本發(fā)明屬于人體生物電信號檢測領(lǐng)域，尤其涉及一種便攜的高精度肌電信號采集裝置。

背景技術(shù)：

生物電信號指活細(xì)胞或者組織產(chǎn)生的、與生命狀態(tài)密切相關(guān)的、有規(guī)律的電信號。生物電信號自發(fā)現(xiàn)以來一直是科學(xué)研究的熱門領(lǐng)域，其最大的意義在于生物電信號作為人體各種生理參數(shù)的重要指標(biāo)，可通過對其的監(jiān)測及分析實現(xiàn)對人體的各部分機(jī)能及整體健康狀況的全方位較為準(zhǔn)確地掌控。

肌電信號作為人體重要的生物電信號之一，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域作為神經(jīng)系統(tǒng)檢查的延伸，被廣泛應(yīng)用在神經(jīng)科、康復(fù)科、骨科、職業(yè)病、運動醫(yī)學(xué)、精神科及兒科等方面，是組織化學(xué)、生物化學(xué)及基因檢測等技術(shù)不能取代的臨床客觀檢測手段。在康復(fù)醫(yī)療領(lǐng)域，肌電信號可以準(zhǔn)確的評判肌肉功能，判斷肌肉康復(fù)情況。在體育科學(xué)中，肌電信號在疲勞判定、運動技術(shù)合理性分析、肌纖維類型和無氧閾值的無損傷預(yù)測等方面均有重要作用。而利用肌電信號來控制假肢更是整個研究領(lǐng)域最為活躍的部分。利用剩余肌肉組織產(chǎn)生的肌電信號來識別使用者的動作意圖，生成相應(yīng)的控制指令控制假肢工作，實現(xiàn)了機(jī)電裝置和人體的信息集成和功能集成，具有十分重大的現(xiàn)實意義。

現(xiàn)有的肌電信號采集裝置有線傳輸肌電信號的居多，便攜性差；輸入阻抗低，信號損失大，抗50hz工頻信號干擾能力弱，信號采集時外界噪聲干擾很大，使得整體的采集精度不高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決以上問題，本發(fā)明的目的是提供一種便攜的高精度肌電信號采集裝置。該裝置將模擬電路和數(shù)字信號處理技術(shù)相結(jié)合，使得具有非常高的輸入阻抗以及共模抑制比，能夠有效抑噪聲干擾，使得采集的信號具有非常高的精度，并具有低功耗、便于攜帶的優(yōu)點，能夠很好的應(yīng)用于科學(xué)研究、可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域中。

一種便攜的高精度肌電信號采集裝置，其組成包括電源以及順次相連的肌電信號采集模塊、DSP及藍(lán)牙，所述電源分別與肌電信號采集模塊、藍(lán)牙連接；所述的肌電信號采集模塊包括順次相連接的表面電極，差分放大器，帶通濾波器，主放大器，電平抬高電路，高精度A/D以及隔離電路，用于實現(xiàn)對肌電信號的采集；所述的DSP利用數(shù)字處理方法實現(xiàn)對信號的數(shù)字信號處理以及對整個系統(tǒng)的控制，其中，數(shù)字信號處理包括對信號的帶通濾波、改進(jìn)的自適應(yīng)FIR工頻陷波器以及小波閾值去噪；所述的藍(lán)牙將信號發(fā)送到手機(jī)或PC中，用于實現(xiàn)對肌電信號的發(fā)送；所述的電源為整個裝置供電。

