CN101791218B - 有源双电极表面肌电传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及动物肌肉神经诊断和人体生物电采集与识别。它包括采集表面肌电信号的电极导体、功能缓冲级电路、前置差分放大电路、滤波电路、双T陷波电路和后级放大电路；前置差分放大电路由前级差分放大电路和二级差分放大电路构成，在前级差分放大电路的输出端还连接有电压跟随电路及与之连通的反相放大反馈电路，该反相放大反馈电路的输出与电极导体根部接通；所述滤波电路是五阶巴特沃思滤波电路，所述电极导体是粘贴在皮肤表面的2根银丝电极，两者间距8-12毫米。本有源双电极表面肌电传感器电极固定方式好，采集的信号稳定，信号滤波功能强，使电路抵抗工频干扰的能力得到增强，而且克服了因电极连线带来的噪声大和传感器整体体积较大等缺陷。

Description

有源双电极表面肌电传感器

技术领域

本发明涉及动物肌肉神经诊断和人体生物电采集与识别的仪器技术，也涉及运算放大器的应用和电路降噪方法。

背景技术

随着神经医学、运动与健康科学、康复工程的发展，人们越来越重视肌肉运动、肌肉功能疾病、运动神经和神经康复的检测和识别。无痛和便携式的表面肌电信号检测是重要的医学检测方法之一，目前市场上对该类医疗诊断和治疗仪器的需求增长较快。其中，与人体皮肤接触、获取表面肌电信号的传感器，是决定该类仪器的检测精度和便携性的关键部件之一。在传统的仪器中，通常采用将与人体皮肤接触的肌电电极和传感器分离的方式，其存在电极连线带来的噪声大和传感器整体体积较大等缺陷。

近年来，有关这方面的新传感器比较多。ZL200510100453.2报道了一种皮表传感器，其电路结构由前级、放大级、陷波级和输出级四个部分组成，采用同一硅片制造的两个运算放大器组成同相并联输入的前级，陷波级采用双T有源网络。这种皮表肌电传感器采用J钩超小型器件焊接封装在一个外径为29毫米、厚度为15毫米的绝缘塑料盒内。该电路中，由于其电极尺寸和电极的中心距离是变化的，因此，采集的信号受电极变化而发生变化，电极之间的差模信号波动大，稳定性不如电极固定方式的信号质量高；另一方面，该电路仅由前级、放大级、陷波级和输出级四个部分组成，没有滤波、共模抑制、电压跟随反馈等抑制噪声的功能。

US0215916A1/2005中报道了一种用于脑电、心电、肌电的有源多通道数字电极，以采集诸如脑电、心电、肌电等信号。该系统采用了能够放大和转化生物电的源信号为数字信号的有源数字电极，从而消除噪声和避免信号衰减。该发明使用圆盘电极，其采集的模拟信号电路经2级运算放大电路，即前级放大-低通滤波-高通滤波-后级放大输出；在前后级放大之间，采用2组RC(电阻/电容)的组合，即普通的低通滤波和高通滤波。该发明的电路集成直径0.65英寸(16.51毫米)的电路板上，8个检测电极和1个参考电极分别固定焊接在电路板上直径0.47～0.65英寸(11.94～16.51毫米)的圆周上，每个电极直径为0.05英寸(1.27毫米)。这种电路虽然具有电极采集点小而密集的特点，但是其电路仅采用2级运算放大电路，信号增益较小；采用普通的低通滤波和高通滤波，信号滤波功能不强，导致信噪比不高；其电极采集点面积较小，也在一定程度上影响了数据的可靠性。

发明内容

本发明的目的，针对现有技术的不足，提供一种集成表面肌电电极和模拟信号放大电路的传感器，从而克服肌电信号传输出现的干扰和失真，并且有效减小电极和传感器的尺寸。

本发明的目的通过以下方式实现。

本发明的有源双电极表面肌电传感器，包括有2根作为采集表面肌电信号的电极导体，在与电极导体连接的电路结构中，包括有前置差分放大电路、滤波电路、双T陷波电路和后级放大电路，其特征在于，所述电路结构中还包括有功能缓冲级电路、电压跟随电路和反相放大反馈电路；所述前置差分放大电路由前级差分放大电路和与之连接的二级差分放大电路共同构成；所述功能缓冲级电路的输入端点与采集表面肌电信号的电极导体根部连接，其输出端与前级差分放大电路的输入端接通；在前级差分放大电路的输出端还连接有电压跟随电路及与之连通的反相放大反馈电路，该反相放大反馈电路的输出与电极导体根部接通；所述滤波电路是五阶巴特沃思滤波电路；所述电极导体是粘贴在皮肤表面的2根银丝电极，两者之间间距为8-12毫米。

