專利名稱：低成本多通道表面肌電放大模塊的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及動物肌肉神經(jīng)診斷和人體生物電采集與識別的模擬信號放大技術，也
涉及運算放大器的應用。
背景技術：
表面肌電放大模塊是一種封裝了模擬放大電路和獨立電源，能夠獨立放大表面肌電信號的裝置。隨著神經(jīng)醫(yī)學、運動與健康科學、康復工程的發(fā)展，人們越來越重視肌肉運動、肌肉功能疾病、運動神經(jīng)和神經(jīng)康復的檢測和識別。無痛和便攜式的表面肌電信號檢測是重要的醫(yī)學檢測方法之一，目前市場上對該類醫(yī)療診斷和治療儀器的需求增長較快，其中，放大表面肌電信號的生物電信號放大模塊是表面肌電信號檢測的重要部件之一。
近年來，有關這方面的新傳感器比較多。ZL200610039858.4報道了一種"數(shù)字式全隔離肌電信號放大降噪方法及其裝置"，該專利中雖然提出了生物電信號拾取器(參看該專利圖4)，即提出由模擬放大電路實現(xiàn)對表面肌電電極采集信號的放大，但是沒有具體說明模擬放大電路的方法和裝置。 ZL200720108473. 9報道了一種"二自由度肌電假手實時控制裝置"，采用初級放大電路置于拾電電極之后的方法對肌電信號進行模擬放大，初級放大電路采用常規(guī)的儀器放大器，具體參看該申請書的具體實施方式
，但是文件中也沒有具體說明模擬放大電路的方法和裝置。 ZL200910136532. 7報道了一種"表面肌電圖系統(tǒng)及其電極板"，該文件雖然介紹陣列式電極采集表面肌電信號的裝置并提出了電路的一級放大方法及其裝置，但是也并沒有具體說明模擬放大電路的方法和裝置，而且沒有提出多級放大的方法和裝置。此外，該專利申請內(nèi)容涉及的是陣列式電極，沒有涉及普通的、非陣列模式的多個電極信號的模擬放大方法及其裝置。 目前市場上可購買的表面肌電放大模塊主要是美國DELSYS公司和北京祥云計算機技術公司提供的產(chǎn)品。美國DELSYS公司整套出售帶有表面肌電放大模塊的肌電信號處理系統(tǒng)，市場價為IO萬人民幣以上，并且不零售表面肌電放大模塊。北京祥云計算機技術公司出售的表面肌電放大模塊的價格一般是1個通道(即1個表面肌電采集點)需要800元人民幣以上，而基本的人體表面肌電信號檢測需要數(shù)個到數(shù)十個通道，因此需要花費數(shù)千元到數(shù)萬元。表面肌電信號放大模塊是與表面肌電相關的肌電圖儀、醫(yī)學分析儀、肌電類家庭儀等儀器重要配件，目前表面肌電信號放大模塊的昂貴價格制約了其支撐的相關產(chǎn)品的普及化，而且也使得醫(yī)療與科研的成本較高。 本發(fā)明的目的，針對現(xiàn)有市場產(chǎn)品成本高的缺點，提供一種低成本的、專門用于放大表面肌電信號的放大模塊，其輸入端與表面肌電電極連接，其輸出端輸出被放大2000-3000倍的肌電信號，該信號可直接供數(shù)字電路或計算機進行數(shù)字濾波和信號分析。
本發(fā)明的目的通過以下方式實現(xiàn)。 本發(fā)明的低成本多通道表面肌電放大模塊，至少包括兩個獨立的單通道放大模塊，所有單通道放大模塊使用針腳插座安裝在同一個PCB總線底板上，每個單通道放大模塊輸入端通過總線底板分別與表面肌電電極及直流穩(wěn)壓電源接通，其特征在于，每個單通道放大模塊通過總線底板接口與電極輸出端連接，然后在單通道放大模塊內(nèi)部依次連接有緩沖電路、前級差分放大電路、雙T陷波電路、第二級放大電路、后級放大輸出電路和穩(wěn)壓電路，所述前級差分放大電路是1個能實現(xiàn)高輸入阻抗和高共模抑制比的AD620運算放大器；所述雙T陷波電路由一個帶有4路放大功能的LM324N放大器和一個可調電阻實現(xiàn)消除49. 