CN101822540A - 肌电放大器及采样肌电信号的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种肌电信号放大器，该放大器包括依次电连接的肌电电极、信号程控预放大模块、工频陷波器模块、程控滤波模块、受控制器控制的A/D转换模块和光纤传输模块。这种肌电信号放大器脱离了传统肌电放大器的导线长度的限制，能够实现跨科室诊断，能很好地应用于医学诊断。

Description

肌电放大器及采样肌电信号的方法

技术领域

本发明涉及生物电放大器，特别是涉及一种具有带有光纤接口的肌电信号放大器和一种肌电信号的采样方法。

背景技术

生物信号可以反映生物体的生命活动状态，它可以为物理的声、光、电、力等变化的存在形式、也可以是化学浓度、气体分压、PH值等化学变化的存在形式。其中，电在生物体内普遍存在，而且由于在病理的情况下所产生的电变化与正常时表现出不同的特性，因此，生物电成为了医学诊断的一种重要形式。

本发明涉及的处理对象是肌电信号。医学研究表明，当人体将进行肢体运动时，大脑皮层中控制运动区域的神经元兴奋并产生一定频率的电脉冲，其通过神经系统精确的传导至特定的肌肉纤维产生终极电位，它的去极化将在肌纤维中产生一串动作电位，引起肌肉收缩，使肢体完成大脑所设定的动作。肌电信号就是众多的上述肌肉纤维的动作电位，即是由运动单元动作电位的叠加而产生的。由此可见，肌电信号与人体的神经系统及肌肉运动有着紧密的联系。现今，人们已经可以通过测定在外界刺激下产生运动单位肌电传导的时限及波幅，安静情况下神经肌肉自发电的有无，以及肌肉大力收缩时肌电信号的波型及波幅，来区别神经原性损害和肌原性损害，诊断脊髓前角急性损害或慢性损害，对神经根及周围神经病变等其他神经及肌肉病症也有诊断价值。

但是，众所周知，肌电信号等生物电具有信号微弱、非线性、高内阻、干扰因素多等不利于信息获取的特点和因素，因此，对生物电的采样和处理成为了现代医学研究领域的一大重点课题。

如今市场上已有的肌电放大器已经能够实现对肌电信号的采样、抗50Hz工频干扰处理、抗极化电压干扰、杂频滤波和信号放大等基本功能。然而，已有的肌电放大器都是使用USB接口与主机进行信息通信的，这种肌电放大器具有以下缺陷：(1)采用USB与主机进行通信，主机位置不变和USB的电缆长度使得肌电放大器的使用空间范围受到限制，难以做到跨科室的同步实时诊断；(2)同时，USB电缆线连接通信的速度不高，这也限制了肌电放大器的采样频率和肌电数据处理显示的实时同步性达不到更高的要求水平。(3)由于人体——放大器——主机三者之间通过电缆线连接，而主机通常是直接连接220V市电进行工作的，而肌电放大器中的电路都是在较低的直流电压下工作，因此，这就使传统的肌电放大器出现了难以规避的受到交流强电的影响；(4)另外，由于肌电信号十分微小，所以肌电放大器对于信号的抗干扰能力有着很高的要求。而由主机端所接的市电引入的50Hz工频势必会干扰到肌电信号的获取；(5)电气设备难以保证绝对不会发生漏电或者短路等突发状况，电气故障必将对患者的生命造成威胁。传统使用光电耦合作为电气隔离设备，然而如果光电耦合加载在模拟端，映射模拟信号势必引入映射误差；若是加载在数字端，传输速度不快，会影响到肌电放大器的采样频率。

综上所述，如何利用肌电信号放大器实现跨科室的同步实时诊断、提高采样频率和与主机的通信速度、避免交流市电的干扰影响，以更好地应用于医学诊断，即成为此领域的产业亟需努力的目标。

发明内容

本发明的目的旨在克服现有的肌电放大器存在的上述缺陷，使肌电放大器脱离导线长度限制，使其更具轻便化，实现跨科室诊断。并且能更有效的排除信号传输中带来的不预期的信号干扰，确保患者与220V的市电完全电气隔离，避免因漏电或短路而威胁患者生命，为此本发明在普通肌电放大器的基础上引入了光纤接口技术。

