專利名稱：表面肌電圖系統(tǒng)及其電極板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種醫(yī)療診斷裝置，尤其涉及一種肌電圖系統(tǒng)及其電極板。
背景技術(shù)：
肌電圖(Electromyogram， EMG)是應(yīng)用電子學(xué)儀器記錄肌肉靜止或收縮 時(shí)的電活動(dòng)，及應(yīng)用電刺激檢查神經(jīng)、肌肉興奮及傳導(dǎo)功能的方法。利用 肌電圖裝置對(duì)由肌肉產(chǎn)生的電位進(jìn)行測(cè)量和記錄，從而獲得描繪肌肉電活 動(dòng)的肌電圖。
表面肌電圖(Surface Electromyogram， sEMG)是從皮膚表面檢測(cè)相應(yīng) 位置內(nèi)部肌肉肌電圖的方法，這種方法與傳統(tǒng)的針電極EMG相比，具有無(wú) 痛苦無(wú)損傷的優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)有技術(shù)提出一種運(yùn)用陣列式電極采集表面肌電信號(hào) 的裝置，該裝置可以直接放置在皮膚表面，通過(guò)以多個(gè)電極組成陣列來(lái)形 成電極陣列，每個(gè)電極采集對(duì)應(yīng)皮膚位置的電位。如圖1所示，通過(guò)空間 濾波方法對(duì)利用多個(gè)電極陣列l(wèi)采集的多個(gè)電位疊加，從而獲得具有更好 肌肉運(yùn)動(dòng)單位分辨能力的表面肌電信號(hào)。
在現(xiàn)有技術(shù)中，通過(guò)電極陣列采集的多個(gè)表面肌電信號(hào)首先通過(guò)放大 電路進(jìn)行放大處理，以滿足對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)采集卡的采集要求。然后將數(shù)據(jù)采集 卡輸出的數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)裝置中進(jìn)行空間濾波。但是，由于采集表面肌 電信號(hào)的電極陣列需要通過(guò)電纜與放大電路連接，在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)電纜傳 輸?shù)母咦杩沟谋砻婕‰娦盘?hào)會(huì)受到空間電磁場(chǎng)和工頻交流電的干擾，這種 干擾從而影響了最終獲取的表面肌電信號(hào)的質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的旨在至少解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述問(wèn)題之一。
為此，本發(fā)明的實(shí)施例提出一種能夠提高表面肌電信號(hào)質(zhì)量的表面肌電圖裝置及其電極板。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種表面肌電圖系統(tǒng)，所述表面肌電
圖系統(tǒng)包括電極板，所述電極板上設(shè)置有電極陣列與第一放大和濾波電
路，其中所述電極陣列采集每個(gè)電極對(duì)應(yīng)的皮膚位置的電位，所述第一放
行放大和濾波，以分別獲得多個(gè)具有第 一放大倍數(shù)的低阻抗表面肌電信號(hào)； 與所述電極板輸出端電連接的信號(hào)調(diào)理板，所述信號(hào)調(diào)理板上設(shè)置有分別 對(duì)所述低阻抗表面肌電信號(hào)進(jìn)行放大和濾波的第二放大和濾波電路，以獲 得多個(gè)具有第二放大倍數(shù)的表面肌電信號(hào)；與所述信號(hào)調(diào)理板輸出端電連 接的數(shù)據(jù)采集裝置，以采集所述第二放大倍數(shù)的表面肌電信號(hào)并轉(zhuǎn)換為對(duì) 應(yīng)的數(shù)字信號(hào)；和空間濾波裝置，利用所述數(shù)字信號(hào)將所述電極陣列對(duì)應(yīng) 的表面肌電信號(hào)進(jìn)行空間濾波。
根據(jù)本發(fā)明進(jìn)一步的實(shí)施例，所述第一放大和濾波電路包括高通濾波 單元、差分放大器以及低通濾波單元，所述高通濾波單元的兩端連接到所 述差分放大器的兩個(gè)增益調(diào)整端，所述低通濾波單元與所述差分放大器的 輸出端連接。所述高通濾波單元包括串聯(lián)的電阻和電容。所述低通濾波單 元包括串聯(lián)的電阻和電容，其中所述電阻一端與所述差分放大器的輸出端 連接，所述第一放大和濾波電路的輸出端連接在所述電阻的另一端和所述 電容一端之間，所述電容的另一端接地。
