课程设计-医用电子学肌电直流放大器设计报告及测试报告

-1-设计报告及测试报告医用电子学肌电直流放大器设计报告及测试报告四设计报告部分：一、直流肌电放大器的设计目的、意义、价值：1、设计目的：本设计的目的主要集中在从人体采集肌电信号并对其进行放大，进而呈现在示波器上用于人体肌肉的电生理现象的检测和观察。通过显示的肌肉的电生理现象的波形和波形的变化来检测被测对象的生理状况。2、设计价值：-2-设计报告及测试报告本设计采用的是电池供电的直流肌电放大器，不仅可以设法做到低功耗，而且可以设计做成便携式的肌电检测仪，用于户外运动等场合随时检测被测对象的生理状况，以便及时地做出相应的反映，也使得生理状况的检测可以在医院以外的地方随时进行，为广大人民群众提供便利。3、设计意义：肌肉的生物电活动形成的电位随时间变化的波形称为肌电图EMG（electromyography），肌肉的活动是一种快速的电活动，振幅在20μV—5mV，频率为2kHz--10kHz（临床上的常规肌电图检测取10Hz—1000Hz就足够了）。主要用于判定神经肌肉的功能状态，协助对运动神经疾病进行诊断，被广泛应用于神经科、骨科、耳鼻喉科及口腔科，有巨大的临床意义。运动单元是肌肉活动的最小单位，它由一个运动神经元以及它的轴突所支配的一组肌纤维组成。不同的肌肉组织，一个运动单元所支配的肌纤维的数量不同，且差异很大。一个运动单元在整块肌肉组织上占据一定的区域，其直径可达几个毫米。正常肌肉在完全放松时没有电活动，称为电静息。当肌肉正常收缩时，出现的动作电位称为运动单位电位。由于针电极的面积相对很小，所以肌电图记录的运动单元电压都是部分运动单位的电活动的总和，其波形也受到多种因素的影响，包括记录到的肌纤维数目，肌纤维的电场在时间和空间上的分布以及记录电极和终板区域的位置关系等。肌电图总体上分为两种，常规肌电图和诱发肌电图：常规肌电图临床上检查三态，指骨骼肌松弛状态，骨骼肌轻度及用力收缩状态与被动牵张状态，主要包括：1、插入电位：是指电极插入、移动、扣击时，电极针对肌纤维的机械刺激所诱发之动作电位，正常肌肉此瞬时放电持续约100毫秒，然后转为静息电位。2、静息电位：当电极插入处于完全松弛状态下的肌肉时，无动作电位出现，显示屏上表现为一条直线。3、运动单位电位（MUP）：运动单位电位波形根据其离开基线偏转的次数分为双项、三项、多项等，五项及以上为病理或异常。运动单位电位从离开基线的偏转起到返回基线所经历的时间称为时程，其变化较大，一般为-3-设计报告及测试报告3—15毫秒。正常肌肉运动单位电压是亚运动肌纤维兴奋时动作电位的综合电位，一般为100—2000微V，最高不超过5毫V。4、被牵动时肌电变化：肌肉放松时使关节被动运动，观察运动单元电位的状况。5、不同程度随意收缩的肌电相：骨骼肌不同程度收缩时，参与活动的运动单元增多，波形包括单纯相、混合相和干扰相。常规肌电图主要用于神经源性和肌源性疾病的鉴别诊断以及对神经病变的定位，损害程度和预后判断。诱发肌电图：肌肉活动是受周围神经直接支配的，因此可以用各种方法刺激周围神经，引起神经兴奋，神经再把这些兴奋传递给终板，使肌肉收缩，产生动作电位，可以用于测定神经的传导速度和各种反射以及神经兴奋和肌肉兴奋反应，临床上的应用常有：运动神经传导速度（MCV），感觉神经传导速度（SCV），F波（FWV），H反射（H-R），连续电刺激（RS），这些测定从广义上说都可称为诱发肌电图，也称神经电图（ENG）。诱发肌电图在了解周围神经肌肉装置状态，了解脊髓、脑干、大脑中枢的机能状态以及诊断周围神经疾病和中枢疾病上具有重大的意义。二、肌电信号及放大器设计概述：1、肌电信号的幅值范围在2μV到5mV，属于微弱电信号，因而需要引入的放大器的增益较高，又由于考虑到在获取肌电信号时想采取无创的体表取信号，故而肌电的信号可能会比较微弱，因而在设计中会采取2200－4400倍左右的放大。