5-50. 5Hz工頻干擾的陷波功能；所述第二級放大電路和后級放大輸出電路由一個帶有4路放大功能的LM324N放大器構成；所述穩(wěn)壓電路采用常規(guī)的穩(wěn)壓器和電容組成，給每個放大器的電壓輸入端提供5伏直流穩(wěn)壓電源。 在實際使用中，可以根據(jù)不同的使用需求，選擇不同數(shù)量的低成本單通道放大模塊，然后將每個模塊獨立封裝在一塊電路板上，再各自獨立地安插在多通道總線底板上集成使用。 當本發(fā)明的低成本多通道模塊正常工作時，每對電極的端部分別與人體所測部位緊密接觸，每對電極的導線分別對應地連接到多通道放大模塊的底板接口 ，通過底板的插座接口輸入到每個獨立的單通道放大模塊，經(jīng)緩沖電路輸出到前級差分運放電路，輸出雙端差動輸出信號。所述前級差分放大電路采用共模驅動技術，可避免阻容耦合電路中的阻、容元件參數(shù)不對稱導致的共模干擾轉換成差模干擾的情況發(fā)生。在前級放大之后，對信號進行雙T陷波，消除49. 5-50. 5赫茲的工頻干擾。信號經(jīng)過雙T陷波之后連續(xù)進入第2個LM324N放大器的第1路到第3路放大電路，最后輸出放大倍數(shù)為2000-3000倍的肌電信號。輸出的放大信號可以接入到其它數(shù)字電路或者計算機，采用比模擬濾波更高效的數(shù)字濾波方法獲取使用者所需要的特定頻率或者特定幅值的肌電信號。 本發(fā)明的低成本多通道表面肌電放大模塊，其肌電信號放大倍數(shù)等同于國內(nèi)外現(xiàn)有的同類產(chǎn)品的放大倍數(shù)(2000-3000倍)，但所用另部件的成本十分低廉，例如，本發(fā)明的前級差分放大電路中使用的AD620運算放大器，其市場價格僅為30元人民幣左右，陷波電路中使用的LM324N放大器的市場價格只有1元左右，加上PCB電路板、針腳插座及穩(wěn)壓電容等所有零部件在內(nèi)，則每個通道的材料成本共計約60-70元人民幣，遠遠地低于國內(nèi)外同類產(chǎn)品的每個通道800元人民幣的市場價格。 本發(fā)明的低成本多通道表面肌電放大模塊，由于每個單通道放大模塊單獨封裝，給檢測和維修提供了方便，同時，由于每個單通道放大模塊使用針腳插座安裝在同一個PCB總線底板上，即只要PCB總線底板足夠大，就能安裝足夠多的單通道放大模塊，以滿足各種不同使用場合的需要。由于其價格低廉，也有利于相關醫(yī)療產(chǎn)品的普及化。
下面通過實施例和附圖作進一步說明。


圖1是本發(fā)明的具有多通道表面肌電放大模塊實施例的整體電路結構框圖。 圖2是本發(fā)明的多通道表面肌電放大模塊底板的外電源接口示意圖。 圖3是本發(fā)明所述的底板接口與第1通道放大模塊連接的一種實施例示意圖。 圖4是本發(fā)明所述的第1通道放大模塊接口的一種實施例示意圖。 圖5是本發(fā)明所述的第1通道放大模塊的穩(wěn)壓電路的一種實施例示意圖。
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圖6是本發(fā)明所述的第1通道放大模塊的前級放大電路的一種實施例示意圖。 圖7是本發(fā)明所述的第1通道放大模塊的雙T陷波電路的一種實施例示意圖。 圖8是本發(fā)明所述的第1通道放大模塊的第二級放大電路的一種實施例示意圖。 圖9是本發(fā)明所述的第1通道放大模塊的后級放大輸出電路的一種實施例示意圖。 圖10a. b是本發(fā)明的多通道表面肌電放大模塊檢測手腕動作時的輸出信號圖。