根據(jù)本發(fā)明進(jìn)一步的實(shí)施例，所述第二放大和濾波電路包括第一電阻、 第一電容、第二電阻、第二電容以及運(yùn)算放大器，所述第一電阻和所述第 一電容串聯(lián)連接到所述運(yùn)算放大器的反相輸入端，所述第二電阻連接在所 述運(yùn)算放大器的反相輸入端與輸出端之間，以及所述第二電容與串聯(lián)連接 的所述第一電容和第二電阻并聯(lián)。
根據(jù)本發(fā)明進(jìn)一步的實(shí)施例，所述電極板為多層印刷電路板，所述多 層印刷電路板的頂層焊接有所述第一放大和濾波電路，所述多層印刷電路 板的底層上設(shè)置有所述電極陣列，以及所述多層印刷電路板的中間層設(shè)置 有向所述第一放大和濾波電路供電的正負(fù)電源線路。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提出了一種采集表面肌電信號(hào)的電極板，包
6括設(shè)置在所述電極板上的電極陣列，所述電極陣列采集每個(gè)電極對(duì)應(yīng)的
位之間的差值進(jìn)行放大和濾波，以分別獲得多個(gè)具有低阻抗表面肌電信號(hào)。 根據(jù)本發(fā)明進(jìn)一步的實(shí)施例，所述電極板為多層印刷電路板，所述多 層印刷電路板的頂層焊接有所述放大和濾波電路，所述多層印刷電路板的 底層上設(shè)置有所述電極陣列，以及所述多層印刷電路板的中間層設(shè)置有向 所述放大和濾波電路供電的電源線路及所述放大和濾波電路的輸出信號(hào)走 線。
根據(jù)本發(fā)明進(jìn)一步的實(shí)施例，所述放大和濾波電路包括高通濾波單元、 差分放大器以及低通濾波單元，所述高通濾波單元與所述差分放大器的兩 個(gè)增益調(diào)整端并聯(lián)，所述低通濾波單元與所述差分放大器的輸出端連接。
本發(fā)明通過(guò)將表面肌電陣列電極以及放大和濾波電路封裝在 一起，從 而可以避免采集的高阻抗表面肌電信號(hào)通過(guò)電纜傳輸，從而抑制空間電磁 場(chǎng)和工頻交流電對(duì)采集信號(hào)的干擾，從皮膚表面獲取高質(zhì)量、低噪聲的多 點(diǎn)表面肌電信號(hào)。
本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面 的描述中變得明顯，或通過(guò)本發(fā)明的實(shí)踐了解到。


本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從下面結(jié)合附圖對(duì)實(shí)施例的描
述中將變得明顯和容易理解，其中
圖1為NDD空間濾波方法示意圖2為本發(fā)明實(shí)施例的表面肌電圖系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖3為本發(fā)明實(shí)施例的電極板的印刷電路板剖視圖4為本發(fā)明實(shí)施例的電極板上電極陣列與第一放大和濾波電路的連
接關(guān)系示意圖5為本發(fā)明第一實(shí)施例的第一放大和濾波電路的高通濾波電路結(jié)構(gòu)
圖；圖6為本發(fā)明第二實(shí)施例的第一放大和濾波電路的高通濾波電路結(jié)構(gòu)
圖7(a)與7(b)分別為電極板與皮膚之間接觸的無(wú)運(yùn)動(dòng)偽跡和有運(yùn)動(dòng)偽 跡示意圖8為本發(fā)明第三實(shí)施例的第一放大和濾波電路的高通濾波電路結(jié)構(gòu)
圖9為本發(fā)明實(shí)施例的第一放大和濾波電路的總體結(jié)構(gòu)電路圖10為本發(fā)明實(shí)施例的電極板元件排布示意圖11為本發(fā)明實(shí)施例的信號(hào)調(diào)理板的電路結(jié)構(gòu)圖12為本發(fā)明實(shí)施例的信號(hào)調(diào)理板的電源供應(yīng)電路示意圖13(a)為現(xiàn)有電極陣列采集的表面肌電信號(hào)的波形圖；和
圖13(b)為本發(fā)明實(shí)施例的表面肌電圖系統(tǒng)輸出的濾波波形圖。
具體實(shí)施例方式
下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其 中自始至終相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功 能的元件。下面通過(guò)參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā) 明，而不能解釋為對(duì)本發(fā)明的限制。
