CN107510454A - 基于多阶滤波的肌电信号采集装置及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了基于多阶滤波的肌电信号采集装置及系统，涉及信号采集领域。该肌电信号采集装置包括采集模块、前置信号放大模块、带通滤波模块、工频陷波模块、信号二级放大模块和显示终端。采用低阻抗差分电极形式，降低了信号的损耗，抑制了共模干扰。对信号的放大采用分级放大方案，降低了对芯片、元件的性能要求，节约成本，也有助于防止在信号被滤波前内含的直流分量被过分放大造成微弱的肌电信号被淹没，便于放大增益的灵活调节。带通滤波器由两组5阶Sallen‑Key低通和高通滤波电路级联而成，阻带下降速度快，近似达到‑100dB/dec,对噪声及生理电信号干扰的衰减能力极强。在尽量提高系统抗干扰能力，优化采集效果的前提下，综合系统的成本及功耗，产品性能佳。
Description
技术领域
本发明涉及信号采集技术领域，具体而言，涉及一种基于多阶滤波的肌电信号采集装置及系统。
背景技术
自十七世纪以来，不少科学家投入大量的精力去认知、研究肌肉收缩的电现象，并将研究成果应用到人类的医学工作中。研究发现，人体表面肌电信号(sEMG)是一种复杂的表皮下肌肉电活动在皮肤表面处的时间和空间上的综合结果，能够反映神经系统控制和肌肉运动之间的关系，可以通过表面电极收集到，具有检测无创性的优点。在临床诊断、假肢控制、体育运动分析、康复医学以及人机交互领域都具有广泛的应用前景。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于多阶滤波的肌电信号采集装置及系统，可以实现对表面肌电信号的采集。
本发明提供的技术方案如下：
一种基于多阶滤波的肌电信号采集装置，包括：
至少一个用于采集皮肤上肌电信号的采集模块；
与所述采集模块相连接，用于将所述肌电信号进行放大的前置信号放大模块；
与所述前置信号放大模块相连接，用于将放大后的肌电信号中的环境噪声、运动伪迹、其他生理电信号滤除的带通滤波模块；
与所述带通滤波模块相连接，用于将滤波后的肌电信号中的工频电磁干扰滤除的工频陷波模块；
与所述工频陷波模块相连接，用于将滤除工频干扰后的肌电信号进一步放大的信号二级放大模块；
与所述信号二级放大模块相连接，用于将所述肌电信号显示出来的显示终端。
进一步的，所述采集模块包括第一采集电极、第二采集电极和参考电极，所述第一采集电极和第二采集电极构成差分电极，用于接收肌电信号，所述参考电极用于提供参考信号。
进一步的，所述第一采集电极包括电极片及可拆卸的设置在所述电极片上的激光测距仪；
所述参考电极包括参考电极片及可拆卸设置在所述参考电极上的竖板，所述竖板用于反射所述激光测距仪发出的光线。
进一步的，所述采集模块通过音频双通道信号线与所述前置信号放大模块连接。
进一步的，所述前置信号放大模块采用高输入阻抗、高共模抑制比的仪用放大芯片。
进一步的，所述带通滤波模块通带频谱范围为20Hz～500Hz。
进一步的，所述工频陷波模块包括用于调节陷波器的带宽及衰减比电位器旋钮。
进一步的，所述信号二级放大模块与所述前置信号放大模块实现增益的1～1000倍的调节。
进一步的，还包括用于将经所述信号二级放大模块放大后的肌电信号输出至外部设备的输出接口。
本发明还提供了一种表面肌电信号采集系统，包括上述的肌电信号采集装置，及用于接收所述肌电信号采集装置检测得到的肌电信号，并对所述肌电信号进行实时显示的显示装置。
本发明采用低阻抗差分电极形式，从源头上降低了信号的损耗。对信号的放大采用分级放大方案，一方面降低了对芯片、元件的性能要求，节约成本，另一方面也有助于防止在信号被滤波前内含的直流分量被过分放大造成微弱的肌电信号被淹没，同时也便于放大增益的灵活调节。整个采集装置，在尽量提高系统抗干扰能力，优化采集效果的前提下，综合考虑系统的成本以及功耗，产品性能较佳。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的一种肌电信号采集装置的示意图。
