CN106308792A - 一种便携的高精度肌电信号采集装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种便携的高精度肌电信号采集装置。包括电源以及顺次相连的肌电信号采集模块、DSP及蓝牙。所述肌电信号采集模块包括顺此连接的表面电极，差分放大器，带通滤波器，主放大器，电平抬高电路，高精度A/D以及隔离电路。所述DSP利用数字处理方法实现对信号的带通滤波、改进的自适应FIR工频陷波器以及小波阈值去噪等数字处理以及对整个装置的控制。所述蓝牙将信号发送到终端。所述电源为整个装置供电。该装置将模拟电路和数字信号处理技术相结合，使得具有非常高的输入阻抗以及共模抑制比，能够有效抑噪声干扰，使得采集的信号具有非常高的精度，并具有低功耗、便于携带的优点，能够很好的应用于科学研究、可穿戴设备等领域中。

Description

一种便携的高精度肌电信号采集装置
技术领域
本发明属于人体生物电信号检测领域，尤其涉及一种便携的高精度肌电信号采集装置。
背景技术
生物电信号指活细胞或者组织产生的、与生命状态密切相关的、有规律的电信号。生物电信号自发现以来一直是科学研究的热门领域，其最大的意义在于生物电信号作为人体各种生理参数的重要指标，可通过对其的监测及分析实现对人体的各部分机能及整体健康状况的全方位较为准确地掌控。
肌电信号作为人体重要的生物电信号之一，在医学领域作为神经系统检查的延伸，被广泛应用在神经科、康复科、骨科、职业病、运动医学、精神科及儿科等方面，是组织化学、生物化学及基因检测等技术不能取代的临床客观检测手段。在康复医疗领域，肌电信号可以准确的评判肌肉功能，判断肌肉康复情况。在体育科学中，肌电信号在疲劳判定、运动技术合理性分析、肌纤维类型和无氧阈值的无损伤预测等方面均有重要作用。而利用肌电信号来控制假肢更是整个研究领域最为活跃的部分。利用剩余肌肉组织产生的肌电信号来识别使用者的动作意图，生成相应的控制指令控制假肢工作，实现了机电装置和人体的信息集成和功能集成，具有十分重大的现实意义。
现有的肌电信号采集装置有线传输肌电信号的居多，便携性差；输入阻抗低，信号损失大，抗50hz工频信号干扰能力弱，信号采集时外界噪声干扰很大，使得整体的采集精度不高。
发明内容
为了解决以上问题，本发明的目的是提供一种便携的高精度肌电信号采集装置。该装置将模拟电路和数字信号处理技术相结合，使得具有非常高的输入阻抗以及共模抑制比，能够有效抑噪声干扰，使得采集的信号具有非常高的精度，并具有低功耗、便于携带的优点，能够很好的应用于科学研究、可穿戴设备等领域中。
一种便携的高精度肌电信号采集装置，其组成包括电源以及顺次相连的肌电信号采集模块、DSP及蓝牙，所述电源分别与肌电信号采集模块、蓝牙连接；所述的肌电信号采集模块包括顺次相连接的表面电极，差分放大器，带通滤波器，主放大器，电平抬高电路，高精度A/D以及隔离电路，用于实现对肌电信号的采集；所述的DSP利用数字处理方法实现对信号的数字信号处理以及对整个系统的控制，其中，数字信号处理包括对信号的带通滤波、改进的自适应FIR工频陷波器以及小波阈值去噪；所述的蓝牙将信号发送到手机或PC中，用于实现对肌电信号的发送；所述的电源为整个装置供电。
作为优选，所述的表面电极由正电极片、负电极片以及参考电极片三个表面电极片构成的三点式差动输入电极。
作为优选，所述的差分放大器采用三点式差动输入，并设计有高频低通滤波电路以及保护电路，具体包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4及型号为AD620AR的运放器U1；所述电阻R1的一端是差分放大器的正输入端，所述电阻R1的另一端分别与电容C1的一端、电容C2的一端、二极管D1的负极、二极管D3的正极、运放器U1的引脚2连接，所述电容C1的另一端接地，所述电容C2的另一端分别与电阻R2的一端、电容C3的一端、二极管D2的正极、二极管D4的负极、运放器U1的引脚3连接，所述电阻R2的另一端是差分放大器的负输入端，所述电容C3的另一端接地，所述二极管D2的负极连接-5V电源，所述二极管D4的正极接+5V电源，所述二极管D1的正极接+5V电源，所述二极管D3的负极接-5V电源，所述运放器U1的引脚4分别与电容C7的一端、电容C5的一端、-5V电源连接，所述电容C7的另一端、电容C5的另一端均接地，所述运放器U1的引脚5接地，所述运放器U1的引脚7分别与电容C4的一端、电容C6的一端、+5V电源连接，所述电容C4的另一端、电容C6的另一端均接地，所述运放器U1的引脚1与电阻R3的一端，所述电阻R3的另一端与运放器U1的引脚8连接，所述运放器U1的引脚6是差分放大器的输出端。
