一种用于假肢手的可穿戴肌电信号检测装置设计

摘要

肢体残障，特别是上肢残障给生活、工作和学习都带来了极大的不便。特别是在我国这样一个总人口排世界头名的国家，上肢残障人士的绝对数量十分巨大。随着科学技术的发展，利用最新的科技成果帮助残障人士恢复或部分恢复正常人群的生活品质一直以来都是每一位从事生物医学领域研究的科研人员义不容辞的社会责任。
　　本论文立足于实验室自行研究的表面肌电识别算法，面向肌电假肢手，独立开发了一套可穿戴的表面肌电采集装置。主要进行了如下工作：
　　对表面肌电信号的产生机理从生理学和解剖学的角度进行了分析。以及对使用多通道生理信号记录仪采集到的较为标准的表面肌电信号进行了幅值、频率特征分析，为肌电检测电路设计确定了主要技术指标。
　　从无源电极传感器入手，设计实验检测干湿两种电极，分别检测了两种电极自身的阻抗特性：湿电极的阻抗变化较小，阻值较小，以容性为主，阻抗随频率升高而降低；干电极阻抗变化较大，阻值较大，也为容性，阻抗随频率变化的特性与湿电极相同。设计实验检测干湿两种电极分别与人体耦合后的阻抗特性。湿电极耦合阻抗特性表现为变化较稳定，阻抗随频率升高而降低；干电极阻抗特性表现为稳定耦合需要时间较长，电阻值较大，两者均表现为容性耦合。
　　围绕有源肌电检测电极电路，设计了一种含有工频陷波器的有源电极电路，该电路实现了对表面肌电信号的放大、信号调理功能。测试了该电路的幅频特性、共模抑制比和输入电阻特性并实际采集表面肌电信号。设计与对照组表面肌电信号的对比实验，选取时域和频域特征值，对电路方案做出功能性评估，认为这一电路方案能够较为有效地检测到表面肌电信号，时域特征值指标与对照组信号的变化趋势较为接近，但也发现该电路方案存在抗基线偏移性能差的缺点。
　　针对缺点设计了一种基于减法器的基线消除电路，用于抑制基线漂移。测量了其幅频特性、共模抑制比和输入电阻特性。设计功能性实验证明了在实际表面肌电采集过程中，这种电路方案能够较长时间稳定的采集不同力量水平下的表面肌电信号，可以用于为肌电假肢手提供控制源信号。最后，实现了穿戴式肌电信号采集装置的相关硬件电路设计，实现了处理器正常运行、处理模拟信号、与下位机通信的功能。
　　再次，依照电极规则和可穿戴设备的相关要求，对整套装置进行了外壳结构设计，并使用3D打印技术将设计制造出来。对整机的外形尺寸和重量实施了测量，对实际穿戴效果进行了演示。
　　最后，本文对全部工作进行了总结，对在开发过程中所得到的有益经验和存在的问题如实的进行了说明并对今后可以开展的工作方向进行了展望。

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目录

1 绪 论

1.1 研究背景

1.2 肌电控制信号的研究进展

1.3 论文主要内容

2 表面肌电信号分析研究

2.1 肌电信号的形成机理

2.2 肌电信号的采集方式

2.3 人体前臂肌肉的解剖结构

2.4 表面肌电信号源分析

2.5 电路需求分析

2.6本章小结

3 有源电极电路设计

3.1 方案流程

3.2 有源电极硬件设计

3.3 电平变换和钳位电路

3.4 电路性能测试

3.5 表面肌电信号实验测试

3.6 本章小结

4 抑制基线漂移的肌电信号检测改进电路设计

4.1 分析问题与提出假设

4.2 有源电极硬件设计

4.3 电气特性测试

4.4 肌电信号检测有效性实验测试

4.5肌电信号检测时效性实验测试

4.6 本章小结

5 穿戴式肌电检测装置的结构设计

5.1 有源电极结构需求

5.2 有源电极结构设计

5.3 控制盒结构需求

5.4 控制盒结构设计

5.5 结构实现与测试

5.6 控制电路的功能和结构设计

5.7 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目

B. 作者在攻读硕士学位期间取得科研成果