图2为本发明实施例提供的肌电信号采集装置中一种采集模块的示意图。
图3为本发明实施例提供的肌电信号采集装置中前置放大模块的电路示意图。
图4为本发明实施例提供的肌电信号采集装置中带通滤波模块的电路示意图。
图5为本发明实施例提供的肌电信号采集装置中工频陷波模块的电路示意图。
图标：100-肌电信号采集装置；101-采集模块；1011-第一采集电极；10111-激光测距仪；1012-第二采集电极；1013-参考电极；10131-竖板；102-前置信号放大模块；103-带通滤波模块；104-工频陷波模块；105-信号二级放大模块；106-显示终端。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
肌电信号(EMG)是众多肌纤维中运动单元动作电位(MUAP)在时间和空间上的叠加。表面肌电信号(sEMG)是浅层肌肉EMG和外周神经上电活动在皮肤表面的综合效应，能在一定程度上反映神经肌肉的活动。
本申请实施例提供了一种肌电信号采集装置100，如图1所示，包括采集模块101、前置信号放大模块102、带通滤波模块103、工频陷波模块104、信号二级放大模块105和显示终端106。
人体生物电的检出，必须依靠感受器的引导。由于肌电信号比较微弱，因此选择何种感受器来引导关系很大。采集模块101用于采集皮肤上的肌电信号，可以将采集模块101与受试者的皮肤相贴合，接收皮肤表面的较微弱的肌电信号。具体的，采集模块101可以包括第一采集电极1011、第二采集电极1012和参考电极1013三部分，第一采集电极1011和第二采集电极1012可以构成差分电极，参考电极1013作为参考端。在实际使用中，可以将采集模块101中的三个电极贴合在受试者的目标位置，实现对肌电信号的采集。
两个差分电极可以置于所测肌肉表面处，以及参考电极1013可以置于远离所测肌肉表面处的人体表面的另一位置。由于表面肌电信号较为微弱，约为微伏级别，在采集时极易受到各类外界电磁干扰的影响，如静电、电磁辐射、工频干扰，所以需要在采集时另外设置一个参考电极1013，可以保持信号采集的准确和稳定。
根据现有肌电采集模块101的组合方式，肌电信号采集系统分为单极采集系统，双极采集系统以及多极采集系统等，每种采集方式都有其内在的合理性和所侧重的因素。在本系统中，出于抗干扰能力方面考虑，采用双极采集系统，由于运动伪迹和环境噪声相对于肌电信号来说，属于共模信号，采用这种差分组合方式，当选用具有高共模抑制比的放大芯片时，可以对共模信号起到很强的抑制作用，从而最大程度上减少信号中混入的环境噪声，提升信噪比。
详细的，如图2所示，所述第一采集电极1011包括电极片及可拆卸的设置在所述电极片上的激光测距仪10111。所述参考电极1013包括参考电极1013片及可拆卸设置在所述参考电极1013上的竖板10131，所述竖板10131用于反射所述激光测距仪10111发出的光线。
在设置第一采集电极1011、第二采集电极1012和参考电极1013时，需要将三个电极贴合在受试者的待检测部位，在设置过程中，需要控制两个采集电极和参考电极1013之间的距离。参考电极1013与两个采集电极之间的距离如果过近，对参考信号的准确度有影响。同时距离也不宜过远，如距离过远，电极的布置位置也不易确定。通过在第一采集电极1011上设置可拆卸的激光测距仪10111，同时在参考电极1013上设置竖板10131，通过激光测距仪10111可以测量其自身与竖板10131之间的距离。即能够确定第一采集电极1011和参考电极1013之间的距离。通过激光测距仪10111上的读数调整两者之间的距离，使两者之间的距离在预设距离范围内。提高采集信号的准确度。激光测距仪10111可以根据实际情况选用，电极片上可以设置夹固结构，激光测距仪10111在使用时可以被夹在其中，使其固定。参考电极1013片上可以设置插槽，竖板10131在使用时可以插在插槽中合理控制电极位置及电极间的距离。测量电极间距过小可能造成短路，距离过大，不但增大噪声干扰，还增加了肌电信号的交叠。此外，该距离还将影响肌电信号的带宽和幅值，距离减小则信号的带宽向高频处移动，幅值变低。因此，应使测量电极之间的距离固定。此外，在安装电极之前，出于减小皮肤——电极之间的阻抗的考虑，可以对皮肤做一些准备处理，包括用95％的乙醇溶液等清洗待粘贴处、涂抹固态导电膏等措施。