作为优选，所述的带通滤波器包括一个二阶高通滤波器和一个二阶低通滤波器串联，所述的二阶高通滤波器和二阶低通滤波器均采用型号为AD8672AR的放大器。
作为优选，所述的二阶高通滤波器截止频率为20Hz，所述的二阶低通滤波器截止频率为500Hz。
作为优选，所述的主放大器采用高精低噪型号为OP07AH的运放，对信号进行二级放大。
作为优选，所述的电平抬高电路用于将采集信号电平抬高，方便A/D转换，所述的电平抬高电路采用型号为AD8672AR的放大器。
作为优选，所述的高精度A/D用于将模拟信号转换成数字信号传输到后置的所述的DSP中。
作为优选，所述的隔离电路将模拟电路与数字电路隔离，防止其相互干扰。
有益效果：
借由上述方案，本发明提供一种便携的高精度肌电信号采集装置。该装置将模拟电路和数字信号处理技术相结合，使得具有非常高的输入阻抗以及共模抑制比，能够有效抑噪声干扰，使得采集的信号具有非常高的精度，并具有低功耗、便于携带的优点，能够很好的应用于科学研究、可穿戴设备等领域中。
附图说明
图1：为本发明的原理框图。
图2：为本发明的差分放大器电路图。
图3：为本发明的带通滤波器电路图。
图4：为本发明的主放大器电路图。
图5：为本发明的电平抬高电路电路图。
图6：为本发明的DSP数字信号处理流程图。
图中，1-肌电信号采集模块，2-DSP，3-蓝牙，4-电源。
具体实施方式
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚的了解本发明的技术的手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
下面结合附图和实施例,对本发明的具体实施方式进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
请见图1，本发明一较佳实施例所述的一种便携的高精度肌电信号采集装置，包括肌电信号采集模块1，DSP2、蓝牙3以及电源4。肌电信号采集模块1与DSP2、蓝牙3顺次相连，实现对肌电信号的采集、数字处理及发送。电源4为整个装置供电。
肌电信号采集模块1包括顺次相连接的表面电极，差分放大器，带通滤波器，主放大器，电平抬高电路，高精度A/D以及隔离电路。DSP2负责对信号进行数字处理并实现对系统的控制。蓝牙3负责将信息传送到手机或PC端。电源4采用可充电锂电池，提供+5V和-5V电压。
肌电信号采集模块1中，表面电极由正电极片、负电极片以及参考电极片三个表面电极片构成三点式差动输入电极。差动输入电极的正、负电极片放在所测肌肉的肌电信号最强区域，沿肌肉纵向放置。差动输入电极的参考电极片放在人体无肌肉活动部位。由于人体皮下组织的阻抗较大，放大器的输入阻抗较低，导致输入信号减弱，并且很容易受到外界干扰。通过差动输入，能够有效地降低回路阻抗，提高电路的抗干扰能力，并有效地降低共模干扰。通过表面电极将生物体生化学活动的离子电位转换为电子电位，并将其传至后续电路，实现对肌电信号的采集。
请见图2，本发明的差分放大器采用三点式差动输入，并设计有高频低通滤波电路以及保护电路，实现肌电信号的拾起和第一级放大。所述的差分放大器具体包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4及型号为AD620AR的运放器U1；所述电阻R1的一端是差分放大器的正输入端，所述电阻R1的另一端分别与电容C1的一端、电容C2的一端、二极管D1的负极、二极管D3的正极、运放器U1的引脚2连接，所述电容C1的另一端接地，所述电容C2的另一端分别与电阻R2的一端、电容C3的一端、二极管D2的正极、二极管D4的负极、运放器U1的引脚3连接，所述电阻R2的另一端是差分放大器的负输入端，所述电容C3的另一端接地，所述二极管D2的负极连接-5V电源，所述二极管D4的正极接+5V电源，所述二极管D1的正极接+5V电源，所述二极管D3的负极接-5V电源，所述运放器U1的引脚4分别与电容C7的一端、电容C5的一端、-5V电源连接，所述电容C7的另一端、电容C5的另一端均接地，所述运放器U1的引脚5接地，所述运放器U1的引脚7分别与电容C4的一端、电容C6的一端、+5V电源连接，所述电容C4的另一端、电容C6的另一端均接地，所述运放器U1的引脚1与电阻R3的一端，所述电阻R3的另一端与运放器U1的引脚8连接，所述运放器U1的引脚6是差分放大器的输出端。