关于这种具有光纤接口的肌电放大器，其主要包括以下组成部分：依次电连接的肌电电极、信号程控预放大模块、工频陷波器模块、程控滤波模块、受控制器控制的A/D转换模块和信号传输模块，所述信号程控预放大模块对从肌电电极检测出的信号进行前置放大，且所述信号传输模块采用光纤传输信号。

作为对肌电放大器的进一步改进，肌电放大器还包括屏蔽层驱动模块，向传输肌电信号的电缆线的屏蔽层施加与共模信号相等的电位。

作为对肌电放大器的进一步改进，肌电放大器还包括皮肤接触阻抗检测模块，用来监控电极与皮肤之间的接触是否良好。

本发明的肌电放大器中的控制器，优选为嵌入式处理器FPGA。

本发明的肌电放大器中的信号程控预放大模块包括相互电连接的放大器和模拟开关，模拟开关根据来自所述控制器的控制信号来控制放大器的增益。

本发明的肌电放大器中的放大器，优选的型号为AD620。

本发明的肌电放大器中的程控滤波模块包括逻辑开关器件，所述控制器控制该逻辑开关器件中多对开关的通断，来改变传输信号通路上的电阻、电容值，达到滤波的目的。

本发明还涉及一种采样肌电信号的方法，该方法包括步骤：利用肌电电极获取肌电信号；对获得的肌电信号进行工频陷波处理，抑制工频频段的信号；对被陷波处理后的肌电信号进行滤波，滤除不在肌电信号范围内的杂波；对滤波后的信号进行A/D转换得到数字化的肌电信号信号；将得到的数字化信号传输至主机，其特征在于：该方法在对肌电信号进行陷波处理之前，还对肌电信号进行预放大处理，并且采用光纤将得到的数字化信号传输至主机。

在本发明的采样肌电信号的方法中，优选利用嵌入式处理器PFGA控制所述A/D转换。

采用本发明的肌电信号放大器或者采样肌电信号的方法，应用于肌电信号的采样放大，具有以下技术效果：具有很强的抗干扰能力，排除干扰信号而放大肌电信号；通过光纤与主机连接通信，能将采样得到的模拟肌电信号高速同步转换成数字信号；实现电气隔离，断绝了人体与市电直接接触的可能性，提高了仪器安全性；可运用于跨科室远程诊断，使用更灵活便捷。而且，如果优选采用嵌入式处理器FPGA作为控制器，还能大大加快数据的传输速度，数据同步性更好，采样频率更高，能更完整地还原及显示肌电信息，使肌电信号更具有医学诊断价值。

附图说明

图1是示例性地说明本发明的肌电放大器的结构框图；

图2为皮肤接触阻抗检测模块的电路；

图3为根据本发明的肌电放大器的屏蔽层驱动电路的具体电路图；

图4举例说明了信号程控预放大电路的主要结构；

图5为50HZ工频陷波器的典型电路图；

图6示出了程控滤波电路的典型电路；

图7为本发明的FPGA控制模块的具体电路图；

图8为光纤传输模块典型电路。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，以下将通过举例的方式详细说明本发明的肌电放大器。本领域技术人员应当明白，这并不构成对本申请要求保护的发明的限制。

图1示例性地说明了本申请的肌电放大器的结构框图。本实施例的肌电放大器包括：肌电电极；屏蔽层驱动电路；信号程控预放大电路；皮肤接触阻抗检测电路；程控工频陷波器；程控滤波器；FPGA控制高速同步A/D转换；光纤传输模块。

同其它生物电信号一样，由于肌电信号非常微弱，因此在采样之前需要对其进行放大。该肌电放大器基本的工作原理为：采用肌电电极如Ag/Agcl表面电极将人体肌电信号引出，再通过加载了屏蔽层驱动电路的电缆线，以差模输入信号的方式接入信号程控预放大器的正负输入端，对检测出的肌电信号进行前置放大。再经由程控工频陷波器，以滤除50Hz工频干扰；通过程控滤波器滤除不在肌电信号范围内的杂波后接入FPGA控制高速同步A/D转换电路，将其由模拟信号转换为数字信号，最后通过光纤模块与主机进行通信连接，以便进行肌电信号的数据处理和临床分析。

