多通道EMG信号处理放大器.doc

低成本、多通道、EMG信号处理放大器 保罗d切尼, 乔纳森d肯特, 罗伯特w汤普森 1997年3月5日初稿;1997年10月6日修订， 1997年10月8日定稿摘要：在运动控制的研究中，对扩展被检测肌肉的数量提出了越来越多的要求，因为肌电图活动正是通过这些肌肉处理运动任务的表现而记录下来的。对这种EMG信号进行理想的观测和分析需要能够提供可调增益和基线偏置以及可选择性整流滤波的信号处理放大器。本文介绍了一种低成本的双通道信号处理放大电路。关键词:肌电图;移动,放大器;电路;多通道记录1 引言对神经控制运动理解方面所取得的进步已变得日益依赖对一个特定肌肉活动任务所产生的大量肌电信号进行记录的能力(Kasser 和Cheney, 1985; Lemon 等, 1986; Fetz 等, 1989;Cheney 等, 1991; Porter 和 Lemon, 1993; Maierand Hepp-Reymond, 1995; Miller 和 Houk, 1995)。即使任务看似简单并且局限于少量的一些肌肉,例如动一动某个手指。而实际上却涉及了许多不同的收缩肌和拮抗肌的共同作用(Schieber,1991)。肌电活动信号的记录可以被用来识别参与了运动任务的神经元和肌肉各自功能之间的关系。它也可以用来揭示神经突触组织与运动神经元的重要作用。例如,单一神经元的放电可用于分析在多重肌肉参与的一项运动任务中的肌电活动问题。在矫正肌电图的穗触发活动中便利化的PSpF存在已经证明,触发一个。同样, PSpS的存在可以被看做是抑制神经元可以抑制肌肉活动的有力证据。(Kasser和Cheney,1985年)。于此同时，神经元的相关活动以及对参与个体运动任务的相关肌肉活动的多渠道记录的即时观测,对于研究个人运动的大量试验也是非常的关键。在这种情况下,对原始肌电信号进行转换，使之转化成更有意义的信号形式，以便即时进行观测和分析就成为了最理想的选择。在理想情况下,经过处理的信号应该是相对平滑,其振幅的变化应该能够反映肌电活动的状况。可以满足以上要求的滤波电路,已经在很早以前就发明出来并投放市场。 (Gottlieb和Agarwal,1970年)。然而,除了要求对肌电信号进行过滤之外,其它信号处理模式,如增益控制、偏移距控制和交流耦合通常也是必须进行的。而所有的这些功能可通过个人对电子模块的整合加工来获取,最常见的是作为一个单一的渠道模式，而要想获得多渠道的肌电信号放大处理器的费用是相当昂贵的。图1 肌电放大器的每个通道由五个阶段进行信号处理和缓冲。为了解决这一问题的需要,我们设计了一个提供了多渠道、模块化、可进行衰减控制、偏移量控制、交流耦合、全波整流和低通滤波功能的通用EMG信号处理放大器。交流耦合、矫正和过滤各自拥有一个可独立转换的信号源(图1)。该放大器的目的是要构成一个高增益的差分放大输入系统。2 电路描述每个放大器模块可以两个通道的信号进行处理，并被设计安装在一个矢量电路板上,并且可以被插入到标准矢量框架底盘上。每个通道分为五个阶段进行信号处理,其中3个可以使用前面板开关加分路控制(图1)。第一阶段可以提供输入隔离,能够对正极或负极的原始EMG直流偏置信号进行修正,同时提供从0到10倍范围的放大。第二、第三和第四阶段可以分别完成对交流信号的耦合,全波整流和滤波。阶段2 - 4可以单独使用前面板开关进行分路控制。第五阶段提供输出隔离和低阻抗输出。放大阶段(第一阶段)由高精度可变增益放大器以及INA101HP型放大器构成(图2)。由于仪表放大器具有高输入阻抗,从而能最大限度的减少信号源的负载。直流偏置调整可以通过改变仪表放大器偏差端口电势的极性和振幅的来完成。增益控制可以通过对741型运算放大器反馈的调整而获得完成。交流耦合电路(第二阶段)由高通滤波器和一个运算放大缓冲器构成。高通图2 肌电信号放大器各阶段的详细电路以及放大器不同阶段电路元件的组成。虚线表示双杆双抛开关。滤波器可以消除不必要的直流偏置信号,而这些直流偏置信号可能会使肌电图信号本身产生显著的扭曲变形。该高通滤波器可以提供低于5赫兹的6dB/八度音阶的衰减。全波整流阶段(第三阶段)可以通过使用美国Analog Devices软件公司生产的AD630型芯片来实现。AD630型芯片是一种多功能的信号加工处理集成电路，在此处用作精密绝对值装置。这个阶段的任务是通过将AD630作为是完成的作为一种平衡调制器进行配置，并且，要将输入信号同时作为信息载体和调制信号进行处理。此外，该装置不需要额外的电路或组件对其提供高精度的校正。低通滤波器（第四阶段）,可以使整流器的输出信号变得更加平滑，并且产生了一种可以通过振幅变化来体现肌电活动水平的信号(图3)。该滤波器是一种使用Scanlan/Key配置的双极性的巴特沃斯数字滤波器并通过一个单位增益放大器进行缓冲。该过滤器可以提供20赫兹以上的12分贝/八度的衰减。因此频率为30赫兹的信号会由于超过一个至少是两个的因素而得到衰减。同时频率在200赫兹以上的信号将会被几乎消除。这种巴特沃斯数字滤波器通常被选用以提供一个短积分常数或30毫秒的阶跃响应以及20赫兹以下通频带1.56倍的常量增益。缓冲模块（第五阶段）仅仅是一种单位增益的缓冲放大器用来提供输出隔离以及低输出阻抗。诸如此类使用高增益、高效能运算放大器的系统，在电源隔离和“过滤”方面要十分的小心。在每一个集成电路上，地极和正负电源总线极之间使用的并联电容器,可以将集成电路之间不期望的相互作用最大限度的减少，同时还可以提高系统的稳定性。可以提供阶段旁路和10向电位计以用于增益控制和直流偏置调整的转换器安装在一个印制电路板上。