电阻R1、电容C1，电阻R2、电容C3分别构成RC电路，防止环境中的高频脉冲干扰电路。二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4四个二极管起保护作用，防止脉冲幅值过高损坏运放，并提高放大精度。电容C4、电容C5、电容C6、电容C7能够有效抑制零点漂移，提高运放精度。由于人体皮下组织的阻抗很大，因此采用具有较大输入阻抗的仪表运放（如AD620AR）以此来获得较大的输入信号。同时，该运放的具有很高的共模抑制比和很低的失调电压，能够有效地抑制零漂以及噪声。运放输入之前设计有RC电路，防止环境中的高频脉冲干扰电路。四个高频二极管起保护作用，防止脉冲幅值过高损坏运放，并提高了运放精度。为了减少噪声，第一级放大只放大5倍。
作为优选，电阻R1阻值为1kΩ、电阻R2阻值为1kΩ、电阻R3阻值为12kΩ、电容C1容值为39pF、电容C2容值为200pF、电容C3容值为39pF、电容C4容值为100nF、电容C5容值为100nF、电容C6容值为22uF、电容C7容值为22uF、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4的型号均为1N4148。
请见图3，本发明的带通滤波器电路包括一个二阶的高通滤波器和一个二阶的低通滤波器串联，所述的二阶高通滤波器和二阶低通滤波器均采用型号为AD8672AR的放大器。由于肌电信号的有效信息在20Hz到500Hz以内，因此二阶高通滤波器的截止频率为20Hz，二阶低通滤波器的截止频率为500Hz。
请见图4：本发明利用主放大器对肌电信号进行二级放大，采用高精度低噪声型号为OP07AH的运放，有效降低噪声干扰。
请见图5：所述的电平抬高电路用于将采集信号电平抬高，方便A/D转换，所述的电平抬高电路采用型号为AD8672AR的放大器。为了方便高精度A/D的模数转换，需要将采集到的信号进行抬高，避免出现负电压的情况。
为了满足科学研究以及医疗健康应用的需要，本发明采用了高精度的A/D，将前置电路采集到的模拟信号模数转换为数字信号送至DSP2内。
为了防止模拟信号与数字信号相互干扰，在高精度A/D与DSP2之间设置了隔离电路。
请见图6：单纯使用模拟电路来对肌电信号进行处理，电路的性能有限，所得的信号精度不高，含有较大的噪声，并不能满足高精度的需求。如果想通过提高模拟电路的性能来实现高精度，所需要的电路更加复杂，并且会影响到装置的便携性和功耗，还会引入其他噪声的干扰。因此本装置引入了DSP2，利用DSP2强大的数字信号处理能力，代替复杂的电路设计，大大提高了装置采集的精度和性能。DSP2中数字信号处理包括顺次的带通滤波、改进的自适应FIR工频陷波器，小波阈值去噪，使得采集到的信号具有很好的实时性以及高精度的特点。利用数字的所述的带通滤波实现对于信号频谱的再一次精确选择。利用所述的改进的自适应FIR工频陷波器滤除电路中50Hz工频干扰。利用所述的小波阈值去噪实现对环境中噪声的有效滤出。
所述的带通滤波通频带依旧为20Hz~500Hz，使得整个的滤波效果更好。
由于外界电场、电磁场的影响和作用，是人体表面有感应电势的存在，在日常生活和实验室条件下，这种感应电势通常表现为50Hz工频干扰。由于工频干扰的幅度相对于肌电信号大很多，因此需要使用工频陷波来减少这种噪声的干扰。如果使用模拟的陷波电路，电路成本高，对于50Hz的陷波效果差，因此采用数字陷波器。通过设计的改进的自适应FIR陷波器，能够很好地滤除50Hz的工频干扰。
在肌电信号采集过程中，不可避免的会引入噪声污染信号。例如白噪声等随机噪声。因此设计了小波阈值滤波。通过小波的多层分解对小波系数进行削切、阈值处理等非线性处理，以此达到滤出噪声的目的。这种方法具有低熵性、多分辨率、去相关性和选基灵活的特点，能够在一定程度上避免一般的低通滤波器滤波时造成的信号突变部分模糊的问题。