現(xiàn)在請(qǐng)參考圖2，該圖為本發(fā)明實(shí)施例的表面肌電圖系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意 圖。如圖所示，本發(fā)明實(shí)施例的表面肌電圖系統(tǒng)包括電極板10、信號(hào)調(diào)理 板20、數(shù)據(jù)采集裝置6以及例如計(jì)算機(jī)處理裝置7的空間濾波裝置。
電極板10上設(shè)置有多個(gè)縱橫以陣列形式布置的電極陣列與第一放大 和濾波電路，其中電極陣列采集每個(gè)電極對(duì)應(yīng)的皮膚位置的電位，第一放
級(jí)放大和濾波，以分別獲得多個(gè)具有第一放大倍數(shù)的低阻抗表面肌電信號(hào)。 關(guān)于電極板10的詳細(xì)描述稍后下文中將給出。
信號(hào)調(diào)理板20通過(guò)電纜3與電極板IO輸出端電連接，信號(hào)調(diào)理板20 上設(shè)置有第二放大和濾波電路，以分別對(duì)電極板IO輸出的多路低阻抗表面 肌電信號(hào)進(jìn)行二級(jí)放大和濾波，以獲得多個(gè)具有第二放大倍數(shù)的表面肌電信號(hào)。其中電池4連接到信號(hào)調(diào)理板20上，為信號(hào)調(diào)理板20和電極板10 供電。
數(shù)據(jù)采集裝置6通過(guò)電纜5與信號(hào)調(diào)理板20輸出端電連接，以采集第 二放大倍數(shù)的表面肌電信號(hào)，這里經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理板的第二放大倍數(shù)之后的 總放大倍數(shù)能夠滿足表面肌電信號(hào)測(cè)量所需放大倍數(shù)，即滿足數(shù)據(jù)采集裝 置6的要求。然后，數(shù)據(jù)采集裝置6將采集的表面肌電模擬信號(hào)(電位信 號(hào))對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。該數(shù)字信號(hào)傳送給例如計(jì)算機(jī)等數(shù)據(jù)處理設(shè)備 的空間濾波裝置，H 'j執(zhí)行對(duì)電極陣列對(duì)應(yīng)的表面肌電信號(hào)的空間濾波。
下面，分別結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的表面肌電圖系統(tǒng)的各個(gè)裝置詳細(xì)說(shuō)明 如下。
首先參考圖3,圖3為本發(fā)明實(shí)施例的電極板的印刷電路板剖視圖。 電極板10由多層印刷電路板構(gòu)成，該構(gòu)建方式易于工藝的實(shí)現(xiàn)。在該
實(shí)施例中電極板采用四層印刷電路板，例如玻纖環(huán)氧樹(shù)脂板材，總厚度為
1.6mm。
印刷電路板的底層34在使用中接觸皮膚16，該層上的圓盤(pán)形"焊盤(pán)" 14用鍍金、銀或其它涂層的工藝做出按陣列排布的表面肌電電極，這些電 極暴露在外面與皮膚接觸。非電極部分以電路中的"地線，，22覆蓋并敷以 絕緣層或阻焊膜18,在非電極部分的其中一部分預(yù)定尺寸區(qū)域的"地線"， 例如圖5所示圓盤(pán)形陣列式電極38構(gòu)成的整個(gè)電極陣列一端的矩形區(qū)域 40的"地線"不加以絕緣層覆蓋，而是鍍金、銀或其它涂層并接觸皮膚， 以形成電極陣列測(cè)量皮膚電位的電位參考點(diǎn)。其中底層34中不包含除電極 和"地線"之外其它信號(hào)的金屬連線。
多層印刷電路板的頂層包含焊有表面貼裝的差分運(yùn)算放大器和高、低 通濾波電路的相關(guān)元件12，并具有這些電路的部分連線32。差分運(yùn)算放大 器36將縱橫向兩兩相鄰電極38的電位差放大(如圖5所示)，并配合外圍元 件對(duì)信號(hào)進(jìn)行高通濾波和低通濾波。頂層上還焊有表面貼裝的多針/多孔插 接件，從而將放大后的低阻信號(hào)引出，并利用電纜3連接至信號(hào)調(diào)理板20。
在印刷電路板上與頂層相鄰的第一中間層上布設(shè)正負(fù)電源線26,并通 過(guò)盲孔28連接到頂層，從而為對(duì)應(yīng)的差分運(yùn)算放大器電路供電。
9在與底層相鄰的第二中間層上布設(shè)由差分運(yùn)算放大器連接至各低通濾
波器的電阻的信號(hào)連線24，并通過(guò)盲孔28連接到頂層，以連接相應(yīng)的差 分運(yùn)算放大器和電阻。
