CN214856805U - 一种肌电采集装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种肌电采集装置，通过不同放大倍数的信号放大，提高信号处理的分辨率和精度，扩宽测量范围；同时，对肌电信号的频率进行分析，可将通频带的上下限边沿做的很陡，滤除无用信号，同时也能将工频陷波器的陷波宽度做的很窄，保留更多的有用信号。通过倍数切换模块的切换选择，微处理器采用1个ADC I/O口即可实现信号AD采样，避免了高精度AD采样装置的引入，节约了成本。

Description

一种肌电采集装置

技术领域

本实用新型属于医疗器械技术领域，具体涉及一种肌电采集装置。

背景技术

表面肌电信号(SEMG)是一种微弱的电信号，通过提取和分析人体表面肌电信号，可有效识别该人体部位的动作，对康复医疗起指导作用，广泛应用于康复医学、运动等领域。

人体皮肤表面肌电信号的有效频率范围为20Hz～500Hz，主要集中在50Hz～150Hz的频率范围内，对于健康人肌电幅值可达1000μV～3000μV(峰-谷值)，对于残肢者幅度一般小于350μV(峰-谷值)，因此肌电信号的采集，需要高精度、高分辨率，可检测到0.1μV的波动。同时，随着医疗器械的应用越来越复杂多样化，同一个医疗设备需满足同时可采集多个部位的肌电信号，且各个采集通道相互独立，互不影响。

现有技术中，常规的肌电采集装置，一种是采用了高精度的AD采样电路，这种方式的缺点是成本高，而若采用低精度的AD采样芯片，但却无法保证高精度要求。

另外的一种肌电采集装置，包括前置放大模块、右腿驱动模块、带通滤波模块、工频滤波模块、后级放大模块和微处理器。这种方式的工频滤波模块陷波宽度很难做的很小，使得有用信号被滤除，而带通滤波模块的通频带边沿的斜度也很难做得很陡，导致无用信号被引入。

肌电信号在实现多通道设计时，目前常用的肌电采集装置是将肌电信号通过AD采样模块将肌电信号转换为数字信号，通过数字隔离模块将该信号传输给微处理器，这种方式无法识别采集到的肌电信号频率，对信号分析有限制。

实用新型内容

本实用新型提供一种肌电采集装置，旨在解决现有肌电信号采集电路的不足。

本实用新型提供的技术方案如下：

为了达到上述目的，本实用新型包括前级跟随模块，前置放大模块，右腿驱动模块，带通滤波模块，后级放大模块，倍数切换模块和微处理器，其中所述前级跟随模块分别与外部的采集电极和前置放大模块电性连接；所述的前置放大模块还与右腿驱动模块和带通滤波模块电性连接；所述的右腿驱动模块与外部的右腿驱动电极电性连接；所述的带通滤波模块还与后级放大模块电性连接；所述后级放大模块还与倍数切换模块电性连接；所述的倍数切换模块还与微处理器电性连接，其中

前级跟随模块用于提取人体肌电信号，并将信号传输给前置放大模块，实现人体和前置放大模块之间的隔离作用，提高电路的差模输入阻抗；

前置放大模块用于将前级跟随模块传输过来的肌电信号进行初步放大，同时提取共模干扰信号，传输给右腿驱动模块。

右腿驱动模块用于将共模干扰信号反向放大，以负反馈的方式传输到人体，抵消信号输入端的共模干扰；

带通滤波模块由通频带下限为20Hz的高通滤波器和通频带上限为500Hz的低通滤波器级联而成，实现带通滤波；

后级放大模块包括至少两路不同放大倍数的信号放大和电平抬升模块，且各信号放大和电平抬升模块并联，实现信号不同放大和电平抬升；

倍数切换模块用于实现不同放大倍数的肌电信号的选择，并传输给微处理器；

微处理器用于对倍数切换模块传输的肌电信号进行AD采样，并对该信号进行分析处理，包括分析信号幅值、频率等。

通过这种肌电采集装置，既可提高电路的分辨率和采样精度，又可扩展电路的输入信号范围。通过微处理器分析肌电信号的幅值和频率等，通过软件滤波处理，可将通频带的上下限边沿做的很陡，滤除无用信号，同时也能将工频陷波器的陷波宽度做的很窄，保留更多的有用信号。倍数切换模块，使微处理器采用1个ADC I/O口即可进行信号AD采样，避免了高精度AD采样装置的引入，节约了成本。