其中的皮肤接触阻抗检测模块用来监控电极与皮肤之间的接触良好性，及时提供提醒警报信息，确保肌电信息是在电极与皮肤良好接触的情况下采样完成的。皮肤阻抗测试采用如图2所示的测试电路，假设人体阻抗为RX，通过公式(V/2＝Rx/(R+Rx))计算皮肤阻抗RX。通过图2所示的测量电路对皮肤阻抗进行测试，将测得值与设定值进行比较，如超出设定值则发出指示，提示使用者皮肤阻抗过高，须对测试位置重新进行清洁处理。直至皮肤阻抗符合测试要求。仪器每隔10s进行一次皮肤阻抗的测试，以此确保信号采集的准确性。

由于肌电信号极其微弱，以至于传输肌电信号的电缆线的屏蔽层与芯线之间分布的空间电容耦合也会对肌电信号产生信号干扰。若将屏蔽层直接接地，则当两个输入端各自对地电容不等时，将使系统的共模抑制能力下降，影响后级测量精度。因此，本发明在传输肌电信号的电缆线的屏蔽层加上与共模信号相同的电位点，即屏蔽层驱动，可有效去除电缆线中空间耦合电容的干扰，而且不产生泄漏电流，能够有效增强肌电信号的信噪比。

如图3所示，屏蔽层驱动由电阻R1、R2、R3、R4、RG和放大器U1组成，为了便于从整体上理解电路的功能，在此将信号程控预放大器中的放大器U2及其之后的高通滤波器和输出放大器一并示出。U2的1号引脚及8号引脚间接入电阻R_G//(R2+R3)，以此来确定放大器的增益值。U2的2、3号管脚属于信号输入端，7号管脚和4号管脚为电源输入端，分别接V_CC和-V_EE，5号管脚接地，6号管脚属于信号输出端。R2与R3之间接U1的负输入端，U1的负输入端与输出端间跨接R4//(R1+C1)，U1正输入端接地，以在U1的输出端得到共模信号的等电位输出，再接入电缆线的屏蔽层可有效防止电缆线中空间耦合电容的干扰，保护肌电信号。电缆线引出的差模信号分别接入U2的正负输入端(3号引脚及2号引脚)，由6号引脚输出得到放大后的差模信号。

如图4所示，示例性地说明了信号程控预放大器的主要电路组成。信号程控预放大器主要由放大器U508和模拟开关U517组成，此处模拟开关U517优选的型号为CD4053BC，其中U508即为图3中的U2。其中U508选取输入阻抗大的高性能仪表放大器AD620以提高系统的噪声抑制能力，在实现信号放大的同时，还具备了很高的共模抑制比，以抑制共模干扰信号。该放大器是由三个放大器所共同组成，可通过调节1号引脚与8号引脚间的电阻值来调节器件的增益值，与其他普通放大器相比，具有电流噪声低、耗电量低、输入阻抗高、精密度高，放大增益方便调节的特点，非常适合内部电池供电的人体生物电提取设备。

将预放大器电路接入模拟开关U517便可以实现程控功能。在放大器的1号引脚与8号引脚之间接入模拟开关U517(在图3中与R_G并联)，模拟开关U517的A、B和C三个引脚通过接收来自控制器模块(优选的是FPGA控制器)的控制信号，改变各自信号电平(其中A脚在此只是一个连接点，既通过对模拟开关的控制，选择50Hz陷波或者不陷波，在此也可省略对A脚的控制，B和C引脚用来控制放大倍数)，来控制Y0和Z0管脚的通断，如Y0通，则R572//R568形成AD620芯片中1号和8号管脚的电阻值，如Z0通，则R573//R568形成AD560芯片中1号和8号管脚的电阻值，以此来改变信号采样过程中放大器的增益。如当A和B均为“1”时，放大倍数为5，当A为“1”、B为“0”时，放大倍数为50，当A为“0”、B为“1”时，放大倍数为200。根据信号的强弱选择不同的增益值，从而使仪器能采样μV和mV级的信号，捉取所需的有用的神经电信号，具有更高的准确度，更方便于系统的使用及控制。