在頂層中焊接的差分運(yùn)算放大器、所有外圍元件及電纜插接件等所有 元件均為表面貼裝，無(wú)插針延伸到其它任何層。電路中所有的"接地"點(diǎn) 由通孔30連接至底層34，所有通孔由絕緣的阻焊膜覆蓋。
現(xiàn)在參考圖4，圖4為本發(fā)明實(shí)施例的電極板上電極陣列與第一放大 和濾波電路的連接關(guān)系示意圖。
首先如圖4所示，本發(fā)明實(shí)施例的陣列電極為在底層34上布設(shè)的20 個(gè)縱橫相鄰排列的圓盤(pán)電極38，分為4行8列。例如陣列電極所在印刷電 路板的尺寸89mm x 43mm，每個(gè)圓盤(pán)電極38的直徑2.5mm，電極38縱向 和橫向兩兩之間的間距分別為10mm。相應(yīng)地，電極38上有縱橫30個(gè)差 分對(duì)，其序號(hào)和極性由圖4給出。例如序號(hào)"+02-"表示該電極對(duì)連接第 一放大和濾波電路的放大器36，得到的信號(hào)為左邊圓盤(pán)電極的電位減去右 邊圓盤(pán)電極的電位。豎向的"-03+"表示連接第一放大和濾波電路的放大 器36，得到的信號(hào)為下面電極的電位減去上面電極的電位的相鄰電位之差。 另外，電路板四角做成半徑為5mm的圓角，避免按壓在皮膚上帶來(lái)的不適。
從圖4可知，電極板10的20個(gè)電極構(gòu)成的陣列上有縱橫30個(gè)差分對(duì)， 因此對(duì)應(yīng)的第一放大和濾波電路為30路，即每路電路相應(yīng)地對(duì)接收的表面 肌電信號(hào)進(jìn)行一定倍數(shù)的放大和濾波。當(dāng)然，本發(fā)明的陣列電極數(shù)量以及 對(duì)應(yīng)的第一放大和濾波電路的數(shù)量不局限于該具體實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技 術(shù)人員可以根據(jù)電極板的實(shí)際設(shè)計(jì)需求和工藝要求設(shè)置相應(yīng)的電極陣列數(shù) 量，以及根據(jù)電極陣列的電極差分輸出路徑數(shù)量設(shè)定對(duì)應(yīng)的第 一放大和濾 波電路數(shù)量。
由于電極板10需要與皮膚接觸，因此在本發(fā)明的實(shí)施例中受到尺寸的 限制，電極板10中僅包含將陣列電極采集的相鄰兩電位信號(hào)差分放大一定 倍數(shù)的功能以及部分高低通濾波功能。并結(jié)合后續(xù)的信號(hào)調(diào)理板3 0對(duì)電極 板IO輸出的低阻抗表面肌電信號(hào)再次放大和濾波，以獲得滿足要求的表面 肌電信號(hào)。但是需要指出的是，若不受到尺寸限制，可以省略信號(hào)調(diào)理板30實(shí)現(xiàn)的二次信號(hào)放大和濾波，而在電極板10中設(shè)置可以直接將相鄰兩 電位信號(hào)差分放大滿足要求倍數(shù)的功能以及高低通濾波功能。
下面將結(jié)合電極板10尺寸限制的情況對(duì)第一放大和濾波電路的具體 實(shí)施例給出詳細(xì)說(shuō)明。
此外，在實(shí)際使用中，由于運(yùn)動(dòng)時(shí)電極板與皮膚的接觸松緊變化會(huì)引 起低頻噪聲(運(yùn)動(dòng)偽跡)，如圖7b所示，另外圖7a為無(wú)運(yùn)動(dòng)偽跡，因此 在第一放大和濾波電路中需要使用高通濾波。下面，結(jié)合圖5、圖6和圖8 分別對(duì)本發(fā)明的幾種高通濾波電路方案給出說(shuō)明。
圖5為本發(fā)明第一實(shí)施例的第一放大和濾波電路的高通濾波電路結(jié)構(gòu) 圖，圖6為本發(fā)明第二實(shí)施例的第一放大和濾波電路的高通濾波電路結(jié)構(gòu) 圖，以及圖8為本發(fā)明第三實(shí)施例的第一放大和濾波電路的高通濾波電路 結(jié)構(gòu)圖。
圖5所示的第一放大和濾波電路為標(biāo)準(zhǔn)阻容一階高通濾波電路，包括 高通濾波電路42和三運(yùn)放結(jié)構(gòu)的差分放大器36。在圖6所示第一放大和 濾波電路中，高通濾波電路42設(shè)置在差分放大器36的后端。但是在圖5 的實(shí)施例中，在信號(hào)輸入端的高通濾波會(huì)由于Rl、 Cl、 R2、 C2這些元件 值的匹配誤差帶來(lái)共模噪聲，并且該結(jié)構(gòu)可能會(huì)降低放大電路的輸入阻抗。 而圖6的實(shí)施例則不能夠避免低頻噪聲導(dǎo)致的差分放大器飽和。