本实用新型提供了一种肌电采集装置，通过不同放大倍数的信号放大，提高信号处理的分辨率和精度，扩宽测量范围；同时，对肌电信号的频率进行分析，可将通频带的上下限边沿做的很陡，滤除无用信号，同时也能将工频陷波器的陷波宽度做的很窄，保留更多的有用信号。通过倍数切换模块的切换选择，微处理器采用1个ADC I/O口即可实现信号AD采样，避免了高精度AD采样装置的引入，节约了成本。

附图说明

图1为本实用新型一种肌电采集装置优选实施例的结构框图；

图2为本实用新型一种肌电采集装置的电路连接图。

附图标记：110、前级跟随模块；120、第一电压跟随器；130、第二电压跟随器；140、前置放大模块；150、右腿驱动模块；160、带通滤波模块；170、二阶有源高通滤波器；180、二阶有源低通滤波器；190、后级放大模块；220、倍数切换模块；200、第一信号放大和电平抬升模块；210、第二信号放大和电平抬升模块；220、倍数切换模块；230、微处理器

具体实施方式

本实用新型提供一种肌电采集装置，为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清晰、明确，下面结合实施例及附图对本实用新型进一步详细说明，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

一种肌电采集装置，如图1所示，图1为本实用新型提供的肌电采集装置优选实施例的结构框图，其中所述肌电采集装置包括：第一电极和第二电极，采集人体肌电信号，第一电极与第一电压跟随器120电性相连，第二电极与第二电压跟随器130电性相连，第一电压跟随器120和第二电压跟随器130组成了前级跟随模块110；前级跟随模块110与前置放大模块140电性相连；前置放大模块140与右腿驱动模块150电性相连，右腿驱动模块150通过第三电极与人体电性相连；前置放大模块140同时与二阶有源高通滤波器170电性相连；二阶有源高通滤波器170与二阶有源低通滤波器180相连；而二阶有源高通滤波器170和二阶有源低通滤波器180组成带通滤波模块160；带通滤波模块160与后级放大模块190电性相连；后级放大模块190由第一信号放大和电平抬升模块200和第二信号放大和电平抬升模块210并联组成；后级放大模块190与倍数切换模块220电性相连；倍数切换模块220与微处理器230电性相连。

在前级跟随模块中，具体来说，如图2所示，第一电极与运算放大器U1A的同相输入端相连，运算放大器U1A的反相输入端与运算放大器U1A的输出端相连，组成第一电压跟随器，第二电极与运算放大器U1B的同相输入端相连，运算放大器U1B的反相输入端与运算放大器U1B的输出端相连，组成第二电压跟随器。第一电极采集到的肌电信号经过U1A组成的第一电压跟随器，第二电极采集到的肌电信号经过U1B组成的第二电压跟随器，实现人体信号采集与后端电路之间的隔离，提高电路前端差模输入阻抗；第一电压跟随器和第二电压跟随器组成前级跟随模块。

前置放大模块包括仪表放大器U2、运算放大器U7B、电阻R1、电阻R2、电阻R3和电容C1。其中，运算放大器U1A的输出端与仪表放大器U2的反相输入端相连，运算放大器U1B的输出端与仪表放大器U2的同相输入端相连，仪表放大器U2优选型号为AD8422。电阻R1分别与仪表放大器U2的增益设置脚1(例如：AD8422的第2脚)、运算放大器U3B的同相输入端和电阻R2相连，电阻R2分别与电阻R1、运算放大器U3B的同相输入端和仪表放大器U2的增益设置脚2(例如：AD8422的第3脚)相连，仪表放大器U2的输出端分别与电阻R3和电容C2相连，电阻R3的另一端分别与电容C1和运算放大器U7B的反相输入端相连，电容C1另一端分别与运算放大器U7B的输出端和仪表放大器U2的参考电压脚(例如：AD8422的第6脚)相连。前置放大模块将第一电压跟随器和第二电压跟随器传输过来的差分信号进行放大，并提取出信号中的共模信号成分，将共模信号传输到右腿驱动模块。通过调节电阻R1和电阻R2的阻值，可设定仪表放大器U2的放大倍数；运算放大器U7B、电容C1和电阻R3组成交流耦合电路，将差分输入信号中的低频噪声信号消除，提高电路的低频噪声抑制能力。

