交流肌电测试报告.docx

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交流肌电测试报告

220V交流供电的肌电测量仪

一．概述

1.设计目的

本设计主要用于室内、临床的肌电监控和检测。

通过表面电机对皮肤表面微小肌电信号进行拾取，再经过放大，滤波等处理过程得到连续稳定的、能在示波器上显示的较大的肌电信号，辅助医疗人员随时掌握病人的生理状况。

2.肌电信号的重要性

肌肉的活动是一种快速的电活动，主要用于判定神经肌肉的功能状态，协助对运动神经疾病进行诊断，被广泛应用于神经科、骨科、耳鼻喉科及口腔科，有巨大的临床意义。

在人们日益追求高品质的生活的现代，肌电信号除了在临床的疾病检测中的重大的作用外，更广泛的应用于各行各业中，如运动员的身体状态的监护，肌电控制的假肢的制造等，特别是肌电控制的假肢，可以部分实现真正肢体的功能，前景为大多数人所看好。

3.肌电信号的特点

人体的肌肉纤维浸泡在导电性能良好的组织液中，肌纤维本身又是很好的导体，所以任何部位的动作电位都在周围产生电场。

所记录下来的肌电波形，并不是单根肌纤维的电活动，而是许多肌纤维电场在空间和时间上的叠加。

肌电活动是一种快速的点位变化，它的振幅范围为20uV~5mV，频率范围为2Hz~10kHz（上限一般取5kHz即可）。

运动单元是肌肉活动的最小单位，它由一个运动神经元以及它的轴突所支配的一组纤维组成。

不同的肌肉组织，一个运动单元所支配的肌纤维的数量不同，且差异很大。

一个运动单元在整块肌肉组织上占据一定的区域，其直径可达几个毫米。

正常肌肉在完全方法放松时没有电活动，称为电静息。

当肌肉正常收缩时，出现的动作电位称为运动单位电位。

由于针电极的面积相对很小，所以肌电图记录的运动单元电压是部分运动单位的电活动的总和，其波形受到多种因素影响，包括记录到的肌纤维数目，肌纤维的电场在时间和空间上的分布以及记录电极和终板区域的位置关系等。

单一运动单位的电位形状，可因疾病而有显著的变化。

在周围神经发生病变是，肌肉经常会发生部分失神经状态，但随之而来的是神经的再生。

再生神经纤维的传导速度，比健康状况下的传导速度慢得多。

另外，在许多周围神经病变中，神经元的可兴奋性有了改变，神经元的可兴奋性有了改变，神经传导速度将普遍减慢。

结果导致神经冲动难以激发，即使被激发，此冲动也难以到达肌肉，则在肌电图上将引起散步和同步破坏现象。

肌电图可以为骨骼肌及其神经支配的生理状况提供重要的信息。

当运动单位发生各种病理变化时，均会出现异常肌电图波形。

根据神经肌电活动的变化可以确定病变来自哪个部位、形状和病变程度等，对病理过程不同的各种疾病做出区别，以供诊断。

一般用体表法和微电极插入法记录肌电图。

体表记录肌电图比较方便简单，但不能记录深部肌肉的电位。

同时，在记录体表肌电时，很容易受到其他体表信号的影响。

在记录深部肌肉或者某一运动电位的肌电图时，常采用单极、双极或者多极的插入式电极来记录肌肉的一个小区域的局部电活动。

肌电信号的幅度范围为0~10mV（峰峰值），有用信号的频率范围被限制在0~500Hz，并且肌电信号能量主要集中在50~150Hz范围内。

下图显示了一个表面肌电信号和其功率谱。

二．总体设计

1.肌电检测仪的要求

在肌电检测仪的设计中，必须注意增益、频带和输入阻抗三方面。

在增益方面，由于常规肌电图的幅值一般位于0.1-2mV之间，设计电路最后的输出范围为-10V-10V，所以设计整个放大电路的基本增益为4000。

加上增益控制电路，使增益在一定范围内可调。

肌电信号的频率范围一般认为位于10Hz～10KHz,为了取得更好的滤波效果，本设计采用多级多次的滤波办法，即在信号处理的几个不同环节中都加上滤波器，这样做的另一个好处是较早的抑制了极化电压的影响，避免了运算放大器饱和等可能的干扰因素。

肌电测量要求的阻抗相对较高，一般来讲大于100MΩ，在本试验中，用跟随器来增加输入阻抗，另外在信号拾取电路中采用大电阻来构成无源滤波器也能起到一定的增大输入阻抗的作用。