如圖8所示，本發(fā)明第三實(shí)施例的第一放大和濾波電路的高通濾波電 路42由接在三運(yùn)放結(jié)構(gòu)的差分放大器36兩增益調(diào)整端的串聯(lián)電阻和電容
的低頻噪聲，避免低頻噪聲導(dǎo)致的差分放大器飽和。
在實(shí)際應(yīng)用中，若圖8所示電容Cg受到面積限制，則容量受限，從而 由低通濾波截止頻率決定的電阻Rg的阻值也受限。這樣，由該電阻Rg決 定的該級(jí)第一放大倍數(shù)受限。因此其余所需滿足要求的放大倍數(shù)由信號(hào)調(diào) 理板30完成。關(guān)于該實(shí)現(xiàn)方案下文中將會(huì)給出詳細(xì)說(shuō)明。
電極板10上每個(gè)差分電極對(duì)所對(duì)應(yīng)的電3各如圖9所示，該圖顯示了本 發(fā)明實(shí)施例的第 一 放大和濾波電路的總體結(jié)構(gòu)電路圖，其中包括高通濾波 電路42、差分放大電路36以及低通濾波電i 各44。其中低通濾波電路44包括串聯(lián)的電阻Rf和電容Cf，其中電阻Rf—端與差分放大器36的輸出端 連接，第 一放大和濾波電^各的輸出端OUT連4矣在電阻Rf的另 一端和電容 Cf一端之間，電容Cf的另一端接地。
在實(shí)施例中，差分放大電路36為精密差分運(yùn)算放大器AD8220，從而 實(shí)現(xiàn)將兩相鄰正電極和負(fù)電極上的電位差進(jìn)行放大，例如放大倍數(shù)滿足公 式A=49.4KQ/Rg+1。結(jié)合上述的20個(gè)電極的陣列，該電路共有30組。
由于皮膚阻抗可高達(dá)數(shù)兆歐并具有一定的隨機(jī)性，運(yùn)放的電流噪聲將 成為表面肌電信號(hào)測(cè)量的主要噪聲源；工頻干擾除通過(guò)電纜耦合到電路之 外，也作為共模信號(hào)輸入到運(yùn)算放大器內(nèi)，因此運(yùn)算放大器具有高的共模 抑制比(CMRR)可進(jìn)一 步降低工頻干擾；高密度的電極陣列要求運(yùn)放有較小 的面積。AD8220具有低達(dá)^^^的電流噪聲，高達(dá)100的共模抑制比和 小達(dá)5mm x 3mm的面積可以作為優(yōu)選方案使用。
串聯(lián)接入放大器增益調(diào)整端的電阻Rg和電容C g決定了放大器高通濾 波的截止頻率FL，滿足公式FL=l/(2 7iRgCg),而電阻Rg決定了放大器的 通帶增益。因面積限制，電容Cg和電阻Rg均可選用"0603"的表面安裝 型號(hào)。此封裝的電容目前可以找到的最大容量為4.7uF，設(shè)計(jì)高通濾波的截 止頻率為20Hz,因此電阻Rg為1.6 KQ,該級(jí)放大器36的通帶增益限制 在了 31.9倍。
放大器36后串聯(lián)的電阻Rf和電容Cf決定了放大器的低通截止頻率， 例如設(shè)計(jì)該低通濾波電路44的截止頻率為1000Hz，選用電阻1 KQ，電容 150nF。
圖IO顯示了本發(fā)明實(shí)施例的電極板元件排布示意圖。如圖所示，電極 板10可以分電極部分和接口部分。
電極部分排布有20個(gè)電極38構(gòu)成的陣列，從電極板的印刷電路板頂 層俯視，電極與電極之間的運(yùn)算放大器36在縱橫兩兩電極圓盤(pán)38中間排 列。高通濾波電容Cg和電阻Rg分別放置運(yùn)算放大器36無(wú)引腳的兩側(cè)， 信號(hào)、接地、電源的盲孔和通孔放置在運(yùn)算放大器36的5-8腳50的一側(cè)。 所有運(yùn)算放大器36及電阻、電容、盲孔、通孔有序排列。這里僅給出了相 關(guān)元件的放置位置的一個(gè)實(shí)例，對(duì)應(yīng)的各個(gè)電極與對(duì)應(yīng)運(yùn)算放大器36、電
12容、電阻等設(shè)置關(guān)系與上文所述相同。
接口部分放置有電極板10連接到信號(hào)調(diào)理板30的插接件52，在插接 件52兩側(cè)放置有低通濾波電路的電容Cf和電阻Rf。
在一個(gè)實(shí)施例中，電極部分和接口部分之間的空隙可以放置電源保護(hù) 二極管46和電源濾波電容48。
電極板10與信號(hào)調(diào)理板30可以通過(guò)多針/多孔插接件連接，在上述實(shí) 施例中，可以通過(guò)34針的排針與排線連接，即電極板10與信號(hào)調(diào)理板30 之間的連接電纜為34路排線。該對(duì)排針為2排*17，間距2.0mm。排線兩 頭壓接2*17插座，與排針配套。該34針按順序分別連接正電源、"接地"、 30路的輸出信號(hào)、"接地，，、負(fù)電源。文中所有的"接地"均為正負(fù)電源 的中點(diǎn)且與信號(hào)采集設(shè)備的接地端相連。