在信号传输的过程中，还需要考虑到传输线的阻抗和抖动对信号带来的影响。由于肌电信号本就微弱，传输线过长，阻抗过大，会对信号有很大的衰减。所以在发明中，可以选择低阻抗材质的采集模块101和传输线，从源头上解决信号衰减的问题。此外，为防止信号线连接部位抖动带来的影响，本发明可以采用音频插座式信号线，音频信号线与采集模块101可以采用心电扣式连接，与前置信号放大模块102采用音频插座式连接，从而解决了信号抖动的问题。
前置信号放大模块102与所述采集模块101相连接，用于将所述肌电信号进行放大。
在对微弱的肌电信号进行放大的设计方案中，本发明采用两级放大方案，即由前置信号放大模块102和信号二级放大模块105构成两级放大的结构。在前置信号放大模块102中，可以调节增益旋钮将放大倍数调整至1～200倍范围内，使肌电信号被放大到毫伏等级。然后经过滤波过程，再在二级放大模块中被放大到伏级。
采用这种两级放大的方案，可以防止在滤波之前信号被过分放大。由于信号中混入有外界干扰和直流分量，如果初级放大增益过大，外界干扰和直流分量将同时被放大，这将很可能造成运放输出饱和，肌电信号被淹没。而采用两级放大方案，将滤波级置于两级放大电路之间，这样信号在进入滤波级之前只被初步放大到毫伏级别，便于滤波级电路滤除噪声，之后再送入二级放大电路，放大至毫伏级。除此之外，采用两级放大方案，还有助于灵活调节放大增益，增强了系统的适应性和灵活性。
在前置信号放大模块102的设计中，现有的放大设备一般选用并联型双运放，通过阻容耦合与后级放大电路连接，这种设计不但电路复杂，而且系统的共模抑制能力比较低，不能适应表面肌电信号微弱的特点。因此，本发明可以选用仪用放大芯片。例如，采用ADI公司的AD620芯片，该款芯片的特点是低成本、放大灵敏度高，它在宽频率范围内具有优良的共模抑制能力，其两个输入端采用对称结构，差动输入的方式，仅需一个外部调节电阻，就可以实现放大增益1～1000倍的调节。此外，AD620芯片具有低噪声、低输入偏置电流和低功耗特性，非常适合用于微弱肌电信号的采集。在本系统中，为了增加输入阻抗，减少直流分量干扰，在AD620的两路差分信号输入端上可以分别外接一个电阻和电容，以达到阻抗匹配和减小直流分量干扰的目的。
带通滤波模块103与所述前置信号放大模块102相连接，用于将放大后的肌电信号中的环境噪声、运动伪迹、其他生理电信号滤除。
工频陷波模块104与所述带通滤波模块103相连接，用于将滤波后的肌电信号中的工频电磁干扰滤除。
在本发明中，滤波环节包括带通滤波模块103和工频陷波模块104两个部分，带通滤波模块103用于滤除环境噪声、运动伪迹带来的干扰，以及混入肌电信号中的其它生理电信号。工频陷波模块104用于滤除测试环境下的工频电磁干扰。在带通滤波模块103的设计中，本发明依据生物表面肌电信号的特点来设定滤波器的截止频率。生物表面肌电信号弱，一般在0～5mV之间，幅值与肌肉张力有关，频率低，一般都低于1000Hz，信号随机性强，属于非平稳信号，极易受外界环境噪声和工频干扰的影响。在同等刺激下，信号具有规律性。首先，考虑到采集过程中，由于肌肉收缩，电极与皮肤之间摩擦而产生微小的移动，从而带来干扰，如果不加以滤除，会造成信号的上下漂移。我们设计截止频率为20Hz的高通滤波器来去除这一影响，同时可以消除由于表面肌电信号固有的不稳定性引入的噪声。再考虑到表面肌电信号频率低，频谱主要分布在20～500Hz之间，其中的绝大部分能量都集中在50～150Hz之间的特点，我们设计截止频率为500Hz的低通滤波器来抑制高频干扰。鉴于以上分析，本发明将带通滤波器的截止频率分别设定在20Hz和500Hz。值得注意的是，在滤波器的阶数上，现有一般是采用四阶滤波器，由于阶数较低，所以滤波器阻带下降速度比较慢，对干扰的衰减能力比较差，不能有效地抑制高频干扰。