另外就是噪声和干扰的抑制问题了，这将在后面的环节中具体介绍，在此就不一一叙述了。

本次试验中，基本保留了设计报告中的设计和参数，但仍有许多地方做了改动，以达到更好的试验效果。

1.总体参数预设

综合以上所说的各项指标，在此设计中一些基本参数如下表所示：

幅值

所选增益

频率范围

0.1-2mV

3～5000

10Hz-1000Hz

2．总体的框架图

本次设计的总体框架如下图所示：

本来不准备采用50Hz陷波器，但实际效果并不好，所以在此还是加上了50Hz陷波器。

三．单元电路

1）电极

表面肌电信号是一种很微弱的生理电现象。

早先，为了获得稳定的肌电信号，一般采用针电极（插入对应的肌肉部位）。

近年来，随着检测技术和信号处理手段的进步，研究如何用表面EMG信号代替针电极EMG进行全面临床无损诊断，已经成为医学和生物医学界研究的热点之一。

表面电极测量一般会带来比较明显的工频干扰，一般用工频陷波器来滤除。

本设计电极采用Ag／AgCl表面电极，它的极化电压很小，能很快稳定下来，有利于肌电信号的检测。

2）信号拾取电路

其中电阻R3=R4＝10MΩ

电容C3=C4=0.016μF预期截至频率为10Hz

A1、A2为普通的LF347

3）前置放大电路

.

该电路由5部分构成：

并联型双运放仪器放大器，阻容耦合电路，右腿驱动电路由集成仪用放大器构成的后继放大器和共模信号取样电路。

并联型双运放仪器放大器的优点是不需要精密的匹配电阻，理论上它的共模抑制比为无穷大，且与其外围电阻的匹配程度无关。

集成仪用放大器将由并联型双运放仪器放大器输出的双端差动信号转变为单端输出信号，并采用阻容耦合电路隔离直流信号，可以使集成仪用放大器取得较高的查摸增益，从而得到很高的共模抑制比。

共模取样驱动电路由两个等值电阻和一只由运放构成的跟随器构成，能够使共模信号不经阻容耦合电路的分压直接加在集成放大器的输入端，避免了由于阻容耦合电路的不匹配而降低电路整体的共模抑制比。

此电路中也采用了右腿驱动电路来抑制位移电流的影响。

前置放大电路参数选择：

此部分总的增益取为1000，其中并联型双运放仪器放大器的增益为5，集成仪用放大器的增益为200。

具体参数如下，

1并联型双运放仪器放大器的增益为5，由于A=

所以取:

R5=R6＝10kΩ，Rw=5kΩ

2右腿驱动参数选择：

取RF=10MΩ

RO=5MΩ

R1=10KΩ

3共模驱动电路和并联型双运放仪器放大器采用LM324即可。

4集成仪用放大器构成的后继放大器的选择：

对集成仪用放大器的要求是：

首先噪声要小，精度要高，还要有较大的共模抑制比和较高的输入阻抗。

有MAX4194和AD620两种方案可供选择，现将两种芯片比较如下：

前置放大电路选择仪用放大器AD620其特点是：

（1）单电阻设置增益范围（1~1000）；

（2）宽工作电压：

±2.3V~±18V；

（3）低功耗。

I最大可达1.3mA；

（4）输入失调电压小，为50μV；

（5）输入失调漂移最大为0.6μV/℃；

（6）共模抑制比＞100dB当G=100时可达130dB；

（7）偏置电流为0.5nA；

（8）低噪声。

峰峰值＜0.28μV（0.1Hz~10Hz）；

（9）带宽120kHz（G=100时）基本满足脑电放大前置电路的要求。

其管脚图为：

另一方案MAX4194的工作电压为±3V，可变增益，具有轨-轨特性高精度。

但与AD620相比共模抑制比较小，MAX4194只有95dB，且AD620工作电压范围大，考虑到此处设计的是220V交流电源供电的所以一般应选择AD620，但考虑到客观因素的影响，所以也列为一种备选方案。

