專利名稱：有源雙電極表面肌電傳感器的制作方法
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儀器技術，也涉及運算
放大器的應用和電路降噪方法。
背景技術：
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，與 人體皮膚接觸、獲取表面肌電信號的傳感器，是決定該類儀器的檢測精度和便攜性的關鍵 部件之一。在傳統(tǒng)的儀器中，通常采用將與人體皮膚接觸的肌電電極和傳感器分離的方式， 其存在電極連線帶來的噪聲大和傳感器整體體積較大等缺陷。 近年來，有關這方面的新傳感器比較多。ZL200510100453. 2報道了一種皮表傳感 器，其電路結構由前級、放大級、陷波級和輸出級四個部分組成，采用同一硅片制造的兩個 運算放大器組成同相并聯(lián)輸入的前級，陷波級采用雙T有源網(wǎng)絡。這種皮表肌電傳感器采 用J鉤超小型器件焊接封裝在一個外徑為29毫米、厚度為15毫米的絕緣塑料盒內(nèi)。該電 路中，由于其電極尺寸和電極的中心距離是變化的，因此，采集的信號受電極變化而發(fā)生變 化，電極之間的差模信號波動大，穩(wěn)定性不如電極固定方式的信號質(zhì)量高；另一方面，該電 路僅由前級、放大級、陷波級和輸出級四個部分組成，沒有濾波、共模抑制、電壓跟隨反饋等 抑制噪聲的功能。 US0215916A1/2005中報道了一種用于腦電、心電、肌電的有源多通道數(shù)字電極，以 采集諸如腦電、心電、肌電等信號。該系統(tǒng)采用了能夠放大和轉(zhuǎn)化生物電的源信號為數(shù)字信 號的有源數(shù)字電極，從而消除噪聲和避免信號衰減。該發(fā)明使用圓盤電極，其采集的模擬信 號電路經(jīng)2級運算放大電路，即前級放大_低通濾波_高通濾波_后級放大輸出；在前后 級放大之間，采用2組RC(電阻/電容)的組合，即普通的低通濾波和高通濾波。該發(fā)明的 電路集成直徑0.65英寸(16.51毫米)的電路板上，8個檢測電極和l個參考電極分別固 定焊接在電路板上直徑0.47 0.65英寸(11.94 16.51毫米)的圓周上，每個電極直徑 為0.05英寸(1.27毫米)。這種電路雖然具有電極采集點小而密集的特點，但是其電路僅 采用2級運算放大電路，信號增益較?。徊捎闷胀ǖ牡屯V波和高通濾波，信號濾波功能不 強，導致信噪比不高；其電極采集點面積較小，也在一定程度上影響了數(shù)據(jù)的可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的，針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種集成表面肌電電極和模擬信號放 大電路的傳感器，從而克服肌電信號傳輸出現(xiàn)的干擾和失真，并且有效減小電極和傳感器 的尺寸。 本發(fā)明的目的通過以下方式實現(xiàn)。 本發(fā)明的有源雙電極表面肌電傳感器，包括有2根作為采集表面肌電信號的電極導體，在與電極導體連接的電路結構中，包括有前置差分放大電路、濾波電路、雙T陷波電 路和后級放大電路，其特征在于，所述電路結構中還包括有功能緩沖級電路、電壓跟隨電路 和反相放大反饋電路；所述前置差分放大電路由前級差分放大電路和與之連接的二級差分 放大電路共同構成；所述功能緩沖級電路的輸入端點與采集表面肌電信號的電極導體根部 連接，其輸出端與前級差分放大電路的輸入端接通；在前級差分放大電路的輸出端還連接 有電壓跟隨電路及與之連通的反相放大反饋電路，該反相放大反饋電路的輸出與電極導體 根部接通；所述濾波電路是五階巴特沃思濾波電路；所述電極導體是粘貼在皮膚表面的2 根銀絲電極，兩者之間間距為8-12毫米。 