针对这一问题，本发明中的带通滤波器可以由五阶低通滤波器和五阶高通滤波器级联而成。在五阶低通和五阶高通两个部分，分别选用一个Sallen-Key 3阶和一个Sallen-Key 2阶滤波器联合组成相应的五阶巴特沃兹滤波器。Sallen-Key滤波器是增益为1的Butterworth滤波器，其拓扑结构容易调整。改变Sallen－Key滤波器的增益同时就改变了滤波器的幅频特性和类型。以这种奇次在前、偶次在后的连接方式，可以使信号在经过运放之前就得到一次初级预滤，以避免输出信号中混入高频泄露信号，进一步提升了滤波效果。所设计的带通滤波模块对阻带的衰减速率近似达到-100dB/dec，对通带以外的干扰信号及其它生理信号衰减性能极佳。
如图3所示，在带通滤波器的运放选型上，可以选用LM258运放芯片，其内部包括有两个独立的、内含频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，考虑到采集装置的小型化和焊接的方便，在封装形式上可以选用塑封8引线双列直插式形式。
此外，由于滤波器的频率特性与电阻电容元件的精度有很大关系，
因此需要选用精度尽量高的电阻电容元件。在参数设定时，要选用在参数范围内容易得到的电阻电容元件。尤其是电容，容易得到的容量值是有限的，因此优先设定电容元件的参数，并以此为依据，选择电阻的参数。一般来说，在普通应用中，阻值在K级到100K级是比较合适的，在带通滤波器电路中，电阻选择1％～E96系列，可以达到比较高的精度。电阻电容元件的选取可以借助LCR参数表确定，有时也需要将多个元件组合使用。
如图4所示，作为滤波环节的第二部分，工频陷波模块104起着滤除工频电磁干扰的作用。由于对称双T窄带阻滤波器结构简单，具有高可调Q值，而且元件选择和调试比较方便，所以50Hz陷波电路可以采用有源双T带阻滤波器。在双T网络中，两支路的电阻电容的对称度决定陷波点的衰减能达到的最低限度，必须严格保证R11、R12、R13之间满足R11＝R12＝2R13的关系以及C11、C12、C13之间满足C11＝C12＝C13/2的关系。为了最大程度滤除50Hz工频干扰，同时又不会损失太多肌电信号，要求陷波器具有高可调的Q值(品质因数)，Q值越大，体现在幅频特性曲线上就是谷间距变得越狭窄，因此陷波器对其他频率的信号影响就越小，同时微小的频率变化就会使衰减量减小，但是Q值过大，对50Hz频段处工频干扰衰减能力降低，而且容易造成系统失稳，所以针对这一问题，可以在电路设计时加入一个Q值调节电位器。在实际使用中，可以通过实际观测效果调整电位器旋钮来灵活改变Q值，以便取得良好的采集效果。
信号二级放大模块105与所述工频陷波模块104相连接，用于将滤除工频干扰、环境噪声、运动伪迹及其它生理电信号等一系列干扰之后的肌电信号进一步放大。
经过前置信号放大模块102初级放大，带通滤波模块103和工频陷波模块104滤波后，得到的肌电信号已基本纯净，但要想对肌电信号作进一步分析和开发利用，还必须将此电压信号放大到工业标准电压等级5V左右或者更大。以前置放大增益200倍为例，要想将整个采集装置的放大增益设定到1000倍，则信号二级放大模块105的增益需要调整到5倍。如前所述，可以采用AD260芯片作为信号二级放大模块105，依据AD620的放大增益与外接电阻的关系(G＝49.4KΩ/RG+1)可以得到调节电阻的阻值，既而调节电位器旋钮到相应位置。得到调节电阻阻值的计算过程是十分简便的，这也体现了本发明采用两级放大方案的优越性。
显示终端106与所述信号二级放大模块105相连接，用于将所述肌电信号显示出来。
显示终端106可以选用示波器，将经过放大与滤波后的纯净的肌电信号由仪用专用屏蔽导线传送至示波器，显示终端106不局限于示波器，也可以是计算机、AD转换器、虚拟仪器、嵌入式系统等，可能涉及相应的连接设备和传输协议，本发明不一一赘述。