為了防止該34針排線插座在排針上插反導(dǎo)致電源反接燒毀電極板10 上的元件，正負(fù)電源均串接二極管46進(jìn)行保護(hù)。當(dāng)反向插接時(shí)，兩二極管 截止，,人而電極+反10不一皮加電。
在結(jié)合上述圖9實(shí)施例的第一放大和濾波電路獲得的第一放大倍數(shù)和 高、低通濾波階數(shù)的情況下，若本實(shí)施例的數(shù)字采集裝置6共需1000倍的 總增益，信號(hào)調(diào)理電路30則需要具有31.4倍的增益。
圖11顯示了本發(fā)明實(shí)施例的信號(hào)調(diào)理板的電路結(jié)構(gòu)圖。如上文所述， 信號(hào)調(diào)理板通過(guò)多針/多孔插接件用電纜與電極板IO連接。信號(hào)調(diào)理板30 的每路調(diào)理電路與電極板10的每對(duì)差分放大后的信號(hào)相對(duì)應(yīng)。每路調(diào)理電 路使用一個(gè)單元的運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)一定倍數(shù)的放大、 一階高通濾波和一階 低通濾波。經(jīng)過(guò)該級(jí)的放大倍數(shù)之后的總放大倍數(shù)則滿足數(shù)據(jù)采集裝置6 對(duì)表面肌電信號(hào)測(cè)量所需放大倍數(shù)的輸入要求。
信號(hào)調(diào)理板30上每路信號(hào)對(duì)應(yīng)的調(diào)理電路的電路圖如圖ll所示。結(jié) 合上述具有20個(gè)電極的電極板實(shí)施例，調(diào)理電路共有30路。這里，采用 的運(yùn)算放大器可以是雙運(yùn)算放大器。在圖11實(shí)施例中，30路的調(diào)理電路 例如可以由15個(gè)雙運(yùn)放AD706 (圖11中編號(hào)56對(duì)應(yīng)的元件)實(shí)現(xiàn)，其中 AD706具有合適的帶寬和高達(dá)110dB的共模抑制比。
每路電路可以由運(yùn)放AD706、電阻R1-30KQ、電容O470nF、電容C2=82pF、電阻R2二1MQ構(gòu)成，它們實(shí)現(xiàn)了 32倍的放大，截止頻率為20Hz 的一階高通濾波和截止頻率為lKHz的一階低通濾波。
至此，從電極板IO輸出的皮膚表面差分的肌電信號(hào)，到最終信號(hào)調(diào)理 板30的AD706的輸出，信號(hào)共計(jì)放大1000倍，并且經(jīng)過(guò)20Hz高通濾波 器共計(jì)2階，經(jīng)過(guò)lKHz低通濾波器共計(jì)2階。信號(hào)調(diào)理板30的30路最 終的輸出表面肌電信號(hào)由一個(gè)2*17的排針，通過(guò)多針/多孔插接件用電纜5 傳送給數(shù)據(jù)采集裝置6。
另外，信號(hào)調(diào)理板30還包括電源供應(yīng)電路部分，用來(lái)將電源適配器或 電池的電壓轉(zhuǎn)換為正負(fù)對(duì)稱的雙電源，為電極板10和信號(hào)調(diào)理板30上其 它的所有電路供電。圖12為本發(fā)明實(shí)施例的信號(hào)調(diào)理板的電源供應(yīng)電路示 意圖。
例如，信號(hào)調(diào)理板30由12V電源適配器供電，由電源芯片MC34063 通過(guò)圖12所示的左右兩個(gè)電路58和60分別轉(zhuǎn)換為+5V和-5V，為電極板 和信號(hào)調(diào)理板的電路供電。
根據(jù)圖示的該電路具體參數(shù)，其輸出電流可達(dá)100mA，紋波電壓小于 5mV，可滿足上述電路的要求。
在實(shí)施例中，數(shù)據(jù)采集裝置6可以是NIUSB-6218,其采集30個(gè)通道 的表面肌電信號(hào)的電位數(shù)據(jù)，并利用通用串行總線(USB)等接口傳輸?shù)?例如計(jì)算機(jī)7的空間濾波裝置上，計(jì)算機(jī)7將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。
在計(jì)算機(jī)7上，通過(guò)將幾個(gè)通道的數(shù)據(jù)相加減，即實(shí)現(xiàn)表面肌電信號(hào) 的空間濾波。比如，將該電極陣列采集到的表面肌電信號(hào)按圖4中的通道 16+通道28-通道15-通道18，也就是i兌，通道16加上通道28減去通道15 減去通道18即可實(shí)現(xiàn)一個(gè)正常雙差分方式(NDD, Normal Double Differential)空間濾波。