上述有源雙電極表面肌電傳感器中，所述二級差分放大電路由1個高輸入阻抗的 儀用放大器構成；所述電壓跟隨電路由2個等值電阻和第1個單運放組成的電壓跟隨器組 成；所述反相放大反饋電路是由2個單運放構成的并聯(lián)型雙運放儀器放大器；所述濾波電 路是五階巴特沃思濾波電路，截止頻率在500赫茲。所述雙T陷波電路和后級放大電路是 雙RC并聯(lián)、1個低噪聲寬帶運算放大器和1個差分運算放大器組成，陷波電路來消除50赫 茲的工頻干擾。進一步，信號以單端輸入方式進入后級運放，從而最后輸出的是經(jīng)過三級放 大的肌電信號。 本發(fā)明的有源雙電極表面肌電傳感器正常工作時，兩根電極的端部與人體所測部 位緊密接觸，將采集到的初始電壓源信號經(jīng)緩沖電路輸出到前級差分運放電路，然后進入 第二級差分放大電路，輸出時為雙端差動輸出信號。與此同時，從前級差分放大之后的電壓 信號進入電壓跟隨電路，并經(jīng)反相放大反饋模塊，即將跟隨電壓進行反相放大處理后再反 饋連接到功能緩沖級電路的輸入端，與原來的共模電壓相加，形成共模電壓負反饋電路，從 而減小共模電壓的輸出浮動變化，提高電路抵抗工頻和擾動干擾的能力。所述前級差分放 大電路采用共模驅(qū)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(zhuǎn)換成差模干擾的情況發(fā)生；在運算放大器為理想的情況下，并聯(lián)型差動放大器的輸入 阻抗和共模抑制比都為無窮大，且其共模抑制比與外圍電阻的匹配程度無關，并且電路具 有提高輸入阻抗和提供電壓緩沖的作用。 本發(fā)明的有源雙電極表面肌電傳感器，使傳感器的電極直接與傳感器的緩沖級連 接，增大了前級放大的輸入阻抗。在電路運行過程中，傳感器在第一級前級差分放大之后， 繼續(xù)采用第二級差分放大，從而對反饋后的肌電信號進行跟蹤放大；同時在第一級放大之 后采用電壓跟隨，并且采用把跟隨電壓進行反相放大反饋到緩沖級輸入端，與原來的共模 電壓相加，形成共模電壓負反饋電路，減小了共模電壓的輸入值，從而提高共模抑制比和電 路抵抗工頻干擾的能力。傳感器在第二級采用放大之后采用五級巴特沃思濾波，在濾波之 后，又對信號進行雙T陷波，消除了 50赫茲的工頻干擾。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有源雙 電極表面肌電傳感器，電極固定方式好，采集的信號穩(wěn)定，信號濾波功能強，使電路抵抗工 頻干擾的能力得到增強，而且也克服了因電極連線帶來的噪聲大和傳感器整體體積較大等 缺陷。 下面通過實施例和附圖作進一步說明。


圖1是本發(fā)明的一種實施例的整體電路結構框圖。
4
圖2是本發(fā)明所述的電極到第二級差分放大電路的一種實施例示意圖。 圖3是本發(fā)明所述的電壓跟隨和反相放大反饋電路的一種實施例示意圖。 圖4是本發(fā)明所述的五階巴特沃思濾波電路的一種實施例示意圖。 圖5是本發(fā)明所述的雙T陷波和輸出級電路的一種實施例示意圖。 圖6是本發(fā)明所述的線性分壓和穩(wěn)壓電路的一種實施例示意圖。 圖7是本發(fā)明所述的傳感器輸入輸出接口實施例示意圖。 圖8是本發(fā)明所述的傳感器在一種手臂伸直狀態(tài)下的電路輸出信號圖。
具體實施方式