MAX4194内部电路图及管脚图如下：

AD620中由RG=

可得RG=248.2Ω

MAX4194中由AG=1+

可得RG=505Ω

最终选用了AD620作为集成仪用放大器，实际选取RG=250Ω

4）光电耦合电路

因为是220V交流供电，所以用光电耦合来提高系统的安全性，其原理图为：

其中R1=R2=1KΩ

R2=360Ω

基本实现1：

1传输。

5）滤波电路

截止频率为1000Hz，无增益，采用五阶切比雪夫滤波器，由归一化公式C=

R=R'×Z并查表得R'、C'值，可取以下参数值：

C1=0.0528μF

C2=0.109μF

C3=0.00483μF

C4=0.151μF

C5=0.00182μF

R1=R2＝R3=10kΩ

6）后级放大（增益控制）电路

这里采用小放大倍率的反相放大器，并起到增益调节的功能。

增益控制电路参数选择：

此处的基本增益为4，可调范围为3～5，由公式A=

可选取以下参数：

R11=1kΩ

R12=3kΩ

R13=2kΩ

7）陷波器

其中R=30kΩ

C=0.1μF

8）电源部分

由于使用交流供电，所以用直流稳压电路将220V交流电变为直流电源，为光电耦合器件后的电路供电，再用此直流电源经过DC-DC器件变压后为光电耦合器件前的运放和仪用放大器供电，从而实现隔离。

直流稳压电路电路图为：

DC-DC器件可采用AD667，输入电压为3.5-16.5V，输出电压为5V和可调节。

其其内部电路图及管脚图如下：

8）电路中的抗干扰和噪声措施：

1导联线采用屏蔽电缆，以抑制50Hz公频和高频干扰

2采用高频滤波电路，以抑制高频电磁波干扰

3前置放大电路采用一种高性能的生物电前置放大电路，产生高共模抑制比和高输入阻抗，加之其中的阻容耦合电路和共模驱动电路，充分抑制了50Hz干扰和极化电压，并避免了共模干扰变差模干扰的问题，

4采用光电耦合电路，以抑制50Hz泄漏电流干扰和电场干扰，保护人体安全

5采用了高性能的仪用放大器和运算放大器，降低噪声

四整体测试结果

1.无源高通滤波器

截至频率为12.27Hz。

基本能够起到隔直和初步滤波的效果。

2.前置放大器：

输入噪声：

Vin=Vo/K，

Vin=17/1000=0.017mV

静态工作点：

Va=8mV，Vb=12mV，Vo=17mV

差模增益：

将前置放大器输入端一端接地，一端接20.3mV，200HZ的电压，用示波器观察AD620的输出端电压，为21.28V.

可得Ad=Vod/Vi=1048.3

共模增益：

将前置放大器两输入端均接2V、50HZ的正弦信号，用示波器观察输出波形并记录Voc的幅值为24mV，得到共模增益：

Ac=24mV/2V=0.012

由上面测得的数据可得：

前置放大器的共模抑制比CMRR=20lgAd/Ac=98.83dB

零点漂移：

将放大器的输入端对地短接，相隔十分钟，用示波器观察输出波形变化并计算。

零点漂移=|Vo1-Vo2/Kh|=1mA/（1048.3*0.15）=0.00626mV/h

3.有源五阶低通滤波器

输入为2V的正弦波A=Vo/Vi

F（HZ）

500

700

900

1000

1010

1100

1300

A

1.0

0.99

1.05

0.75

0.707

0.21

0.03

可知截止频率在1000左右，符合设计要求。

4.陷波器：

陷波范围48.02-53.34Hz

在中心频率为49.9Hz时陷波深度为-20.3dB

5.光电隔离

输入幅值为1V，测得输出电压0.96V

放大倍数约为一倍。

6.后置放大电路：

当输入电压幅值为1V时，调节滑动变阻器，可得输出电压的幅值为3～5V。

是的后置放大的倍数为3～5倍。

符合最初设计。

7.总体的一些参数

1）输入阻抗：

输出端接地，用万用表测量输入阻抗

单端阻抗为23MΩ双端阻抗为48MΩ、

2）输出阻抗：

将输入端接地，输出端窜接一个小电阻，利用分压法测量两次可测得输出阻抗为31Ω。

3）带宽：

测得带宽为：

12.30～1008Hz

五．总结与体会

试验中，修改了原设计中的许多部分，有些是因为原设计难以在实际中实现，有些是因为参数匹配的问题而对电路进行的调整。

另外，由于实验室中电容、电阻并不能和设计完全符合，所以只能用相近的代替，又由于器件本身的误差，所以器件的匹配是较难把握的问题。

并因此导致了一些误差和噪声。

所以，总体来说，实际的试验操作与电子设计还是有着很大的区别，通过这次试验我们有了更好的体会！