作為優(yōu)選，所述的表面電極由正電極片、負(fù)電極片以及參考電極片三個表面電極片構(gòu)成的三點式差動輸入電極。

作為優(yōu)選，所述的差分放大器采用三點式差動輸入，并設(shè)計有高頻低通濾波電路以及保護(hù)電路，具體包括電阻R1、電阻R2、電阻R3、電容C1、電容C2、電容C3、電容C4、電容C5、電容C6、電容C7、二極管D1、二極管D2、二極管D3、二極管D4及型號為AD620AR的運放器U1；所述電阻R1的一端是差分放大器的正輸入端，所述電阻R1的另一端分別與電容C1的一端、電容C2的一端、二極管D1的負(fù)極、二極管D3的正極、運放器U1的引腳2連接，所述電容C1的另一端接地，所述電容C2的另一端分別與電阻R2的一端、電容C3的一端、二極管D2的正極、二極管D4的負(fù)極、運放器U1的引腳3連接，所述電阻R2的另一端是差分放大器的負(fù)輸入端，所述電容C3的另一端接地，所述二極管D2的負(fù)極連接-5V電源，所述二極管D4的正極接+5V電源，所述二極管D1的正極接+5V電源，所述二極管D3的負(fù)極接-5V電源，所述運放器U1的引腳4分別與電容C7的一端、電容C5的一端、-5V電源連接，所述電容C7的另一端、電容C5的另一端均接地，所述運放器U1的引腳5接地，所述運放器U1的引腳7分別與電容C4的一端、電容C6的一端、+5V電源連接，所述電容C4的另一端、電容C6的另一端均接地，所述運放器U1的引腳1與電阻R3的一端，所述電阻R3的另一端與運放器U1的引腳8連接，所述運放器U1的引腳6是差分放大器的輸出端。

作為優(yōu)選，所述的帶通濾波器包括一個二階高通濾波器和一個二階低通濾波器串聯(lián)，所述的二階高通濾波器和二階低通濾波器均采用型號為AD8672AR的放大器。

作為優(yōu)選，所述的二階高通濾波器截止頻率為20Hz，所述的二階低通濾波器截止頻率為500Hz。

作為優(yōu)選，所述的主放大器采用高精低噪型號為OP07AH的運放，對信號進(jìn)行二級放大。

作為優(yōu)選，所述的電平抬高電路用于將采集信號電平抬高，方便A/D轉(zhuǎn)換，所述的電平抬高電路采用型號為AD8672AR的放大器。

作為優(yōu)選，所述的高精度A/D用于將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳輸?shù)胶笾玫乃龅腄SP中。

作為優(yōu)選，所述的隔離電路將模擬電路與數(shù)字電路隔離，防止其相互干擾。

有益效果：

借由上述方案，本發(fā)明提供一種便攜的高精度肌電信號采集裝置。該裝置將模擬電路和數(shù)字信號處理技術(shù)相結(jié)合，使得具有非常高的輸入阻抗以及共模抑制比，能夠有效抑噪聲干擾，使得采集的信號具有非常高的精度，并具有低功耗、便于攜帶的優(yōu)點，能夠很好的應(yīng)用于科學(xué)研究、可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域中。

附圖說明

圖1：為本發(fā)明的原理框圖。

圖2：為本發(fā)明的差分放大器電路圖。

圖3：為本發(fā)明的帶通濾波器電路圖。

圖4：為本發(fā)明的主放大器電路圖。

圖5：為本發(fā)明的電平抬高電路電路圖。

圖6：為本發(fā)明的DSP數(shù)字信號處理流程圖。

圖中，1-肌電信號采集模塊，2-DSP，3-藍(lán)牙，4-電源。

具體實施方式

上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚的了解本發(fā)明的技術(shù)的手段，并可依照說明書的內(nèi)容予以實施，以下本發(fā)明的較佳實施例并配合附圖詳細(xì)說明如后。

下面結(jié)合附圖和實施例,對本發(fā)明的具體實施方式進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。

請見圖1，本發(fā)明一較佳實施例所述的一種便攜的高精度肌電信號采集裝置，包括肌電信號采集模塊1，DSP2、藍(lán)牙3以及電源4。肌電信號采集模塊1與DSP2、藍(lán)牙3順次相連，實現(xiàn)對肌電信號的采集、數(shù)字處理及發(fā)送。電源4為整個裝置供電。

肌電信號采集模塊1包括順次相連接的表面電極，差分放大器，帶通濾波器，主放大器，電平抬高電路，高精度A/D以及隔離電路。DSP2負(fù)責(zé)對信號進(jìn)行數(shù)字處理并實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。藍(lán)牙3負(fù)責(zé)將信息傳送到手機(jī)或PC端。電源4采用可充電鋰電池，提供+5V和-5V電壓。

