SEMG检测电极的结构、原理及设计

SEMG（Surface electromyogram）即表面肌电信号，是指当骨骼肌收缩时，肌纤维产生的微弱动作电位在皮肤表面募集，并通过表面电极所采集到的信号。SEMG检测电极是用来检测表面肌电信号的有源电极，它是一种无创检测电极，简单实用，应用前景广泛。SEMG检测电极的研制对于表面肌电信号的检测具有重要意义，特别是在临床诊断、人机仿生系统等领域。SEMG信号比较微弱，一般在μV级，极易受到心电信号和工频噪声的干扰，所以应当使用模拟滤波器及陷波器对信号进行调理。此外，电极与前置放大电路之间的距离过长也会使干扰进入检测系统。本设计将电极、放大电路、滤波电路和陷波电路封装在一起并加以屏蔽层保护，缩短电极与信号调理电路的距离，从而降低传导耦合所带来的干扰。

1 噪声与干扰

SEMG信号比较微弱，幅值在15～100μV之间，其信号谱宽一般为10～500 Hz，因此极易受到心电信号和工频噪声的干扰。同时皮肤和组织对肌电信号具有衰减作用，也容易使其受到干扰。在实际检测时，由于来自体表、空中、电源和电路本身等多种因素的影响，使得检测到的SEMG信号中往往夹带着甚低频（接近直流）和高频（远大于500 Hz）的干扰信号。

2 SEMG检测电极

SEMG检测电极即表面肌电检测电极，它是带有缓冲放大器以及滤波电路的电极，所谓缓冲放大电路就是一种具有高输入阻抗，低输出阻抗的放大器，主要实现阻抗变换，可以做到极小体积，与滤波电路附在电极上，实现一体化，极大地缩短了电极连线。在进行表面肌电信号检测时，使用表面肌电电极将采集来的模拟信号送入模数转换器中，进而送入数据处理系统，其原理如图1所示。

图1 SEMG信号采集处理电路

2.1 SEMG检测电极结构

最初设计是采用Ag-Agcl圆盘表面电极，通过导联线引导信号至前置处理电路，结果导致信号基本上全部被工频干扰的噪声所淹没。在大量查阅国内外相关资料后，参照美国delsYs公司的电极，结合实际情况设计了表面肌电检测电极。为了减小噪声干扰的影响，将电极与前置处理电路密封在一起，并加以屏蔽层保护，将采集到的模拟信号转换成数字信号后经由屏蔽双绞线传送至数据处理系统进行处理，大大增强了信号的抗干扰能力。使用时将存放在保存液里的银极棒取出，插入PCB上的卡口，在皮肤上涂上导电胶，并用带魔术贴的绷带将电极固定在肌肉表面，接触面的凹槽设计可以使得电极更加贴紧皮肤，同时不容易移动造成运动伪差。

2.2 SEMG检测电极的设计

表面肌电信号非常微弱，其幅度约为15～100μV，为了方便后续处理（有源滤波A／D转换）准确有效，需将信号放大1 000～2 000倍，使幅值达到0～5 V之间。为了抑制叠加在输入端的共模信号，需要器件提供很高的共模抑制比（CMRR）。由于表皮和皮下肌肉间及电极与接触的皮肤间存在着阻抗，特别是表皮上的角质层在干燥干净的环境下其电阻率可达100 kΩ～1 MΩ，因此要求前级放大有很高的输入阻抗。国内外很多研究人员通过大量实验得出，SEMG信号的主要能量集中在50～150 Hz范围内，在实际检测时由于来自体表空气中、电源和电路本身的多种因素影响，检测到的SEMG往往夹带着甚低频（接近直流）和高频（远大于500 Hz）的干扰信号，为此在SEMG的次级处理电路中需要加入带通滤波器。另外，电源系统的50 Hz工频干扰噪声在许多情况下其幅度之大以至于将有用的肌电信号完全淹没，因此如何抑制50 Hz工频干扰噪声是肌电信号检测中首要解决问题。引入双T陷波器滤除的50 Hz工频干扰信号，其实质是一个带阻滤波器。其SEMG检测电极原理如图2所示。

图2 SEMG检测电极原理

图2中，前级放大电路采用ADI公司结型场效应管（JFET）输入仪表放大器AD8220以及两片AD8627。AD8220的基本原理为三运放仪表放大器，该放大器的特点为JFET差动输入，单端输出。结型场效应管运算放大器AD8627作为电压跟随器，来提高共模抑制比，它是一个低输入偏置电流缓冲器，偏置电流小于1 pA，可采集十分微弱信号。OP2177具有高精度、低偏置、低功耗等特性，其片内集成了2个运放，可灵活组成各类放大和滤波电路，所以跟随器由OP2177构成。此电路中，前级放大倍数G1=1+49.4／（R4+R5）／／R6,设置G1为150，次级放大滤波电路放大倍数G2=10，所以总放大倍数G=G1xG2=150x10=1 500，足以将信号放大至伏级，以便于后级信号处理以及抗干扰能力大大增强。

2.3 SEMG检测电极实验设备

在本设计中，电极采用三极性电极，中间的电极为参考电极，用于降低噪声，提高共模抑制比。电极的极片采用圆柱状金属银条。其电路板如图3所示，尺寸为50 mmx25 mm，实验板的一面固定平行的3根金属银电极，银条之间的距离为10 mm，长为20 mm，孔径为1mm。实验板的另一面为SEMG检测电路，将银条分别接入如图3所示的孔中。在进行检测表面肌电信号时，应该合理地放置电极，避免放在肌肉的外边缘，电极很可能检测到来自邻近肌肉的串扰。测定时需用砂片和酒精擦拭皮肤去除油脂和角质层，并在皮肤上涂抹导电膏或生理盐水，使用粘膏将表面电极固定在皮肤上。电极与皮肤接触表面发生轻微的位移将会产生低频噪声，因此在测量时应在被测者情绪稳定情况下进行并尽量保持身体相对静止状态。总之，应当尽量减少外界对此次实验过程的干扰，才能有效提取有用的表面肌电信号。

图3 SEMG检测电极电路板

3 试验结果

试验是对小臂执行动作时用该电极采集表面肌电图。

图4所示为小臂曲伸动作时，该SEMG检测电极所采集到的表面肌电信号以及得出的频谱特性图。由图可知表面肌电信号幅值约为0～1.5 V，频率约为10～500 Hz。因此采用此电极提取了比较理想的表面肌电信号，有效地抑制噪声干扰。

图4 表面肌电图及频谱图

4 结论

本文所设计的SEMG检测电极，较为成功地运用于实际应用中的SEMG检测。试验表明，设计的表面肌电检测电极较为合理，设计中将电极和信号调理电路封装在一起极大地缩短了电极连线。采用此SEMG检测电极来实现表面肌电信号的检测，可以提高信噪比，减小噪声，有效地提取有用的表面肌电信号。此次研制的SEMG检测电极可能会存在缺陷和不足，在以后的学习过程中将会不断地与相关厂家合作，进行交流，采用其先进的生产工艺和技术，对本电极的设计做更进一步的研究和改善。