上述有源双电极表面肌电传感器中，所述二级差分放大电路由1个高输入阻抗的仪用放大器构成；所述电压跟随电路由2个等值电阻和第1个单运放组成的电压跟随器组成；所述反相放大反馈电路是由2个单运放构成的并联型双运放仪器放大器；所述滤波电路是五阶巴特沃思滤波电路，截止频率在500赫兹。所述双T陷波电路和后级放大电路是双RC并联、1个低噪声宽带运算放大器和1个差分运算放大器组成，陷波电路来消除50赫兹的工频干扰。进一步，信号以单端输入方式进入后级运放，从而最后输出的是经过三级放大的肌电信号。

本发明的有源双电极表面肌电传感器正常工作时，两根电极的端部与人体所测部位紧密接触，将采集到的初始电压源信号经缓冲电路输出到前级差分运放电路，然后进入第二级差分放大电路，输出时为双端差动输出信号。与此同时，从前级差分放大之后的电压信号进入电压跟随电路，并经反相放大反馈模块，即将跟随电压进行反相放大处理后再反馈连接到功能缓冲级电路的输入端，与原来的共模电压相加，形成共模电压负反馈电路，从而减小共模电压的输出浮动变化，提高电路抵抗工频和扰动干扰的能力。所述前级差分放大电路采用共模驱动技术，可避免阻容耦合电路中的阻、容元件参数不对称导致的共模干扰转换成差模干扰的情况发生；在运算放大器为理想的情况下，并联型差动放大器的输入阻抗和共模抑制比都为无穷大，且其共模抑制比与外围电阻的匹配程度无关，并且电路具有提高输入阻抗和提供电压缓冲的作用。

本发明的有源双电极表面肌电传感器，使传感器的电极直接与传感器的缓冲级连接，增大了前级放大的输入阻抗。在电路运行过程中，传感器在第一级前级差分放大之后，继续采用第二级差分放大，从而对反馈后的肌电信号进行跟踪放大；同时在第一级放大之后采用电压跟随，并且采用把跟随电压进行反相放大反馈到缓冲级输入端，与原来的共模电压相加，形成共模电压负反馈电路，减小了共模电压的输入值，从而提高共模抑制比和电路抵抗工频干扰的能力。传感器在第二级采用放大之后采用五级巴特沃思滤波，在滤波之后，又对信号进行双T陷波，消除了50赫兹的工频干扰。与现有技术相比，本发明的有源双电极表面肌电传感器，电极固定方式好，采集的信号稳定，信号滤波功能强，使电路抵抗工频干扰的能力得到增强，而且也克服了因电极连线带来的噪声大和传感器整体体积较大等缺陷。

下面通过实施例和附图作进一步说明。

附图说明

图1是本发明的一种实施例的整体电路结构框图。

图2是本发明所述的电极到第二级差分放大电路的一种实施例示意图。

图3是本发明所述的电压跟随和反相放大反馈电路的一种实施例示意图。

图4是本发明所述的五阶巴特沃思滤波电路的一种实施例示意图。

图5是本发明所述的双T陷波和输出级电路的一种实施例示意图。

图6是本发明所述的线性分压和稳压电路的一种实施例示意图。

图7是本发明所述的传感器输入输出接口实施例示意图。

图8是本发明所述的传感器在一种手臂伸直状态下的电路输出信号图。

具体实施方式

实施例

参见图1，每根电极与缓冲电路输入端连接，将采集到的表面肌电信号输入到功能缓冲级电路。该功能缓冲级电路依次和前级差分放大电路、二级差分放大电路、五阶滤波电路、双T陷波电路和后级放大电路连通，然后，可根据需要将从后级放大电路输出的信号输入到不同的显示器中。在前级差分放大电路的输出端还连接有电压跟随电路及与之相接的反相放大反馈电路，该反相放大反馈电路的输出与电极接通。

参见图2，图中表达了电极1、缓冲级电路2、前级差分放大电路3、容阻电路4、二级差分放大电路5的实施例，前级放大输出端(FRONT_GND)6连接电压跟随电路的输入端(FRONT_GND)14(参见图3)，二级差分放大电路5的信号输出端7连接到五阶巴特沃思滤波电路的输入端(FRONT_OUT)15(参见图4)，二级差分放大电路5的输入端8、9、10分别对应地连接到线性稳压电路26、25、24(参见图6)。图2中的9为电源输入，使用5伏干电池；电极1中的LP1和LP2是一根电极与电路板固定连接的2个针脚，其中LP1与缓冲电路连接，LP2仅作固定作用；电极1中的LP3和LP4是另一根电极与电路板固定连接的2个针脚，其中LP3与缓冲电路连接，LP4仅作固定作用。

参见图3，图中表达了电压跟随电路13和反相放大反馈电路12，该电压跟随电路由2个等值电阻和1个AD8551单运放组成，电压跟随电路的输入端14连接到前级放大输出端6(图2)；该反相放大反馈电路是由AD8554放大器的其中1路放大电路构成，反相放大反馈电路的输出端11连接到有源电极之外的人体参考电极。