具體實施方式
實施例 參見圖1，圖中表達了本發(fā)明多通道表面肌電放大模塊的整體結構框圖；所述多通道表面肌電放大模塊由每個獨立并且相同的單通道模塊并列構成；每個單通道模塊放大電路由電極和電源的輸入接口、緩沖電路、前級差分放大、雙T陷波、二級放大、后級放大輸出、穩(wěn)壓電路，共7部分組成；每個單通道模塊單獨封裝在一塊電路板上，以插拔方式連接在多通道底板上，便于獨立維護和更新；多通道底板(以下簡稱底板)對外接口包括每個單通道放大模塊的電極和電源輸入接口 、以及放大信號輸出接口 。 參見圖2，圖中表達了底板對外電源接口的連接方式，對外電源接口 l連接外部直流穩(wěn)壓電源(或者9伏干電池)的正極；對外電源接口 2連接外部直流穩(wěn)壓電源(或者9伏干電池)的負極；對外電源接口 3焊接在底板上并且與對外電源接口 2連接；對外電源接口 4焊接在底板上并且與對外電源接口 1連接。 參見圖3，圖中表達了底板對外信號接口、以及內(nèi)部與第1通道放大模塊的插座接口。其中底板對外接口具體如下對外信號接口 5連接被粘貼在人體皮膚表面的第l對電極的正極；對外信號接口 6連接被粘貼在人體皮膚表面的第1對電極的負極；對外信號接口 14連接被粘貼在人體皮膚表面的第1對電極的參考電極；對外信號接口 15輸出經(jīng)過單個通道放大模塊放大的肌電信號。底板內(nèi)部與第1通道放大模塊的插座接口具體如下插座接口 7連接對外電源接口 2 ;插座接口 8連接對外信號接口 14 ;插座接口 9連接對外信號接口 5 ;插座接口 IO連接對外信號接口 6 ;插座接口 ll連接對外信號接口 15 ;插座接口 12連接對外電源接口 1 ;插座接口 13連接對外電源接口 2。其它通道放大模塊與其對應的底板插座的實施方式與第1通道的實施方式相同。 參見圖4，圖中表達了第1通道放大模塊電路板上的接口與底板連接的一種實施例示意圖，其中該接口以插針的方式插接在底板的插座上。第l通道接口 16連接插座接口
13;第1通道接口 17連接插座接口 12;第1通道接口 18連接插座接口 ll;第l通道接口19連接插座接口 10 ;第1通道接口 20連接插座接口 9 ;第1通道接口 21連接插座接口 8 ;
第1通道接口 22連接插座接口 7。其它通道放大模塊與其對應的底板插座的實施方式與第
1通道的實施方式相同。 參見圖5，圖中表達了第1通道放大模塊的穩(wěn)壓電路的一種實施例示意圖。接口23連接第1通道接口 16 ;接口 24連接第1通道接口 17 ;穩(wěn)壓芯片7805DT的輸入端25連接接口 24 ;穩(wěn)壓芯片7805DT的輸出端26輸出5伏穩(wěn)壓電源；穩(wěn)壓芯片7805DT接地端27連接第1通道接口 16 ;接口 28輸出5伏穩(wěn)壓電源，供第1通道放大模塊電路內(nèi)各個放大器使用。其它通道放大模塊穩(wěn)壓電路的實施方式與第1通道的實施方式相同。
參見圖6，圖中表達了第1通道放大模塊的前級差分放大電路的一種實施例示意圖，其中接口 29連接第1通道接口 19 ;接口 30連接第1通道接口 20 ;電容31是實現(xiàn)緩沖電路功能；儀用放大器AD620的信號正極輸入端口 32輸入接口 30傳來的信號；儀用放大器AD620的信號負極輸入端口 33輸入接口 29傳來的信號；電源輸入端34和電源輸入端35都連接到接口 28 ;電路節(jié)點36連接第1通道接口 21 ;電路節(jié)點37輸出前級差分放大信號。其它通道放大模塊前級差分放大電路的實施方式與第l通道的實施方式相同。