本领域技术人员熟知只要是市电供电的仪器都难以避免会引入50Hz工频，由于50Hz工频信号恰好在表面肌电信号能量集中的频段(表面肌电信号频率范围：10-250Hz)，且其幅度比表面肌电信号大1-3用个量级，对表面肌电信号的采样有很大的影响，因此必须除去。由于带阻滤波电路可抑制或者衰减某一频段的信号，而让该频段以外的所有信号通过，这种滤波电路也叫做陷波器。因此，在此利用陷波器来滤除50Hz的工频信号。

如图5所示，50Hz陷波器采用正反馈的双T带阻滤波器。其主要结构由电容C1、C2、C3，运算放大器U1、U2，电阻R1、R2、R3及可变电阻R4组成。其中，通过对反馈电阻R4的调节可控制该陷波器的品质因数Q。该电路的品质因数Q值随反馈系数β的增高而增大，关系式为：Q＝1/4(1-β)。但随着β的增高，电路会产生不稳定甚至自激，因此品质因数Q的范围在十到几十的范围内。该陷波器中的电容和电阻的关系：R＝1/(2πf₀C)，其中f_o为特征频率，即该陷波器的中心频率(为了滤除工频50HZ的干扰信号，在本发明中设定为50HZ)，R＝R1＝R2，C＝C1＝C2，通过计算，可得到所需要的参数。利用这种陷波器，可抑制或者衰减某一50HZ频段的信号，而让该频段以外的所有信号通过。

在滤除50HZ的工频信号之后，在进入A/D转换电路之前，还需要滤除不在肌电信号范围内的杂波。该功能由图6所示的程控滤波电路实现。程控滤波电路利用逻辑开关ADG413的选择接通功能来实现程控滤波。

如图6所示，其中的U515为程控逻辑开关ADG413。其第2、5和6号管脚接地，3号管脚通过电阻接12V电源，2号管脚通过电阻接5V电源，4号管脚通过电阻接-12V电源，3、7、10、11、14、15号管脚经过不同的阻值接入主回路中，1、8、9、16号管脚接收来自控制器模块(优选的是PFGA控制器)的控制信号。通过控制管脚T_CON1、T_CON2、T_CON3、T_CON4来控制S1 D1、S2 D2、S3 D3、S4 D4四对逻辑开关的通断，使信号通路上的电阻值和电容值改变，从而达到滤波的功能。

本发明的肌电放大器的控制模块对整个放大器电路中的逻辑开关、模数转换进行整体控制，控制器件优选嵌入式处理器FPGA可编程逻辑器件。因为FPGA是在PAL、GAL、PLD等可编程器件的基础伤进一步发展的产物，是专用集成电路(ASIC)中集成度最高的一种。用户可对PFGA内部的逻辑模块和I/O模块重新配置，以实现用户所需的逻辑。相对于传统的单片机而言，FPGA的运行速度更快，可以将外部时钟倍频，核心频率可以提高到几百M。同时FPGA具有丰富的IO资源，很容易采用不同的IO连接外围设备。更具有优势的是，FPGA不同于单片机，无需调用有限的中断资源，采用FPGA的不同逻辑可以并行处理不同的任务，增加了工作效率。

本发明采用PFGA输出至模拟开关U517的控制命令，控制模拟开关U517中Y₀或Z₀的通断，并通过控制程控滤波电路中的U515的管脚T_CON1、T_CON2、T_CON3和T_CON4，来控制S1 D1、S2 D2、S3 D3、S4 D4四对逻辑开关的通断，使信号通路上的电阻值改变，从而达到滤波的功能。FPGA控制高速同步A/D转换，实现多通道同步采样，保持各放大通道的时域特性。PFGA控制模块电路具体如图7所示。