参见图4，图中表达了五阶巴特沃思滤波，该电路由1阶电路16、2阶电路16和2阶电路17组成；该电路的输入端15连接到二级差分电路的输出端7(图2)；该电路的输出端19连接到双T馅波电路的输入端20(图5)。

参见图5，图中表达了双T陷波电路21和后级放大输出电路22，该双T陷波电路主要由AD8554放大器的其中2路放大电路组成，该双T陷波电路的输入端20接到五阶巴特沃思滤波电路的输出端19(图4)；该后级放大输出电路主要由AD8554放大器的其中1路放大电路组成；该后级放大输出电路输出端23连接到传感器输入输出端CON的接口30(图7)。

参见图6，图6中表达了线性分压和稳压，该电路电源输入端25连接传感器输入输出端CON的接口28(图7)，该电路接地极24连接传感器输入输出端CON的接口27(图7)；该线性分压电路由1个电阻和1个稳压二极管组成，输出端26输出2.5V电压；该线性稳压电路由2个电容并联组成。

参见图7，图7中表达了传感器输入输出端CON，接口27连接外接5V干电池或者直流稳压电源的负极；接口28连接外接5V干电池或者直流稳压电源的正极；接口29连接人体参考电极和电压跟随反馈放大电路的输出端11(图3)；接口30输出放大的肌电信号；接口31连接前级差分输出端6(图2)和电压跟随输入端14(图3)。

参见图8，图8中显示了本发明实施例所述的传感器在手臂伸直并且手掌向上手持2公斤砝码时的电路输出信号图。具体如下：将上述电路印制电路板上，焊上所述的电子元器件，电源使用5V干电池或者直流稳压电源，将本传感器带有两电极的一面粘贴在人体手臂的肱二头肌肌腹位置，将参考电极粘贴在手臂肘关节外侧，进行实际应用试验。采用北京普源DS1052E数字示波器显示传感器输入输出端CON(图7)输出的肌电信号，其中示波器探头正极连接传感器输入输出端CON的接口30(图7)，示波器探头接地极连接传感器输入输出端CON的接口29(图7)。图8中，横坐标是信号的发生时间，每格4毫秒；纵坐标是信号的电压幅值，每格20毫伏。图8中有两条垂直状点划直线(与纵坐标平行)，如果将位于图中左侧的一根称为X1，位于图中右侧的一根称X2，则从图可以看出，在X1到X2之间的电压幅值存在最大波峰-波谷，周期是15.20毫秒，频率是65.79赫兹。图8中还有两条水平状点划直线(与横坐标平行)，如果将位于图中上面的一根称为Y1，下面的一根称为Y2，则从图中可以看出，从Y1到Y2之间的最大波峰-波谷的电压幅值是336.0毫伏，是产生肌肉收缩的最主要的肌电信号。图中在大的波峰-波谷-波峰信号线上还存在高频小幅值的叠加信号，频率远远大于50赫兹，幅值远远小于最大波峰-波谷的幅值336毫伏。

以上检测结果表明本发明的有源双电极表面肌电传感器具有实际应用功能。

Claims (5)

1.一种有源双电极表面肌电传感器，包括有2根作为采集表面肌电信号的电极导体，在与电极导体连接的电路结构中，包括有前置差分放大电路、滤波电路、双T陷波电路和后级放大电路，其特征在于，所述电路结构中还包括有功能缓冲级电路、电压跟随电路和反相放大反馈电路；所述前置差分放大电路由前级差分放大电路和与之连接的二级差分放大电路共同构成，所述功能缓冲级电路的输入端点与采集表面肌电信号的电极导体根部连接，其输出端与前级差分放大电路的输入端接通；在前级差分放大电路的输出端还连接有电压跟随电路及与之连通的反相放大反馈电路，该反相放大反馈电路的输出与电极导体根部接通；所述滤波电路是五阶巴特沃思滤波电路，所述电极导体是粘贴在皮肤表面的2根银丝电极，两者之间间距为8-12毫米。

2.如权利要求1所述的有源双电极表面肌电传感器，其特征在于，所述二级差分放大电路由1个高输入阻抗的仪用放大器构成。

3.如权利要求1所述的有源双电极表面肌电传感器，其特征在于，所述电压跟随电路由2个等值电阻和第1个单运放组成的电压跟随器组成。

4.如权利要求1所述的有源双电极表面肌电传感器，其特征在于，所述反相放大反馈电路是由2个单运放构成的并联型双运放仪器放大器。

5.如权利要求1所述的有源双电极表面肌电传感器，其特征在于，所述双T陷波电路和后级放大电路是双RC并联、1个低噪声宽带运算放大器和1个差分运算放大器组成。

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