右腿驱动模块包括运算放大器U3B、运算放大器U3A、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电容C6和电容C7。其中，运算放大器U3B的同相输入端分别与电阻R1和电阻R2相连，运算放大器U3B的反相输入端与运算放大器U3B的输出端相连，运算放大器U3B的输出端与电阻R8相连，电阻R8的另一端与运算放大器U3A的反相输入端、电阻R9、电容C6相连，电阻C6的另一端和电阻R9的另一端相连后与运算放大器U3A的输出端、电容C7和电阻R10相连，电容C7另一端和电阻R10另一端同时与第三电极相连。从前置放大模块中提取出的共模信号，经过右腿驱动模块，将共模信号反相放大后的信号经过第三电极传输到人体，抵消电路前端的共模干扰信号，提高电路的共模抑制能力。

带通滤波模块包括二阶有源高通滤波器和二阶有源低通滤波器。

其中，二阶有源高通滤波器包括运算放大器U4B、电容C2、电容C3、电阻R6、电阻R7、电阻R4和电阻R5。电容C2与仪表放大器U2的输出端和电阻R3相连，电容C2的另一端与电容C3和电阻R7相连，电容C3的另一端与运算放大器U4B的同相输入端和电阻R6相连，电阻R6另一端接地，电阻R7另一端与运算放大器U4B的输出端相连，电阻R4一端接地，另一端与运算放大器U4B的反相输入端和电阻R5相连，电阻R5的另一端与运算放大器U4B的输出端相连。电容C2、电容C3、电阻R6和电阻R7决定高通滤波器的通频带下限，通过选择电容C2、电容C3、电阻R6和电阻R7的值，使通频带下限设定为低于20Hz；电阻R4和电阻R5决定二阶有源高通滤波器的放大倍数。

其中，二阶有源低通滤波器包括运算放大器U4A、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电容C4和电容C5。电阻R11一端与运算放大器U4B的输出端相连，电阻R11另一端与电阻R12和电容C5相连，电阻R12的另一端与电容C4和运算放大器U4A的同相输入端相连，电容C4另一端接地，电容C5另一端与运算放大器U4A的输出端相连，电阻R14一端与运算放大器U4A的输出端相连，电阻R14另一端与运算放大器U4A的反相输入端和电阻R13相连，电阻R13另一端接地。C4、C5、R11和R12决定低通滤波器的通频带上限，通过选择C4、C5、R11和R12的值，使通频带上限设定为高于500Hz；R13和R14决定二阶有源低通滤波器的放大倍数。

后级放大模块包括相互并联的第一信号放大和电平抬升模块与第二信号放大和电平抬升模块，第一信号放大和电平抬升模块与第二信号放大和电平抬升模块的放大倍数不同。小信号时，通过较大放大倍数的信号放大和电平抬升模块，可使信号放大更多，更利于微处理器对小信号进行信号AD采样，提高小信号的测量精度和分辨率；大信号时，通过较小放大倍数的信号放大和电平抬升模块，使信号在经过放大后到达微处理器时不会饱和，扩宽了电路的输入信号测量范围。

其中，第一信号放大和电平抬升模块包括电阻R15、电阻R16、电阻R17、电阻R18和运算放大器U5B。并且其中，电阻R15一端与运算放大器U4A输出端相连，电阻R15另一端与电阻R16和运算放大器U5B的同相输入端相连，电阻R16的另一端与参考电平VREF相连，电阻R18一端与运算放大器U5B的输出端相连，电阻R18另一端与运算放大器U5B的反相输入端和电阻R17相连，电阻R17另一端接地。通过第一信号放大和电平抬升模块，将带通滤波模块传输过来的信号与参考电平VREF叠加，使信号电平抬升，电阻R15、电阻R16、电阻R17和电阻R18决定信号的放大倍数。

第二信号放大和电平抬升模块包括电阻R21、电阻R22，电阻R19、电阻R20和运算放大器U5A。其中电阻R21一端与运算放大器U4A的输出端相连，电阻R21的另一端与电阻R22和运算放大器U5A的同相输入端相连，电阻R22的另一端与参考电平VREF相连，电阻R20一端与运算放大器U5A的输出端相连，电阻R20的另一端与电阻R19和运算放大器U5A的反相输入端相连，电阻R19的另一端接地。通过第二信号放大和电平抬升模块，将带通滤波模块传输过来的信号与参考电平VREF叠加，使信号电平抬升，电阻R19、电阻R20、电阻R21和电阻R22决定信号的放大倍数。