參見圖7，圖中表達了第1通道放大模塊的雙T陷波電路的一種實施例示意圖。接口 38輸入端連接電路節(jié)點37 ;電源輸入端39連接接口 28 ;電壓跟隨電路40的作用是共模抑制和穩(wěn)壓信號，其使用第1個放大器LM324N的第1路放大電路；雙T陷波電路41的作用是抑制50Hz工頻干擾，其使用第1個放大器LM324N的第2路和第3路放大電路；信號輸出端42輸出經(jīng)過雙T陷波電路處理的放大信號。其它通道放大模塊的雙T陷波電路的實施方式與第1通道的實施方式相同。 參見圖8，圖中表達了第1通道放大模塊的第二級放大電路的一種實施例示意圖。輸入端43連接信號輸出端42 ;電源輸入端44連接接口 28 ;第二級放大電路45使用第2個放大器LM324N的第3路放大電路；電路節(jié)點46輸出放大信號。其它通道放大模塊的第二級放大電路的實施方式與第1通道的實施方式相同。 參見圖9，圖中表達了第l通道放大模塊的后級放大電路的一種實施例示意圖。輸入端47連接電路節(jié)點46 ;電源輸入端48連接接口 28 ;后級放大電路49使用第2個放大器LM324N的第1路放大電路；電壓跟隨電路50的作用是共模抑制和穩(wěn)定信號，其使用第2個放大器LM324N的第4路放大電路；信號輸出端51連接第1通道接口 18，輸出經(jīng)過3級放大的肌電信號。其它通道放大模塊的后級放大電路的實施方式與第l通道的實施方式相同。
參見圖10，圖中顯示了本發(fā)明實施例所述的多通道肌電放大模塊檢測手腕翻轉時手臂上的表面肌電信號。具體如下手臂水平伸直并且握拳，在手腕與肘關節(jié)的中間位置，依次按順序將4對電極粘貼在人體手臂的肱橈肌、尺側腕屈肌、橈側腕屈肌、伸指肌，將參考電極粘貼在手臂肘關節(jié)外側，采用4個通道依次檢測上述的4對電極的肌電信號。顯示器采用北京普源DS1052E數(shù)字示波器。即采用北京普源DS1052E數(shù)字示波器顯示第1通道對外信號接口 15的接口的輸出信號，其中，示波器探頭正極連接對外信號接口 15，示波器探頭接地極連接對外電源接口 2，其它單通道放大模塊的肌電信號顯示方法相同。圖中的橫坐標是信號的發(fā)生時間，每格2毫秒；縱坐標是信號的電壓幅值，每格40毫伏。每幅圖中都有兩條垂直狀點劃直線(與縱坐標平行)，如果將位于圖內(nèi)左側的一根稱為XI，位于圖內(nèi)右側的一根稱為X2，則從X1到X2是最大波峰-波谷的發(fā)生周期；每幅圖中還有垂直于縱軸的兩條水平狀點劃直線(與橫坐標平行)，如果將位于圖內(nèi)上面的一根稱為Yl，將位于圖內(nèi)下方的一根稱為Y2，則從Yl到Y2是最大波峰-波谷 幅值，即為激勵肌肉產(chǎn)生最大收縮力的最大肌電信號電壓。采用如下方法可分別計算出最大肌電信號的幅值和頻率幅值=(Yl-Y2)毫伏；頻率=1/(Xl-X2)赫茲。 (1)圖10a中是從上向下依次顯示握拳并且手腕向上翻轉時的4個通道的輸出信號，其中肱橈肌最大信號幅值是256毫伏、頻率135赫茲；尺側腕屈肌最大信號幅值是224毫伏、頻率96赫茲；橈側腕屈肌最大肌電信號幅值是208毫伏、頻率90赫茲；伸指肌最大肌電信號幅值是260毫伏、頻率104赫茲。從以上所列數(shù)據(jù)可以看出，與手背同平面的肱橈肌和手臂外側伸指肌的肌電信號幅值大，肌肉的收縮力大，因此手腕向上翻轉(即手腕向手背方向翻轉)。同時肱橈肌和伸指肌的肌電信號頻率高，即肌電信號激勵肌肉收縮的頻率高。 (2)圖10b中是從上向下依次顯示握拳并且手腕向下翻轉時的4個通道的輸出信號，其中肱橈肌最大肌電信號幅值是168毫伏、頻率100赫茲；尺側腕屈肌最大肌電信號幅值是1600毫伏、頻率81赫茲；橈側腕屈肌最大肌電信號幅值是216毫伏、頻率96赫茲；伸指肌最大肌電信號幅值是204毫伏、頻率86赫茲。