为了避免传统肌电放大器中采用USB电缆带来的缺陷，本发明的信号的传输方式选用了TTL电平一体化光收发一体模块。利用光纤在肌电放大器与主机之间进行信息传递，可将数字信号传输到远程的例如主机的数据处理设备，以达到远程诊断及抗干扰的实用效果。远程传输距离可达2km，而且光纤传输信号，能有效的隔断病人与市电间的电气连接，确保病人在诊断过程中的安全。光纤传输模块的典型连接如图8所示，其中的各接口信号的说明如下表所示。其中8号管脚用于发射数据输入，2号管脚用于接受数据输出。

表1光纤传输接口表

管脚	管脚名称	电平	说明
				1	GND		接地
2	RD	TTL	接收数据输出
				3	NC		未接
4	SD	TTL	低电平告警
				5	Vcc		接收正电源，+5V或+3.3V

管脚	管脚名称	电平	说明
				6	Vcc		发射正电源，+5V或+3.3V
7	NC		未接
				8	TD	TTL	发射数据输入
9	GND		接地

本发明的肌电放大器还具有如下技术特点：(1)高输入阻抗：共模输入阻抗不小于1GΩ，差模输入阻抗不小于200MΩ，能够达到有效提高生物电信号的信噪比的目的；(2)低噪声：由于具有较高的信噪比，噪声电压不大于1μV；(3)高精密度：幅度分辨2率达到24bit，能够识别信号幅度值的微小差别；(4)高共模抑制比：共模抑制比不小于110dB，能有效地去除信号中的共模干扰信号；(5)高准确度：电压测量误差不大于±10％。

以上通过列举典型实施例的方式详细说明了本发明的肌电放大器的主要组成和工作过程。可以看出，本发明的肌电放大器经过运用多级放大技术及工频滤波等电路处理，尽可能排除可以预见存在的干扰信号，同时放大肌电信号。通过FPGA实现对高速同步A/D转换器的控制，将经过采样处理得到的模拟肌电信号转换成数字肌电信号，提高了采样频率。借助光纤接口采用光纤实现数字肌电信号与主机间的通信连接，可克服现有技术中的采用USB电缆而带来的各种缺陷。

本领域技术人员可轻易地对本实施例进行修正、改变或者等同的替换，在此不再赘述，这些都应属于本发明所主张的范围。

Claims (10)

1.一种肌电放大器，该肌电放大器包括依次电连接的肌电电极、信号程控预放大模块、工频陷波器模块、程控滤波模块、受控制器控制的A/D转换模块和信号传输模块，其特征在于：所述信号程控预放大模块对从肌电电极检测出的信号进行前置放大，且所述信号传输模块采用光纤传输信号。

2.如权利要求1所述的肌电放大器，还包括屏蔽层驱动模块，向传输肌电信号的电缆线的屏蔽层施加与共模信号相等的电位。

3.如权利要求1所述的肌电放大器，还包括皮肤接触阻抗检测模块，用来监控电极与皮肤之间的接触是否良好。

4.如权利要求1所述的肌电放大器，其特征在于所述控制器为嵌入式处理器FPGA。

5.如权利要求1所述的肌电放大器，其中的信号程控预放大模块包括相互电连接的放大器和模拟开关，模拟开关根据来自所述控制器的控制信号来控制放大器的增益。

6.如权利要求5所述的肌电放大器，其中的放大器型号为AD620。

7.如权利要求1所述的肌电放大器，其中的程控滤波模块包括逻辑开关器件，所述控制器控制该逻辑开关器件中多对开关的通断，来改变传输信号通路上的电阻、电容值进而实现滤波功能。

8.如权利要求1所述的肌电放大器，其中的工频陷波器模块为中心频率为50HZ的双T带阻滤波器。

9.一种采样肌电信号的方法，该方法包括以下步骤：利用肌电电极获取肌电信号；对获得的肌电信号进行工频陷波处理，抑制工频频段的信号；对经过陷波处理后的肌电信号进行滤波，以滤除不在肌电信号范围内的杂波；对滤波后的信号进行A/D转换得到数字化的肌电信号；将得到的数字化信号传输至主机，其特征在于：该方法在对肌电信号进行陷波处理之前，还对肌电信号进行预放大处理，并且采用光纤将得到的数字化信号传输至主机。

10.如权利要求9所述的采样肌电信号的方法，利用嵌入式处理器FPGA控制所述A/D转换。

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