在印制电路板的后面，可以经由一个边缘卡片连接件通向矢量框架的背面板，在这里，电源和输入输出信号可以按路径进行发送。3 制作的思路和成本在图2中所示的电路，要通过一个可以安装在矢量卡模块上的印制电路板来实现。模块的装配包括填充电路板,以及在面板上安装电位计和开关面板，并且要用电线适当的连接电路板及面板。填充电路板这项工作涉及将集成电路插座、电阻、电容焊接在电路板上，并将集成电路安置在相应插座上。一个带有带状电缆插座的IDC直角门闩被用来将面板组件和电路板进行连接。这种结构使得电路板能够很容易地从相应模块上拆除以便进行必要的维修。一个双通道模块的总装配时间大约为4小时。组装一个带有矢量板的双通道模块的成本大约为150美元。印制电路板的明细表以及前面板丝质屏幕的设计可从作者处获得。图3 从放大器阶段获2和3获得的肌电图记录举例。这些肌电图记录是从一只经过伸手并抓取东西任务训练的猴子的前三角肌肉中获取的(米勒苏达权等,1993)。在这个任务中，猴子开始处于休息状态，它的手放在置于其腰部的装置面板上。当一个信号出现时，猴子将它的手从腰部面板举起并伸进一个装有饭团的圆筒。当猴子的手出现在圆筒(信号缸)中时，红外发光二极管会发出指示。然后猴子将食物送到嘴里并完成任务，并将手放回到腰部面板(初始信号板)。交流耦合电路将收集的这些信号进行记录。4 总结在本文中,我们描述一个将几个常用的EMG信号处理功能进行整合的双通道放大器模块。这些功能包括信号的增益及衰减的控制、基准偏置量调整、交流耦合、全波整流和低通滤波。这些功能可以任意切入或切除以满足不同应用的需要。该放大器的一个重要特征是它的低成本，这使得多通道放大器能够在一个有限的预算内成为现实。虽然将很多功能汇集在一个模块上的放大器在此之前已经投放市场进行商业运营,但制作多通道放大器的成本十分昂贵。例如,使用通过商业渠道获得的模块复制增益和直流偏置调整模块的成本大约是1000美元/通道。同样,合适的低通滤波器成本大约也是1000美元/渠道。而据我们估计,该 EMG信号处理放大器的硬件成本应用约为每通75美元。综上所述,本文详细阐述了一种通用的多功能信号处理放大器,该放大器广泛适用于涉及到肌电图纪录的各类研究。当实验需要大量肌电图信号记录时,这中放大器信号处理模块提供了一个极具成本效益的解决方案。5 鸣谢我们的这项工作获得了NINDS以及HD02528研究中心的授权和资助同时，我们要特别感谢泰德格里森公司的专家给予我们的技术协助。参考文献1. Cheney PD, Fetz EE, Mewes K. Neural mechanisms underlying corticospinal and rubrospinal control of limb movements. Prog Brain Res 1991;87:213-252.2. Fetz EE, Cheney PD, Mewes K, Palmer S. Control of forelimb muscle activity by populations of corticomotoneuronal and rubro-motoneuronal cells. Prog Brain Res 1989;80:437-449.3. Gottlieb GL, Agarwal GC. Filtering of electromyographic Signals. Am J Phys Med. 1970;49:14246.4. Kasser RJ, Cheney PD. Characteristics of corticomotoneuronal post-spike facilitation and reciprocal suppression of EMG activity in the monkey. J Neurophysiol. 1985;53:959-978.5. Lemon RN, Mantel GW, Muir RB. Corticospinal facilitation of hand muscles during voluntary movement in the conscious monkey. J Physiol (London) 1986;381:497-527.6. Maier MA, Hepp-Reymond MC. EMG activation patterns during force production in precision grip. I. Contribution of 15 nger muscles to isometric force. Exp Brain Res 1995;103:108-122.7. Miller LE, van-Kan PD, Sinkjaer T, Andersen T, Harris GD, Houk JC. Correlation of primate red nucleus discharge with muscle activity during free-form arm movements. J Physiol (London) 1993;469:213-243.8. Miller LE, Houk JC. Motor co-ordinates in primate red nucleus: preferential relation to muscle activation versus kinematic variables. J Physiol (London) 1995;488:533-548.9. Porter R, Lemon R