本發(fā)明實(shí)施例的表面肌電圖系統(tǒng)輸出的濾波波形圖如圖13(b)所示。與 圖13(a)相比，其中圖13(a)為現(xiàn)有電極陣列采集的表面肌電信號(hào)未進(jìn)行空 間濾波的兩點(diǎn)之間差分(例如圖4中的通道16)的單獨(dú)波形，可見(jiàn)本發(fā)明 可以提高對(duì)肌電信號(hào)中運(yùn)動(dòng)單位發(fā)放的分辨能力。
在電極板尺寸受限的情況下，本發(fā)明將電極板跟信號(hào)調(diào)理板配合，在皮膚表面多點(diǎn)陣列中，采集縱橫兩兩點(diǎn)之間的表面肌電信號(hào)并加以放大調(diào) 理，二者之間用電纜傳輸?shù)妥杩沟男盘?hào)，不僅最終滿足數(shù)據(jù)采集設(shè)備的要 求，還避免高阻抗的表面肌電信號(hào)通過(guò)電纜傳輸時(shí)受到外界的電磁干擾， 獲取高質(zhì)量低噪聲的多點(diǎn)表面肌電信號(hào)。
盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員 而言，可以理解在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對(duì)這些實(shí)施例 進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等 同限定。
權(quán)利要求
1.一種表面肌電圖系統(tǒng)，其特征在于，所述表面肌電圖系統(tǒng)包括電極板，所述電極板上設(shè)置有電極陣列與第一放大和濾波電路，其中所述電極陣列采集每個(gè)電極對(duì)應(yīng)的皮膚位置的電位，所述第一放大和濾波電路分別對(duì)所述電極陣列中兩兩相鄰電極對(duì)應(yīng)電位之間的差值進(jìn)行放大和濾波，以分別獲得多個(gè)具有第一放大倍數(shù)的低阻抗表面肌電信號(hào)；與所述電極板輸出端電連接的信號(hào)調(diào)理板，所述信號(hào)調(diào)理板上設(shè)置有分別對(duì)所述低阻抗表面肌電信號(hào)進(jìn)行放大和濾波的第二放大和濾波電路，以獲得多個(gè)具有第二放大倍數(shù)的表面肌電信號(hào)；與所述信號(hào)調(diào)理板輸出端電連接的數(shù)據(jù)采集裝置，以采集所述第二放大倍數(shù)的表面肌電信號(hào)并轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)；和空間濾波裝置，利用所述數(shù)字信號(hào)將所述電極陣列對(duì)應(yīng)的表面肌電信號(hào)進(jìn)行空間濾波。
2. 如權(quán)利要求1所述的表面肌電圖系統(tǒng)，其特征在于，所述第一放大 和濾波電路包括高通濾波單元、差分放大器以及低通濾波單元，所述高通 濾波單元的兩端連接到所述差分放大器的兩個(gè)增益調(diào)整端，所述低通濾波 單元與所述差分放大器的輸出端連接。
3. 如權(quán)利要求2所述的表面肌電圖系統(tǒng)，其特征在于，所述高通濾波 單元包括串聯(lián)的電阻和電容。
4. 如權(quán)利要求2所述的表面肌電圖系統(tǒng)，其特征在于，所述低通濾波 單元包括串聯(lián)的電阻和電容，其中所述電阻一端與所述差分放大器的輸出 端連接，所述第一放大和濾波電路的輸出端連接在所迷電阻的另一端和所 述電容一端之間，所述電容的另一端"l妄地。
5. 如權(quán)利要求1或2所述的表面肌電圖系統(tǒng)，其特征在于，所述第二 放大和濾波電路包括第一電阻、第一電容、第二電阻、第二電容以及運(yùn)算 放大器，所述第一電阻和所述第一電容串聯(lián)連接到所述運(yùn)算放大器的反相 輸入端，所述第二電阻連接在所述運(yùn)算放大器的反相輸入端與輸出端之間， 以及所述第二電容與串聯(lián)連接的所述第 一 電容和第二電阻并聯(lián)。
6. 如權(quán)利要求5所述的表面肌電圖系統(tǒng)，其特征在于，所述運(yùn)算放大 器為雙運(yùn)算放大器。
7. 如權(quán)利要求1所述的表面肌電圖系統(tǒng)，其特征在于，所述電極板為 多層印刷電路板，所述多層印刷電路板的頂層焊接有所述第一放大和濾波 電路，所述多層印刷電路板的底層上設(shè)置有所述電極陣列，以及所述多層 印刷電路板的中間層設(shè)置有向所述第 一 放大和濾波電路供電的正負(fù)電源線路。