從以上數(shù)據(jù)可以看出，與手掌同平面的尺側腕屈肌和手臂內(nèi)側的橈側腕屈肌的肌電信號幅值大，即肌肉的收縮力大，因此手腕向下翻轉(即手腕向手掌方向翻轉)。與手腕向上翻轉的情況不同，手腕向下翻轉時尺側腕屈肌最大肌電信號幅值是1600毫伏，是手腕向上翻轉時肱橈肌最大信號幅值256毫伏的6倍，這說明手腕向下翻轉的力量遠遠大于向上翻轉的力量；而手腕向下翻轉時尺側腕屈肌最大肌電信號頻率81赫茲，遠小于手腕向上翻轉時肱橈肌最大信號頻率135赫茲，這說明當手腕向下翻轉、使肌肉產(chǎn)生最大收縮力的肌電信號，其激勵肌肉收縮的頻率下降，即肌肉收縮力的穩(wěn)定性下降。 以上檢測結果表明本發(fā)明的多通道表面肌電放大模塊具有實際應用功能。
權利要求
一種低成本多通道表面肌電放大模塊，至少包括兩個獨立的單通道放大模塊，所有單通道放大模塊使用針腳插座安裝在同一個PCB總線底板上，每個單通道放大模塊輸入端通過總線底板分別與表面肌電電極及直流穩(wěn)壓電源接通，其特征在于，每個單通道放大模塊通過總線底板接口與電極輸出端連接，然后在單通道放大模塊內(nèi)部依次連接有緩沖電路、前級差分放大電路、雙T陷波電路、第二級放大電路、后級放大輸出電路和穩(wěn)壓電路；所述穩(wěn)壓電路給每個放大器的電壓輸入端提供5伏直流穩(wěn)壓電源。
2. 如權利要求1所述的每個單通道放大模塊，其特征在于，所述前級差分放大電路是1個能實現(xiàn)高輸入阻抗和高共模抑制比的AD620運算放大器。
3. 如權利要求1所述的每個單通道放大模塊，其特征在于，所述雙T陷波電路由一個帶有4路放大功能的LM324N放大器和一個可調電阻實現(xiàn)消除49. 5-50. 5Hz工頻干擾的陷波功能。
4. 如權利要求1所述的每個單通道放大模塊，其特征在于，所述第二級放大電路和后級放大輸出電路由一個帶有4路放大功能的LM324N放大器構成。
5. 如權利要求1所述的多通道放大模塊，其特征在于，每個單通道放大模塊都獨立封裝在一塊電路板上，然后各自獨立地安插在多通道總線底板上集成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種低成本多通道表面肌電放大模塊．本發(fā)明涉及動物肌肉神經(jīng)診斷和人體生物電采集與識別的模擬信號放大技術，也涉及運算放大器應用。它至少包括兩個獨立的安插在總線底板上的單通道放大模塊，每個模塊由緩沖電路、前級差分放大電路、雙T陷波電路、第二級放大電路、后級放大輸出電路、穩(wěn)壓電路構成；前級差分放大電路是高輸入阻抗的儀用放大器AD620；雙T陷波電路由帶有4路放大功能的LM324N放大器和可調電阻實現(xiàn)消除49.5-50.5Hz工頻干擾的陷波功能；第二級放大電路和后級放大輸出電路是1個有4路放大電路的LM324N放大器。本發(fā)明的每個單通道模塊單獨封裝，方便檢測維修。每個單通道模塊輸出信號放大倍數(shù)為2000-3000倍，等同現(xiàn)有國內(nèi)外同類產(chǎn)品，但成本僅60-70元，遠低于現(xiàn)市場800元左右價格，有利于相關產(chǎn)品普及和市場化。
文檔編號A61B5/0488GK101773393SQ20101004654
公開日2010年7月14日 申請日期2010年1月14日 優(yōu)先權日2010年1月14日
發(fā)明者孫玉蘋, 孫玉香, 宋全軍, 張強, 曹會彬, 朱旻, 王以俊, 葛運建, 馬婷婷 申請人:中國科學院合肥物質科學研究院