實施例 參見圖1 ，每根電極與緩沖電路輸入端連接，將采集到的表面肌電信號輸入到功能 緩沖級電路。該功能緩沖級電路依次和前級差分放大電路、二級差分放大電路、五階濾波電 路、雙T陷波電路和后級放大電路連通，然后，可根據(jù)需要將從后級放大電路輸出的信號輸 入到不同的顯示器中。在前級差分放大電路的輸出端還連接有電壓跟隨電路及與之相接的 反相放大反饋電路，該反相放大反饋電路的輸出與電極接通。 參見圖2，圖中表達了電極1 、緩沖級電路2、前級差分放大電路3、容阻電路4、 二 級差分放大電路5的實施例，前級放大輸出端(FR0N乙GND)6連接電壓跟隨電路的輸入端 (FRONT_GND) 14 (參見圖3) ， 二級差分放大電路5的信號輸出端7連接到五階巴特沃思濾波 電路的輸入端(FRONT_OUT) 15 (參見圖4) ， 二級差分放大電路5的輸入端8、9、 10分別對應 地連接到線性穩(wěn)壓電路26、25、24 (參見圖6)。圖2中的9為電源輸入，使用5伏干電池；電 極1中的LP1和LP2是一根電極與電路板固定連接的2個針腳，其中LP1與緩沖電路連接， LP2僅作固定作用；電極l中的LP3和LP4是另一根電極與電路板固定連接的2個針腳，其 中LP3與緩沖電路連接，LP4僅作固定作用。 參見圖3，圖中表達了電壓跟隨電路13和反相放大反饋電路12，該電壓跟隨電路 由2個等值電阻和1個AD8551單運放組成，電壓跟隨電路的輸入端14連接到前級放大輸 出端6 (圖2);該反相放大反饋電路是由AD8554放大器的其中1路放大電路構成，反相放 大反饋電路的輸出端11連接到有源電極之外的人體參考電極。 參見圖4，圖中表達了五階巴特沃思濾波，該電路由1階電路16、2階電路16和2 階電路17組成；該電路的輸入端15連接到二級差分電路的輸出端7 (圖2);該電路的輸出 端19連接到雙T餡波電路的輸入端20 (圖5)。 參見圖5，圖中表達了雙T陷波電路21和后級放大輸出電路22，該雙T陷波電路 主要由AD8554放大器的其中2路放大電路組成，該雙T陷波電路的輸入端20接到五階巴 特沃思濾波電路的輸出端19(圖4);該后級放大輸出電路主要由AD8554放大器的其中l(wèi)路 放大電路組成；該后級放大輸出電路輸出端23連接到傳感器輸入輸出端CON的接口 30 (圖 7)。 參見圖6，圖6中表達了線性分壓和穩(wěn)壓，該電路電源輸入端25連接傳感器輸入輸 出端CON的接口 28 (圖7)，該電路接地極24連接傳感器輸入輸出端CON的接口 27 (圖7); 該線性分壓電路由1個電阻和1個穩(wěn)壓二極管組成，輸出端26輸出2. 5V電壓；該線性穩(wěn)壓 電路由2個電容并聯(lián)組成。
參見圖7，圖7中表達了傳感器輸入輸出端C0N，接口 27連接外接5V干電池或者 直流穩(wěn)壓電源的負極；接口 28連接外接5V干電池或者直流穩(wěn)壓電源的正極；接口 29連接 人體參考電極和電壓跟隨反饋放大電路的輸出端ll(圖3)浪口 30輸出放大的肌電信號； 接口 31連接前級差分輸出端6(圖2)和電壓跟隨輸入端14(圖3)。 參見圖8，圖8中顯示了本發(fā)明實施例所述的傳感器在手臂伸直并且手掌向上手 持2公斤砝碼時的電路輸出信號圖。具體如下將上述電路印制電路板上，焊上所述的電子 元器件，電源使用5V干電池或者直流穩(wěn)壓電源，將本傳感器帶有兩電極的一面粘貼在人體 手臂的肱二頭肌肌腹位置，將參考電極粘貼在手臂肘關節(jié)外側，進行實際應用試驗。采用北 京普源DS1052E數(shù)字示波器顯示傳感器輸入輸出端C0N(圖7)輸出的肌電信號，其中示波 器探頭正極連接傳感器輸入輸出端CON的接口 30 (圖7)，示波器探頭接地極連接傳感器輸 入輸出端CON的接口 29(圖7)。