8. 如權(quán)利要求7所述的表面肌電圖系統(tǒng)，其特征在于，在所述底層上 還包括接地涂覆層鍍金區(qū)域，以形成所述電極陣列測(cè)量對(duì)應(yīng)電位的電位參 考點(diǎn)。
9. 如權(quán)利要求1所述的表面肌電圖系統(tǒng)，其特征在于，所述信號(hào)調(diào)理 板分別通過(guò)多針/多孔插接件用電纜與所述電極板以及所述數(shù)據(jù)采集裝置 分別連接。
10. —種采集表面肌電信號(hào)的電極板，其特征在于，包括 設(shè)置在所述電極板上的電極陣列，所述電極陣列采集每個(gè)電極對(duì)應(yīng)的皮膚位置的電位；和放大和濾波電^各分別對(duì)所述電極陣列兩兩相鄰電極對(duì)應(yīng)電位之間的差值進(jìn) 行放大和濾波，以分別獲得多個(gè)具有低阻抗表面肌電信號(hào)。
11. 如權(quán)利要求10所述的電極板，其特征在于，所述電極板為多層印 刷電路板，所述多層印刷電路板的頂層焊接有所述放大和濾波電路，所述 多層印刷電路板的底層上設(shè)置有所述電極陣列，以及所述多層印刷電路板 的中間層設(shè)置有向所述放大和濾波電路供電的電源線路及所述放大和濾波 電路的輸出信號(hào)走線。
12. 如權(quán)利要求11所述的電極板，其特征在于，在所述底層上對(duì)應(yīng)所 述電極陣列的表面涂布有金屬材料，所述底層的非電極部分以地線覆蓋并 涂布有絕緣層。
13. 如權(quán)利要求12所述的電極板，其特征在于，在所述底層的非電極 部分的其中一部分區(qū)域以地線覆蓋并涂布有金屬鍍層，以形成所述電極陣列測(cè)量對(duì)應(yīng)電位的電位參考點(diǎn)。
14. 如權(quán)利要求11所述的電極板，其特征在于，所述頂層上還焊接有 將所述多個(gè)具有低阻抗表面肌電信號(hào)輸出的多針/多孔插接件。
15. 如權(quán)利要求14所述的電極板，其特征在于，在所述多針/多孔插接件與所述電極陣列之間的區(qū)域還設(shè)置有電源保護(hù)二極管。
16. 如權(quán)利要求10到16中任一項(xiàng)所述的電極板，其特征在于，所述 放大和濾波電路包括高通濾波單元、差分放大器以及低通濾波單元，所述 高通濾波單元的兩端連接到所迷差分放大器的兩個(gè)增益調(diào)整端，所述低通 濾波單元與所述差分放大器的輸出端連接。
17. 如權(quán)利要求16所述的電極板，其特征在于，所述高通濾波單元包 括串聯(lián)的電阻和電容。
18. 如權(quán)利要求16所述的電極板，其特征在于，所述低通濾波單元包 括串聯(lián)的電阻和電容，其中所述電阻一端與所述差分放大器的輸出端連接， 所述第一放大和濾波電路的輸出端連接在所述電阻的另一端和所述電容一 端之間，所述電容的另一端接地。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種表面肌電圖系統(tǒng)，包括設(shè)置有電極陣列與第一放大和濾波電路的電極板，其中電極陣列采集每個(gè)電極對(duì)應(yīng)的皮膚位置的電位，第一放大和濾波電路分別對(duì)電極陣列中兩兩相鄰電極對(duì)應(yīng)電位之間的差值進(jìn)行放大和濾波，以分別獲得多個(gè)具有第一放大倍數(shù)的低阻抗表面肌電信號(hào)；信號(hào)調(diào)理板上設(shè)置有分別對(duì)所述低阻抗表面肌電信號(hào)進(jìn)行放大和濾波的第二放大和濾波電路，以獲得多個(gè)具有第二放大倍數(shù)的表面肌電信號(hào)；數(shù)據(jù)采集裝置采集所述第二放大倍數(shù)的表面肌電信號(hào)并轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)；空間濾波裝置利用數(shù)字信號(hào)將電極陣列對(duì)應(yīng)的表面肌電信號(hào)進(jìn)行空間濾波。本發(fā)明能夠獲得高質(zhì)量低噪聲的多點(diǎn)表面肌電信號(hào)。
文檔編號(hào)A61B5/0488GK101536905SQ20091013653
公開(kāi)日2009年9月23日 申請(qǐng)日期2009年5月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月6日
發(fā)明者娟 成, 楊基海, 巍 胡, 趙章琰, 香 陳 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)