2、肌电信号的频率范围非常宽，在2Hz－10kHz，而主要信号能量主要集中在10Hz－1000Hz，而由于表面电极检测的肌电信号的频率范围主要集中在10Hz－500Hz之间，本设计采用的频率范围为10Hz－600Hz，可能由于参数的设计有所变动。3、人体肌肉组织是皮肤表面肌电信号的信号源，它发放的肌电经过皮下软组织的体电阻传输至皮肤表面（体电阻约为几百欧姆），但是表面电极与皮肤之间的接触阻抗比较高，约在几千欧姆到几十万欧姆。另外接触电阻还会受电极与皮肤的接触松紧程度、皮肤的清洁程度、皮肤湿度、甚至四季时-4-设计报告及测试报告令变化等众多因素的影响，变化会很大。由此可见，对于肌电放大起来说，肌电信号源是一个高内阻的信号源。因此，要求设计时放大器有较高的输入阻抗，来平衡并减小高信号源内阻带来的影响。4、人体可以说是一个导体，处在地球这个巨大的电磁场里必然会使我们在进行肌电信号的测量时受到一定的影响，更何况现代社会各种医用、实验室用电磁设备和外界的高频电磁信号充盈着世界的每个角落，其在信号提取和测量过程中带来的影响不可忽略，与此同时，人体内还存在的心电信号、脑电信号等信号也必须予以抑制，而由于这种信号的影响多属于共模信号形式，故而需要放大器的设计整体有较高的共模抑制比。5、由于人体的肌电信号是比心电信号还要微弱的电信号，故而在设计放大器时必须考虑放大器内部的低噪声和低漂移特性。6、由于此设计是采用直流供电，因而设计放大器时必须考虑低功耗的问题。三、总体设计：1、总体电路的设计框图如下图：2、整体参数的设计：根据肌电放大器的分析要求，确定整体参数如下：差模电压增益：VCA=1100差模输入阻抗：大于10M共模抑制比：大于80dB频率带宽：10――500Hz3、整体电路框图设计的概述：肌电信号的采集采用表面银电极，无痛方便；高频预滤波电路是滤掉频率比较高的高频信号，防止斩波带来的影响；前置放大电路对肌电信号进行初步的放大，同时通过右腿驱动电路消除50Hz的共模信号干扰，高通网络和射跟网络用以消除极化电压和共模信号带来的影响，使得前置放大可以设置尽可能高的放大倍数，采用1100倍；低通滤波和高通滤波用以消除10Hz－600Hz以外的肌电信号；50Hz双T陷波器用以消除工频干扰；后级放大电路用以进一步放大采集的肌电信号以便于显示于示波器上进行观察。-5-设计报告及测试报告四、单元电路的设计：1、信号提取――表面电极提取肌电信号：（1）、要在人体肌肉(信号源)与肌电控制装置之间建立电的良好联系，就必须依靠引导电极。但并不是任何形状、尺寸、材料和工艺制作的电极都能取得肌电引导的良好效果的。这是因为电极材料要与人体组织(包括细胞组织和体液等)接触，不仅有电化学方面的联系，也会发生物理的和化学方面的作用。电极按构造的不同大致可作如下分类:表面电极与其它电极相比具有很多优点，选用表面电极引导肌电应考虑如下因素:(1)由于人的皮肤基本上是电的不良导体，而皮下组织却是电的良导体，它们之间存在阻抗(电阻)，于是实际形成了在信号源与信号放大器电路之间构成了串联回路。当放大器输入阻抗较低而皮下组织阻抗较高时，输人体普通银电极高频预滤波电路前置放大电路低通滤波电路50Hz双T陷波器右腿驱动电路右腿后级放大电路输出显示V3电池为MAX4194供电或12V为AD620供电电源-6-设计报告及测试报告入信号将大为减弱，使电极引导肌电的效果不良。选用高输入阻抗的放大器，可以提高输入电压，但会影响整个系统对周围环境电气干扰的抗干扰能力(即对电气干扰敏感)。因此放大器输入阻抗应选取适当;(2)电极与皮肤表面接触，它们之间形成一个界面产生接触电阻。由于皮肤表面汗液等(含NaC1)化学成分，界面上可能发生溶液的电解并产生有损皮肤组织的物质，应当考虑在肌电信息的检出过程中，使电极接触阻抗保持稳定(通常这种接触电位差达几百毫伏电平，远远超过微弱的肌电发放电平)，并避免对人体有害的物质产生:(3)不是采用悬浮电极的情况下，电极与皮肤表面发生的微小位移会引起噪音，干扰肌电信号;(4)肌电信息在人体组织内的传递(容积导体)，会随着距离的增加而很快急减。