圖8中，橫坐標是信號的發(fā)生時間，每格4毫秒；縱坐標是 信號的電壓幅值，每格20毫伏。圖8中有兩條垂直狀點劃直線(與縱坐標平行)，如果將位 于圖中左側的一根稱為X1，位于圖中右側的一根稱X2，則從圖可以看出，在X1到X2之間的 電壓幅值存在最大波峰_波谷，周期是15. 20毫秒，頻率是65. 79赫茲。圖8中還有兩條水 平狀點劃直線(與橫坐標平行)，如果將位于圖中上面的一根稱為Yl，下面的一根稱為Y2， 則從圖中可以看出，從Yl到Y2之間的最大波峰_波谷的電壓幅值是336. 0毫伏，是產(chǎn)生肌 肉收縮的最主要的肌電信號。圖中在大的波峰-波谷-波峰信號線上還存在高頻小幅值的 疊加信號，頻率遠遠大于50赫茲，幅值遠遠小于最大波峰_波谷的幅值336毫伏。
以上檢測結果表明本發(fā)明的有源雙電極表面肌電傳感器具有實際應用功能。
權利要求
一種有源雙電極表面肌電傳感器，包括有2根作為采集表面肌電信號的電極導體，在與電極導體連接的電路結構中，包括有前置差分放大電路、濾波電路、雙T陷波電路和后級放大電路，其特征在于，所述電路結構中還包括有功能緩沖級電路、電壓跟隨電路和反相放大反饋電路；所述前置差分放大電路由前級差分放大電路和與之連接的二級差分放大電路共同構成，所述功能緩沖級電路的輸入端點與采集表面肌電信號的電極導體根部連接，其輸出端與前級差分放大電路的輸入端接通；在前級差分放大電路的輸出端還連接有電壓跟隨電路及與之連通的反相放大反饋電路，該反相放大反饋電路的輸出與電極導體根部接通；所述濾波電路是五階巴特沃思濾波電路，所述電極導體是粘貼在皮膚表面的2根銀絲電極，兩者之間間距為8-12毫米。
2. 如權利要求1所述的有源雙電極表面肌電傳感器，其特征在于，所述二級差分放大 電路由1個高輸入阻抗的儀用放大器構成。
3. 如權利要求1所述的有源雙電極表面肌電傳感器，其特征在于，所述電壓跟隨電路 由2個等值電阻和第1個單運放組成的電壓跟隨器組成。
4. 如權利要求1所述的有源雙電極表面肌電傳感器，其特征在于，所述反相放大反饋 電路是由2個單運放構成的并聯(lián)型雙運放儀器放大器。
5. 如權利要求1所述的有源雙電極表面肌電傳感器，其特征在于，所述濾波電路是五 階巴特沃思濾波電路。
6. 如權利要求1所述的有源雙電極表面肌電傳感器，其特征在于，所述雙T陷波電路和 后級放大電路是雙RC并聯(lián)、1個低噪聲寬帶運算放大器和1個差分運算放大器組成。
全文摘要
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。它包括采集表面肌電信號的電極導體、功能緩沖級電路、前置差分放大電路、濾波電路、雙T陷波電路和后級放大電路；前置差分放大電路由前級差分放大電路和二級差分放大電路構成，在前級差分放大電路的輸出端還連接有電壓跟隨電路及與之連通的反相放大反饋電路，該反相放大反饋電路的輸出與電極導體根部接通；所述濾波電路是五階巴特沃思濾波電路，所述電極導體是粘貼在皮膚表面的2根銀絲電極，兩者間距8-12毫米。本有源雙電極表面肌電傳感器電極固定方式好，采集的信號穩(wěn)定，信號濾波功能強，使電路抵抗工頻干擾的能力得到增強，而且克服了因電極連線帶來的噪聲大和傳感器整體體積較大等缺陷。
文檔編號A61B5/0488GK101791218SQ20101004654
公開日2010年8月4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(zhì)科學研究院