表放大，低通、高通滤波，二级放大等部分。图1为表面肌电信号采集系统的模块组成，图2为采集系统通道一的信号采集放大电路。所设计的成品为四通道采集系统，由于4个通道的电路完全一致，这里只介绍1个通道的电路图用以说明问题。

图1 表面肌电信号采集电路模块组成

图2 通道一的信号采集电路

1.1 仪表放大电路设计

仪表放大电路是将从表面电极获取到的微弱的肌电信号实现差分放大。由于表面肌电信号微弱，并存在工频干扰，使用高共模抑制比的仪表放大器可以获取有效的差分信号而大幅衰减其中的共模干扰［7］。本设计采用的仪表放大器是美国德州仪器公司Burr-Brown系列的INA128，这是一款低功耗、低偏置电压、低温度漂移的仪表放大器，它是用通用的三运放设计的，具有非常宽的增益范围，依靠其外接电阻可以实现1 10 000的任一增益。

由于表面肌电信号为毫伏(mV)级别，甚至更低，为此整个电路需要较大的放大倍数，此外考虑到抑制前端共模信号的要求，将INA128的放大倍数定在51倍:

取RG为1 kΩ。考虑到温度漂移等影响最好使用精密电阻，设计初期无需太高的要求，用普通电阻就行，且不影响效果。

1.2 滤波与放大电路设计

表面肌电信号的能量谱主要分布在10 500 Hz之间。外电路中还有从电源端、人的身体引入的较大的工频噪声。从硬件上消除工频噪声可以选用双T型陷波器也可以选用集成芯片UAF42来设计陷波器［8］。本文借助于仪表放大器非常高的共模抑制能力，可以很大程度上衰减工频噪声，而无需专门设计工频陷波电路。

初期研究将高通、低通滤波器设计为普通的阻容滤波器，达到表面肌电信号的采集需求。图2中，电容C13和电阻R13构成高通滤波器，其截止频率为fc=1/(2 R13C13)=10.62 Hz，主要衰减10 Hz以下的低频干扰和直流成分;电容C15和电阻R15构成低通滤波器，其截止频率为fc=1/(2 R15C15)=497.61 Hz，主要衰减500 Hz及以上的高频干扰。从测试结果来看，阻容滤波器可以实现基本的滤波效果，若要得到更好的滤波效果，可以尝试更高级的滤波器［9］。

表面肌电信号强度为毫伏级别，仪表放大电路的增益为51倍，达不到信号采集的要求，设置二级放大倍数为8倍，将整个电路的放大倍数设定在400左右。此处需要说明两点:1)根据小信号放大器的设计原理，常通过多级放大到达预计放大倍数，第一级放大增益如设置太高则不利于后续电路对噪声的处理，且放大电路的级数一般也不便超过三级［9］，故而一般将采集电路设计为两级放大;2)二级放大电路中，采用集成运算放大器LM324，图2中R15与R14及运算放大器构成同相比例放大电路，放大倍数为G=1+R15/R14，取 R14=4.7 kΩ 得到 G=8。

1.3 电压抬升电路设计

由于表面肌电信号是采用差分输入、差分放大的，其有效信号是在0 mV上下波动的，要实现A/D转换，则需要将整个信号的电压范围抬升到0 mV以上，此外要实现较高精度的转换，最好应将有效信号幅值范围抬升到A/D输入范围的1/3至3/3之间，本设计中采用微处理器自带的A/D进行转换，其分辨率为12位，参考电压为3.3 V。使用美国国家半导体公司的LM385D－1.2基准芯片将表面肌电信号的幅值抬升到1.237 V上下，LM385D－1.2可以等效为一个稳压二极管。参考芯片手册，基准电压电路如图3所示。在电路性能测试中，如其输入电压范围在3 12 V之间都可以实现输出1.237 V的电压，最大输出幅值差为5 mV。

1.4 同相加法电路设计

使用同相加法电路实现表面肌电信号与基准电压信号的叠加，配好耦合电阻，使加法电路的增益为1，同相加法电路的计算公式为:

代入相应参数，得到Uo=Ui+Uref，满足电路设计需求。通过同相加法电路，将放大后的表面肌电信号和基准电压信号叠加。采集手臂上的表面肌电信号，其最大峰峰值可以达到2.3 V(400倍放大倍数，相当于原信号大小是5.7 mV)，因此抬升之后的幅值大概是在200 mV 2 500 mV之间，比较适合A/D转换。

1.5 电源电路设计

表面肌电信号采集系统使用一块7.4 V锂电池供电，整个系统采用双电源供电。微处理器最小系统需要+5 V供电，INA128和LM324需使用±5 V双电源供电，LM385D使用+5 V供电，故需要设计+7.8V转+5 V降压电路和+5 V转－5 V电路，降压芯片使用AMS1117-5.0，正转负稳压芯片使用是TPS60402，电路设计如图4所示。

图3 基准电压电路

图4 +5 V转－5 V稳压电路

2 测试结果

实验中将表面电极片贴在手臂尺侧腕屈肌处，用屏蔽线将表面信号导入信号采集系统，在TFT液晶显示屏和示波器上可以观察到输出信号。实际测得采集系统的放大倍数为400倍，符合预设参数。图5为手臂握拳收缩时采集到的尺侧腕屈肌sEMG信号，图中示波器的电压档位为500 mV，可见收缩时电压输出峰峰值在500 mV 2 500 mV之间。

图6为美国Noraxon公司专用肌电信号采集仪采集的尺侧腕屈肌肌电信号，对比图5和图6的肌电信号，采集的表面肌电信号虽不及国内外一些专用的肌电信号采集仪所测的信号，但是采集的信号波形基本相近。

图5 手臂握拳收缩过程中sEMG信号

3 结束语

图6 Noraxon公司肌电信号采集仪采集的sEMG信号

本文设计的低成本便携式表面肌电信号采集系统实现了电路小型化及微型化，能够很好地实现表面肌电信号的采集，并能将数据和结果实时传至电脑和手机，具有很高的性价比。采集放大电路还存在功耗较大的问题，采用单节7.4 V锂电池供电时，其总功耗电流在61 mA左右。

［1］席旭刚，左静，张启忠，等.多通道表面肌电信号降噪与去混迭研究［J］.传感技术学报，2014，27(3):293－298.

［2］Doulah A B M S U，Iqbal A，Jumana M A.ALS disease detection in EMG using time-ferequency method［C］//Informatics，Electronics＆ Vision(ICIEV)，2012 International conference on.IEEE，2012:648－651.

［3］Rong W，Tong K Y，Hu X L，et al.Combined Electromyography(EMG)-driven robotic system with Functional Electrical Stimulation(FES)for rehabilitation［C］//Bioengineering Conference(NEBEC)，2012 38th Annual Northeast.IEEE，2012:313－314.

［4］Lovell G A，Blanch P D，Barnes C J.EMG of the hip adductor muscles in six clinical examination tests［J］.Physical Therapy in Sport，2012，13(3):134 －140.

［5］Agostini V，Knaflitz M.An Algorithm for the Estimation of the Signal-To-Noise Ratio In Surface Myoelectric Signals Generated During Cyclic Movements［J］.IEEE Transactions on Biomedical Engineering，2012，59(1):219 －225.

［6］席旭刚，朱海港，罗志增.基于EEMD和二代小波变换的表面肌电信号消噪方法［J］.传感技术学报，2012，25(11):1 488－1 493.

［7］楼钢，李伟，邓学博.小信号放大电路设计［J］.浙江理工大学学报，2007，24(6):661－664.

［8］罗志增，任晓亮.表面肌电信号测试中工频干扰的抑制［J］.仪器仪表学报，2005，26(2):193－195.

［9］王熙星.基于FPGA的表面肌电信号检测与处理［D］.武汉:华中科技大学，2012:16－22.