肌電信號采集模塊1中，表面電極由正電極片、負(fù)電極片以及參考電極片三個表面電極片構(gòu)成三點式差動輸入電極。差動輸入電極的正、負(fù)電極片放在所測肌肉的肌電信號最強區(qū)域，沿肌肉縱向放置。差動輸入電極的參考電極片放在人體無肌肉活動部位。由于人體皮下組織的阻抗較大，放大器的輸入阻抗較低，導(dǎo)致輸入信號減弱，并且很容易受到外界干擾。通過差動輸入，能夠有效地降低回路阻抗，提高電路的抗干擾能力，并有效地降低共模干擾。通過表面電極將生物體生化學(xué)活動的離子電位轉(zhuǎn)換為電子電位，并將其傳至后續(xù)電路，實現(xiàn)對肌電信號的采集。

請見圖2，本發(fā)明的差分放大器采用三點式差動輸入，并設(shè)計有高頻低通濾波電路以及保護(hù)電路，實現(xiàn)肌電信號的拾起和第一級放大。所述的差分放大器具體包括電阻R1、電阻R2、電阻R3、電容C1、電容C2、電容C3、電容C4、電容C5、電容C6、電容C7、二極管D1、二極管D2、二極管D3、二極管D4及型號為AD620AR的運放器U1；所述電阻R1的一端是差分放大器的正輸入端，所述電阻R1的另一端分別與電容C1的一端、電容C2的一端、二極管D1的負(fù)極、二極管D3的正極、運放器U1的引腳2連接，所述電容C1的另一端接地，所述電容C2的另一端分別與電阻R2的一端、電容C3的一端、二極管D2的正極、二極管D4的負(fù)極、運放器U1的引腳3連接，所述電阻R2的另一端是差分放大器的負(fù)輸入端，所述電容C3的另一端接地，所述二極管D2的負(fù)極連接-5V電源，所述二極管D4的正極接+5V電源，所述二極管D1的正極接+5V電源，所述二極管D3的負(fù)極接-5V電源，所述運放器U1的引腳4分別與電容C7的一端、電容C5的一端、-5V電源連接，所述電容C7的另一端、電容C5的另一端均接地，所述運放器U1的引腳5接地，所述運放器U1的引腳7分別與電容C4的一端、電容C6的一端、+5V電源連接，所述電容C4的另一端、電容C6的另一端均接地，所述運放器U1的引腳1與電阻R3的一端，所述電阻R3的另一端與運放器U1的引腳8連接，所述運放器U1的引腳6是差分放大器的輸出端。電阻R1、電容C1，電阻R2、電容C3分別構(gòu)成RC電路，防止環(huán)境中的高頻脈沖干擾電路。二極管D1、二極管D2、二極管D3、二極管D4四個二極管起保護(hù)作用，防止脈沖幅值過高損壞運放，并提高放大精度。電容C4、電容C5、電容C6、電容C7能夠有效抑制零點漂移，提高運放精度。由于人體皮下組織的阻抗很大，因此采用具有較大輸入阻抗的儀表運放（如AD620AR）以此來獲得較大的輸入信號。同時，該運放的具有很高的共模抑制比和很低的失調(diào)電壓，能夠有效地抑制零漂以及噪聲。運放輸入之前設(shè)計有RC電路，防止環(huán)境中的高頻脈沖干擾電路。四個高頻二極管起保護(hù)作用，防止脈沖幅值過高損壞運放，并提高了運放精度。為了減少噪聲，第一級放大只放大5倍。

作為優(yōu)選，電阻R1阻值為1kΩ、電阻R2阻值為1kΩ、電阻R3阻值為12kΩ、電容C1容值為39pF、電容C2容值為200pF、電容C3容值為39pF、電容C4容值為100nF、電容C5容值為100nF、電容C6容值為22uF、電容C7容值為22uF、二極管D1、二極管D2、二極管D3、二極管D4的型號均為1N4148。