下面简述一下本发明的信号采集过程，两个采集模块101将收集到的微弱的肌电信号沿音频双通道信号线送入前置信号放大模块102，前置信号放大模块102将此信号初步放大后送入后置级联的带通滤波模块103滤除运动伪迹和噪声干扰，以及混入肌电信号中的其它生理电信号，接着再由工频陷波模块104滤除其中的工频干扰。经过以上滤波过程后得到的肌电信号基本纯净，接下来再通过调节信号二级放大模块105上面的增益旋钮，将此信号放大到所需电压等级。为便于观察和验证，将经过两级放大和滤波的肌电信号由仪用专用屏蔽导线导入显示终端106，在显示终端106上便可以清晰显示表面肌电信号的时序波形。
在PCB板的设计过程中，考虑到信号自身的微弱，而外界干扰比较大的特点，在元器件的布局上尽量结合电磁兼容相关理论，对元器件合理布局，加大布线宽度，以提高系统的抗干扰能力。
与现有技术相比，本发明在系统的抗干扰能力上有了显著的提高：微弱肌电信号采集部分，采用低阻抗差分电极形式，从源头上降低了信号的损耗。对信号的放大采用分级放大方案，一方面降低了对芯片、元件的性能要求，节约成本，另一方面也有助于防止在信号被滤波前内含的直流分量被过分放大造成微弱的肌电信号被淹没，同时也便于放大增益的灵活调节。滤波部分摆脱了传统的低阶滤波器设计方案，采用由两组5阶Sallen-Key低通和高通滤波电路级联而成的10阶带通滤波电路，因而阻带衰减速度极快。陷波电路Q值灵活可调。整个采集装置，在尽量提高系统抗干扰能力，优化采集效果的前提下，综合考虑系统的成本以及功耗，使所设计的产品性能最佳。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种基于多阶滤波的肌电信号采集装置，其特征在于，包括：
至少一个用于采集皮肤上肌电信号的采集模块；
与所述采集模块相连接，用于将所述肌电信号进行放大的前置信号放大模块；
与所述前置信号放大模块相连接，用于将放大后的肌电信号中的环境噪声、运动伪迹、其他生理电信号滤除的带通滤波模块；
与所述带通滤波模块相连接，用于将滤波后的肌电信号中的工频电磁干扰滤除的工频陷波模块；
与所述工频陷波模块相连接，用于将滤除工频干扰后的肌电信号进一步放大的信号二级放大模块；
与所述信号二级放大模块相连接，用于将所述肌电信号显示出来的显示终端。
2.根据权利要求1所述的基于多阶滤波的肌电信号采集装置，其特征在于，所述采集模块包括第一采集电极、第二采集电极和参考电极，所述第一采集电极和第二采集电极构成差分电极，用于接收肌电信号，所述参考电极用于提供参考信号。
3.根据权利要求2所述的基于多阶滤波的肌电信号采集装置，其特征在于，所述第一采集电极包括电极片及可拆卸的设置在所述电极片上的激光测距仪；
所述参考电极包括参考电极片及可拆卸设置在所述参考电极上的竖板，所述竖板用于反射所述激光测距仪发出的光线。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的基于多阶滤波的肌电信号采集装置，其特征在于，所述采集模块通过音频双通道信号线与所述前置信号放大模块连接。
5.根据权利要求1所述的基于多阶滤波的肌电信号采集装置，其特征在于，所述前置信号放大模块采用高输入阻抗、高共模抑制比的仪用放大芯片。
6.根据权利要求1所述的基于多阶滤波的肌电信号采集装置，其特征在于，所述带通滤波模块通带频谱范围为20Hz～500Hz。
7.根据权利要求1所述的基于多阶滤波的肌电信号采集装置，其特征在于，所述工频陷波模块包括用于调节陷波器的带宽及衰减比电位器旋钮。
8.根据权利要求1所述的基于多阶滤波的肌电信号采集装置，其特征在于，所述信号二级放大模块与所述前置信号放大模块实现增益的1～1000倍的调节。
9.根据权利要求1所述的基于多阶滤波的肌电信号采集装置，其特征在于，还包括用于将经所述信号二级放大模块放大后的肌电信号输出至外部设备的输出接口。
10.一种肌电信号采集系统，其特征在于，包括权利要求1至9任意一项所述的基于多阶滤波的肌电信号采集装置，及用于接收所述肌电信号采集装置检测得到的肌电信号，并对所述肌电信号进行实时显示的显示装置。
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