因此，电极适宜贴放在肌电发放最强的肌腹部，以减少邻近肌肉的肌电干扰(串音)。采用较小的电极可提高选择性，但会增加电极与皮肤间的接触阻抗。本文电极是参照被肌电假手广泛采用的表面电极设计制作的。电极极片的基体用铜制作，表面镀银，其形式采用常用的双极型，并在两个电极中间插入了一个参考电极，也称作无关电极，以利于降低噪声，提高对共模信号的抑制能力。电极贴在绝缘塑料板上。其形状如图3-1所示:（2）、电极在测量中的放置问题：电极的放置是在表面肌电信号检测中值得注意的问题，在放置检测电极时应该注意以下问题：①、电极应避免放在肌腱上。因为肌纤维在接触肌腱处会变得更细，而且肌纤维数量也减少了，导致肌电信号幅值的降低。②、电极应该避免安放在肌肉运动点。运动点即肌肉上能施加更小电刺激就能观察到表面肌纤维抽动的点。运动点附近的信号不稳定。③、电极应沿肌肉纤维的纵向放置，即电极的长轴与肌纤维的长轴方向平行。④、电极应避免放在肌肉的外边缘，电极很可能检测到来自临近肌肉的串扰。2、高频预滤波电路（实际电路中未采用，带来噪声太大）：一般放大器的高频滤波都放在后级，这样虽然可以消除高频干扰在后级输出信号中的直接出现，但是却无法消除高频干扰对放大器前级的影响。通常导电极或引导线上往往感应有较强的高频干扰，。由于电极电位的影响，放-7-设计报告及测试报告大器前级的基线发生偏离，接近正电源或者接近负电源。这样在高频信号通过时（一部分被斩波）出现类似二极管斩波的效应，产生一个低频的成分，易被误认为肌电信号的一部分。其实质是过强的高频信号在通过前级时形成阻塞，进而通过斩波的方式产生一个低频干扰信号，如果在前级设计一个电路对高频的信号进行预滤波，即可以大大减少此类干扰出现的可能性。因此设置一个高频预滤波电路来避免上述情况。由于高频滤波的作用，放大器的输出信号已无高频成分，这样同时也不能发现这种干扰的真正来源。当然前级的滤波电路不能损害放大器的其他指标。图示的电路既可以滤除差模高频信号，又不破坏放大器两边对称的要求。此处设计如下图的高频预滤波电路，也就是一个简单的对称匹配的低通网络，只不过低通的截至频率要比一般低通高得多。参数选择：高频滤波的电阻选择R＝24KΩ，C＝560PF，截至频率为f=11.84kHz。3、前级进入的保护措施（已采用方案）：对于这种保护措施，可以再前置放大器两输入端对地接入保护电路T1、T2加以解决，从保护电路的角度进行选择是确保前置放大器的正常情况下的高输入阻抗，也就是T1、T2不应该有任何漏电流，且在干扰电极冲击下保护仪器本身不会被损坏。由图可知此保护电路的击穿电压为bV，且应选择高于正常生理信号。针对不同强度的干扰电压来选择保护器件。对于低电流的情况，正常情况下工频干扰可达到-8-设计报告及测试报告300mV左右，这样就可以在前置放大器每一输入端并联一对反方向的硅二极管，mVVb600。4、前置放大电路：（1）、合理安排隔直流电容（如果并联差动放大的放大倍数不高，可以省去这两个电容）：人体体表存在直流形式的皮肤电位，通常皮肤层上大约有20mV的电压存在。另一方面，电极与皮肤间由于化学特性不同也会产生接触电位。如果不将这部分表现为直流的电位滤除，会导致具有高增益的前级放大电路饱和阻塞。如果简单地在两个差分输入电极与放大器输入端之间加入电容来隔离皮肤电位会因为电容容量的离散而导致差分电路不平衡，使得共模抑制比下降。在我们的设计中，将容量相等的隔直流电容加在电阻R1两端。当R2=R3时，前级差分放大电路增益为K=1+122RR。加入电容，后直流电流不再流经R3，所以，使得直流增益降低，从而消除了皮肤电位，而且保持了电路的平衡。（2）、并联式差动放大电路：在前置放大电路的最前端采用了并联式差动放大电路，增益为11。我们知道在运算放大器是理想的情况下，并联差动放大电路的输入阻抗为无穷大，输出阻抗为0，这样其共模抑制比也为无穷大，而且在理论上共模抑制比与外围电阻