請見圖3，本發(fā)明的帶通濾波器電路包括一個二階的高通濾波器和一個二階的低通濾波器串聯(lián)，所述的二階高通濾波器和二階低通濾波器均采用型號為AD8672AR的放大器。由于肌電信號的有效信息在20Hz到500Hz以內(nèi)，因此二階高通濾波器的截止頻率為20Hz，二階低通濾波器的截止頻率為500Hz。

請見圖4：本發(fā)明利用主放大器對肌電信號進(jìn)行二級放大，采用高精度低噪聲型號為OP07AH的運放，有效降低噪聲干擾。

請見圖5：所述的電平抬高電路用于將采集信號電平抬高，方便A/D轉(zhuǎn)換，所述的電平抬高電路采用型號為AD8672AR的放大器。為了方便高精度A/D的模數(shù)轉(zhuǎn)換，需要將采集到的信號進(jìn)行抬高，避免出現(xiàn)負(fù)電壓的情況。

為了滿足科學(xué)研究以及醫(yī)療健康應(yīng)用的需要，本發(fā)明采用了高精度的A/D，將前置電路采集到的模擬信號模數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送至DSP2內(nèi)。

為了防止模擬信號與數(shù)字信號相互干擾，在高精度A/D與DSP2之間設(shè)置了隔離電路。

請見圖6：單純使用模擬電路來對肌電信號進(jìn)行處理，電路的性能有限，所得的信號精度不高，含有較大的噪聲，并不能滿足高精度的需求。如果想通過提高模擬電路的性能來實現(xiàn)高精度，所需要的電路更加復(fù)雜，并且會影響到裝置的便攜性和功耗，還會引入其他噪聲的干擾。因此本裝置引入了DSP2，利用DSP2強大的數(shù)字信號處理能力，代替復(fù)雜的電路設(shè)計，大大提高了裝置采集的精度和性能。DSP2中數(shù)字信號處理包括順次的帶通濾波、改進(jìn)的自適應(yīng)FIR工頻陷波器，小波閾值去噪，使得采集到的信號具有很好的實時性以及高精度的特點。利用數(shù)字的所述的帶通濾波實現(xiàn)對于信號頻譜的再一次精確選擇。利用所述的改進(jìn)的自適應(yīng)FIR工頻陷波器濾除電路中50Hz工頻干擾。利用所述的小波閾值去噪實現(xiàn)對環(huán)境中噪聲的有效濾出。

所述的帶通濾波通頻帶依舊為20Hz~500Hz，使得整個的濾波效果更好。

由于外界電場、電磁場的影響和作用，是人體表面有感應(yīng)電勢的存在，在日常生活和實驗室條件下，這種感應(yīng)電勢通常表現(xiàn)為50Hz工頻干擾。由于工頻干擾的幅度相對于肌電信號大很多，因此需要使用工頻陷波來減少這種噪聲的干擾。如果使用模擬的陷波電路，電路成本高，對于50Hz的陷波效果差，因此采用數(shù)字陷波器。通過設(shè)計的改進(jìn)的自適應(yīng)FIR陷波器，能夠很好地濾除50Hz的工頻干擾。

在肌電信號采集過程中，不可避免的會引入噪聲污染信號。例如白噪聲等隨機(jī)噪聲。因此設(shè)計了小波閾值濾波。通過小波的多層分解對小波系數(shù)進(jìn)行削切、閾值處理等非線性處理，以此達(dá)到濾出噪聲的目的。這種方法具有低熵性、多分辨率、去相關(guān)性和選基靈活的特點，能夠在一定程度上避免一般的低通濾波器濾波時造成的信號突變部分模糊的問題。

借由上述方案，本發(fā)明提供一種便攜的高精度肌電信號采集裝置。該裝置將模擬電路和數(shù)字信號處理技術(shù)相結(jié)合，使得具有非常高的輸入阻抗以及共模抑制比，能夠有效抑噪聲干擾，使得采集的信號具有非常高的精度，并具有低功耗、便于攜帶的優(yōu)點，能夠很好的應(yīng)用于科學(xué)研究、可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域中。

以上僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，因此，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。