多通道有源柔性陣列電極與信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì).pdf

1、通過(guò)肌電、心電、腦電等電生理信號(hào)可實(shí)時(shí)了解人體的生理狀態(tài)，有助于對(duì)疾病進(jìn)行準(zhǔn)確的診斷和治療。表面肌電(sEMG，surface Electromyography)在臨床醫(yī)學(xué)中常被用于測(cè)量神經(jīng)傳導(dǎo)速率以輔助神經(jīng)肌肉系統(tǒng)疾病的診斷。因無(wú)痛苦、無(wú)創(chuàng)傷的檢測(cè)方式，其在運(yùn)動(dòng)康復(fù)、人機(jī)接口以及人體工程學(xué)等研究領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。在與表面肌電相關(guān)的臨床應(yīng)用和科學(xué)研究中，為獲取更為細(xì)致的時(shí)間和空間信息，對(duì)多通道、低噪聲、高抗干擾性能的表面肌電信號(hào)采

2、集提出了迫切需求。高密度電極陣列研制是近年來(lái)表面肌電采集設(shè)備的一個(gè)重要發(fā)展方向，而多通道微弱信號(hào)的高性能采集是其中的關(guān)鍵問(wèn)題。
　　本文以多通道sEMG信號(hào)采集裝置設(shè)計(jì)為主要研究方向。研制了一種基于聚酰亞胺柔性材料的有源柔性電極陣列，并為高性能sEMG采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)了與之對(duì)應(yīng)的多路信號(hào)調(diào)理電路和多路A/D轉(zhuǎn)換電路。通常多通道肌電采集系統(tǒng)，不僅可采集多通道的肌電信號(hào)，也可以采集心電、腦電等電生理信號(hào)。因此，本文又設(shè)計(jì)了一種便攜式心電監(jiān)

3、護(hù)模塊，包括心電信號(hào)雙極導(dǎo)聯(lián)測(cè)量方式，數(shù)字濾波和上位機(jī)的實(shí)時(shí)顯示功能等。
　　本文主要工作成果包括但不限于以下方面:
　　(1)柔性有源電極陣列設(shè)計(jì)及其信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)。從電極差分結(jié)構(gòu)、電極間距、噪聲抑制等方面考慮實(shí)現(xiàn)了兩種柔性有源電極陣列。針對(duì)電極皮膚接觸阻抗較大易引入工頻噪聲，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了兩種有源電極:單倍增益和多倍增益有源電極。根據(jù)電極間距、通道數(shù)的需求最終選擇單倍增益方式實(shí)現(xiàn)多通道的電極陣列設(shè)計(jì)。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)不平坦

4、區(qū)域每一通道電極與皮膚的良好接觸，采用聚酰亞胺實(shí)現(xiàn)柔性印刷電路板增強(qiáng)柔韌性。在獲取高質(zhì)量的sEMG信號(hào)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了更多通道的有源柔性電極陣列，實(shí)現(xiàn)了32通道單差分sEMG信號(hào)的輸出。根據(jù)sEMG信號(hào)幅度和帶寬范圍設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的多通道信號(hào)調(diào)理電路，主要包括由儀表放大器構(gòu)成了第一級(jí)放大濾波電路、由通用放大器構(gòu)成的多重反饋濾波電路和由集成模擬前端設(shè)計(jì)的多通道A/D轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn)了每通道約1500倍的信號(hào)放大、20～500Hz帶通濾波。
　

5、　(2)開(kāi)展了兩種不同的有源柔性電極陣列性能評(píng)估試驗(yàn)。試驗(yàn)一分別從信噪比、功率譜和噪聲均方根值比較有源柔性電極陣列與實(shí)驗(yàn)室原有設(shè)計(jì)的無(wú)源柔性電極陣列、彈簧針電極陣列所獲取的sEMG信號(hào)。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用有源方式設(shè)計(jì)可減小工頻噪聲和電極皮膚接觸阻抗對(duì)sEMG的影響，在皮膚表面不平坦區(qū)域采用柔性陣列可顯著提高sEMG信號(hào)質(zhì)量。試驗(yàn)二是具有32通道差分電極對(duì)的有源電極陣列與TMSi公司設(shè)計(jì)的64通道無(wú)源柔性電極陣列的性能對(duì)比試驗(yàn)。研究結(jié)果表

6、明，有源柔性電極陣列可獲取較高幅度的sEMG信號(hào)，而TMSI的64通道無(wú)源柔性電極陣列具有更小的基線噪聲。這可能是因?yàn)門MSI電極陣列使用了雙面膠和導(dǎo)電凝膠的緣故。
　　(3)便攜式心電監(jiān)護(hù)模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。針對(duì)個(gè)人醫(yī)療領(lǐng)域?qū)Ρ銛y式需求，心電模塊進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)處理。心電信號(hào)過(guò)采用雙極導(dǎo)聯(lián)方式進(jìn)行采集。電路設(shè)計(jì)包括信號(hào)放大濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換電路以及數(shù)據(jù)傳輸電路。軟件去噪方面使用簡(jiǎn)單而有效的Levkov濾波算法，因其計(jì)算量小且易于移