表面肌電信號拾取的專用有源濾波器設(shè)計

引言

肌電信號是肌肉中運動單元動作電位（muap）在時間上和空間上的疊加，表面肌電信號則主要是淺層肌肉和神經(jīng)干上電活動的綜合效應(yīng)，相對于針電極emg，表面emg的研究具有無創(chuàng)傷、操作簡單的特性，它的應(yīng)用已經(jīng)深入到臨床醫(yī)學、運動醫(yī)學、生物醫(yī)學與工程等諸多領(lǐng)域。

然而人體皮膚表面的肌電信號很微弱、容易受到其他信號的干擾，因此需用濾波器對輸入信號進行濾波、放大才能得到有效且可識別的信號。由于表面肌電信號本身的特性，一般的濾波器無法得到好的處理效果，這就要求設(shè)計表現(xiàn)肌電信號拾取的專用濾波器。本文著重介紹這種專用濾波器的設(shè)計、性能，并與醫(yī)用濾波器vishee g16－24amp進行了比較。

濾波器的總體設(shè)計

表面肌電信號一般只有微伏級電壓，信號中往往夾帶著低頻（接近直流）和高頻的干擾信號，真正有用的肌電信號大致在10hz－500hz之間。除此之外，50hz的工頻信號也是一個重要的干擾源，如果不去除可能會掩蓋表面肌電信號，根據(jù)這些特殊要求，專用濾波器必須具有隔直、放大、濾波功能，并且要求具有高共模抑制比和好的抗干擾性。

隔直和放大電路

從表面電極檢測出的信號首先需進行隔直處理，然后才能進行放大。隔直和放大部分電路如圖1所示。

其中隔直部分為一階高通濾波器，其截止頻率為：

信號放大可分多級放大，但第一級必須有較大的大倍數(shù)。本設(shè)計中選用了低功耗、高精度、低噪聲放大器ad620。其增益計算公式為：

其中rg為管腳1和管腳8之間的電阻，g為增益值。由于表面肌電信號是微弱信號，為了避免其他信號的干擾，增益值要足夠大；但另一方面，增益值如果太大，可能在第一級就出現(xiàn)飽和，因此rg的值要選擇適當，以獲得適當?shù)脑鲆?。?jīng)試驗，本設(shè)計中令rg＝200ω，根據(jù)公式（2）計算得到g＝248。

為了進一步提高共模抑制比，本設(shè)計中還采用了共模反饋消除法。由u2a、c3、r3、r4、r5、r6構(gòu)成共模反饋電路，人體輸入的共模電壓被兩個阻值相等的電阻r5、r6檢測出來，經(jīng)過u2a將其倒相并反饋到人體上，使其共模電壓降低乃至抵消，從而減小了共模電壓的拾取。

此外，本設(shè)計的放大部分還采用了兩個反比例運算電路，如果想更改放大倍數(shù)只需改變輸入端電阻和反饋電阻的阻值即可。

陷波電路

50hz工頻信號對表面肌電信號的采集有很大的影響，它的頻率恰好在表面肌電信號能量集中的頻段，且其幅度比表面肌電信號大1－3個量級，因此必須除去。本設(shè)計中采用陷波器來濾除50hz的工頻信號。陷波器電路如圖2所示。

陷波器的中心頻率為：

陷波器參數(shù)的確定一方面通過計算，另一方面還要通過實驗檢測其濾波效果，本設(shè)計中r13取10kω，c9取0.33μf，根據(jù)公式（3）算得f為48hz，實際測得陷波器的中心頻率為49hz，滿足設(shè)計要求。

陷波器的品質(zhì)因素（q），決定濾波器的選擇性，高q對應(yīng)較窄的阻帶而低q對應(yīng)較寬的阻帶。本設(shè)計中由于只要求衰減50hz信號，其他頻率盡量保留，因此需要提高q值。圖2中放大器u3a將u2d的部分輸出信號反饋到網(wǎng)絡(luò)的縱臂，由于是正反饋，具有頻率增強作用，所以可使阻帶變窄，q值提高。q值的計算公式為：

式中f為電路反饋系數(shù)：

選取r18＝56kω，r17＝5.1kω，根據(jù)公式（4）、（5）可得f＝0.92，q＝3.125。這種陷波器電路能有效地濾除50hz工頻產(chǎn)生的干擾，而且q值的提高保證了有用信號不被衰減。

低通濾波電路

從整個系統(tǒng)來看，除了要抑制50hz工頻信號外，還應(yīng)限制高頻信號，這就要使用低通濾波器。最常用的全極點濾波器有巴特沃斯濾波器和切比雪夫濾波器。就靠近ω＝0處的幅頻特性而言，巴特沃斯濾波器比切比雪夫濾波器平直，即在頻率的低端巴特沃斯濾波器幅頻特性更接近理想情況。但在接近截止頻率和在阻帶內(nèi)，巴特沃斯濾波器則較切比雪夫濾波器差得多。本設(shè)計中要保證低頻信號不被衰減，而對高頻要求不高，因此選擇了巴特沃斯濾波器。同時考慮到本設(shè)計需要正反饋，所以選用了能產(chǎn)生正相增益的壓控電壓源濾波器（vcvs）。

本設(shè)計中選擇了兩組不同參數(shù)的元器件，來構(gòu)成兩個低通濾波電路。這樣濾波效果要比兩個參數(shù)相同的濾波電路的效果要好。各實用元件值如圖3、4所示。

此外，為了保證輸入高阻抗，輸出低阻抗，以及濾波的穩(wěn)定性，可以在電路中加入跟隨器。同時電路中還應(yīng)加入反比例運算電路以提高放大倍數(shù)。至此，濾波器設(shè)計基本完成。

濾波器的調(diào)試

在對本濾波器的調(diào)試時輸入了峰值電壓為20mv的正弦信號，為保證輸出的信號不飽和，將放大倍數(shù)定位為300倍，并在示波器上觀察輸出波形。

從實際波形看出該濾波器的50hz信號得到較大的衰減，并且阻帶較窄，從而使臨近頻率的信號得到保留。同時高頻信號也被衰減，而500hz以下的信號則衰減較少。從而滿足了本設(shè)計的要求。

本濾波器和visheeg16－24amp濾波器的比較

visheeg16－24amp是一種醫(yī)用心電信號放大器，性能穩(wěn)定，抗干擾性強。但通過實際實驗發(fā)現(xiàn)，visheeg16－24amp濾波器的選頻范圍較窄，信號在40hz以上的都被衰減，而表面肌電信號的有效信號范圍在10hz－500hz。如果使用visheeg16－24amp濾波器進行表面肌電信號的拾取，必然會損失大量有效信號，因此visheeg16－24amp濾波器并不適合用于表面肌電信號的拾取，必須使用本文設(shè)計的專用表面肌電信號濾波器。visheeg16－24amp濾波與表面肌電信號專用濾波器性能比較如表1所示。

結(jié)語

本文針對表面肌電信號的特性設(shè)計了專用的濾波器，基本能滿足表面肌電信號拾取的需要。此濾波器在工頻信號的處理上性能十分理想，但在高頻段信號的處理上還可以通過提高低通濾波器的階數(shù)加以改進。專用濾波器的設(shè)計還只是表面肌電信號研究的第一步，接下來要進行信號分析和特征提取。本文介紹的表面肌電信號專用有源濾波器設(shè)計為下一步信號處理打下了良好的基礎(chǔ)。