倍数切换模块包括模拟开关电路U6，其中运算放大器U5B的输出端与模拟开关电路U6的常开端相连，运算放大器U5A的输出端与模拟开关电路U6的常闭端相连，模拟开关电路U6的公共端与微处理器的ADC I/O口相连，模拟开关电路U6的数字控制端与微处理器的GPIO口相连。信号经过后级放大模块的信号传输至倍数切换模块，通过微处理器传输过来的数字控制信号控制开关的切换，控制选择将经过第一信号放大和电平抬升模块的信号传输到微处理器ADC I/O口，或控制选择将经过第二信号放大和电平抬升模块的信号传输到微处理器ADC I/O口。控制信号控制倍数切换模块的模拟开关快速切换，使不同倍数放大的信号能几乎同时的到达微处理器，选用一个微处理器的ADC I/O口即可实现不同放大倍数的信号采样。而常见的采用高精度AD采样装置由微处理器和一个高精度AD采样芯片组成，高精度AD采样芯片价格昂贵。本实用新型专利选用微处理器自带的ADC I/O即可实现与采用高精度AD采样装置相同精度的信号处理，大大节约了成本。

微处理器中的一个GPIO口与倍数切换模块U6的数字控制端相连，控制信号控制倍数切换模块的开关切换，一个ADC I/O口与倍数切换模块U6的公共端相连，对倍数切换模块传输过来的肌电信号进行AD采样，并对采样信号进行分析和处理。微处理器实时采样传输过来的肌电信号，通过对该信号与设计的放大范围区间进行比较，来决定哪一种放大倍数的信号为有效信号。比如，假定第一信号放大和电平抬升模块为较大放大倍数，第二信号放大和电平抬升模块为较小放大倍数，当倍数切换模块传输过来的肌电信号，通过微处理器分析，得出输入信号在经过第一信号放大和电平抬升模块的信号没有饱和，则表示输入的信号为小信号，微处理器将以第一信号放大和电平抬升模块的放大倍数对信号进行分析；若通过微处理器分析，得出输入信号在经过第一信号放大和电平抬升模块的信号饱和了，而经过第二信号放大和电平抬升模块的信号没有饱和，则以第二信号放大和电平抬升模块的放大倍数对信号进行分析。若后级放大模块为多种放大倍数的信号放大和电平抬升模块并联，则按照从最大放大倍数到最小放大倍数的顺序依次进行比对，来决定合适的放大倍数电路。通过对不同输入信号采用不同的放大倍数，提高了电路采样分辨率和精度，同时扩宽了输入信号的测量范围。

微处理器同时对AD采样的信号进行频率分析，将通频带20Hz～500Hz以外的无用信号和工频干扰频率附近的干扰信号滤除，使通频带上、下限的斜度做的更陡，滤除通频带外的干扰信号，同时使工频陷波器的陷波宽度做得更窄，减少有用信号的衰减。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种肌电采集装置，其特征在于，所述肌电采集装置包括采集电极，前级跟随模块，前置放大模块，右腿驱动模块，带通滤波模块，后级放大模块，倍数切换模块和微处理器，其中所述前级跟随模块分别与外部的采集电极和前置放大模块电性连接；所述的前置放大模块与右腿驱动模块和带通滤波模块电性连接；所述的右腿驱动模块与外部的右腿驱动电极电性连接；所述的带通滤波模块与后级放大模块电性连接；所述后级放大模块与倍数切换模块电性连接；所述的倍数切换模块还与微处理器电性连接。

2.根据权利要求1所述的肌电采集装置，其特征在于，其中采集电极包括第一电极和第二电极，前级跟随模块包括第一电压跟随器和第二电压跟随器，并且其中第一电极与第一电压跟随器电性相连，第二电极与第二电压跟随器电性相连，所述右腿驱动模块通过第三电极与人体电性相连。

3.根据权利要求1所述的肌电采集装置，其特征在于，所述带通滤波模块包括二阶有源高通滤波器和二阶有源低通滤波器，二阶有源高通滤波器与二阶有源低通滤波器相连，前置放大模块与二阶有源高通滤波器电性相连。

4.根据权利要求1所述的肌电采集装置，其特征在于，后级放大模块包括相互并联的第一信号放大和电平抬升模块和第二信号放大和电平抬升模块。

Images