借由上述方案，本发明提供一种便携的高精度肌电信号采集装置。该装置将模拟电路和数字信号处理技术相结合，使得具有非常高的输入阻抗以及共模抑制比，能够有效抑噪声干扰，使得采集的信号具有非常高的精度，并具有低功耗、便于携带的优点，能够很好的应用于科学研究、可穿戴设备等领域中。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，因此，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种便携的高精度肌电信号采集装置，其特征在于：其组成包括电源以及顺次相连的肌电信号采集模块、DSP及蓝牙，所述电源分别与肌电信号采集模块、蓝牙连接；所述的肌电信号采集模块包括顺次相连接的表面电极，差分放大器，带通滤波器，主放大器，电平抬高电路，高精度A/D以及隔离电路，用于实现对肌电信号的采集；所述的DSP利用数字处理方法实现对信号的数字信号处理以及对整个系统的控制，其中，数字信号处理包括对信号的带通滤波、改进的自适应FIR工频陷波器以及小波阈值去噪；所述的蓝牙将信号发送到手机或PC中，用于实现对肌电信号的发送；所述的电源为整个装置供电。
2.根据权利要求1所述的便携的高精度肌电信号采集装置，其特征在于：所述的表面电极为由正电极片、负电极片以及参考电极片三个表面电极片构成的三点式差动输入电极。
3.根据权利要求1所述的便携的高精度肌电信号采集装置，其特征在于：所述的差分放大器采用三点式差动输入，并设计有高频低通滤波电路以及保护电路，具体包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4及型号为AD620AR的运放器U1；所述电阻R1的一端是差分放大器的正输入端，所述电阻R1的另一端分别与电容C1的一端、电容C2的一端、二极管D1的负极、二极管D3的正极、运放器U1的引脚2连接，所述电容C1的另一端接地，所述电容C2的另一端分别与电阻R2的一端、电容C3的一端、二极管D2的正极、二极管D4的负极、运放器U1的引脚3连接，所述电阻R2的另一端是差分放大器的负输入端，所述电容C3的另一端接地，所述二极管D2的负极连接-5V电源，所述二极管D4的正极接+5V电源，所述二极管D1的正极接+5V电源，所述二极管D3的负极接-5V电源，所述运放器U1的引脚4分别与电容C7的一端、电容C5的一端、-5V电源连接，所述电容C7的另一端、电容C5的另一端均接地，所述运放器U1的引脚5接地，所述运放器U1的引脚7分别与电容C4的一端、电容C6的一端、+5V电源连接，所述电容C4的另一端、电容C6的另一端均接地，所述运放器U1的引脚1与电阻R3的一端，所述电阻R3的另一端与运放器U1的引脚8连接，所述运放器U1的引脚6是差分放大器的输出端。
4.根据权利要求1所述的便携的高精度肌电信号采集装置，其特征在于：所述的带通滤波器包括一个二阶高通滤波器和一个二阶低通滤波器串联，所述的二阶高通滤波器和二阶低通滤波器均采用型号为AD8672AR的放大器。
5.根据权利要求4所述的便携的高精度肌电信号采集装置，其特征在于：所述的二阶高通滤波器截止频率为20Hz，所述的二阶低通滤波器截止频率为500Hz。
6.根据权利要求1所述的便携的高精度肌电信号采集装置，其特征在于：所述的主放大器采用高精低噪型号为OP07AH的运放，对信号进行二级放大。
7.根据权利要求1所述的便携的高精度肌电信号采集装置，其特征在于：所述的电平抬高电路用于将采集信号电平抬高，方便A/D转换，所述的电平抬高电路采用型号为AD8672AR的放大器。
8.根据权利要求1所述的便携的高精度肌电信号采集装置，其特征在于：所述的DSP的带通滤波通频带为20Hz~500Hz。
9.根据权利要求1所述的便携的高精度肌电信号采集装置，其特征在于：所述的高精度A/D用于将模拟信号转换成数字信号传输到后置的所述的DSP中。
10.根据权利要求1所述的便携的高精度肌电信号采集装置，其特征在于：所述的隔离电路将模拟电路与数字电路隔离，防止其相互干扰。
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