表面肌电图系统及其电极板

摘要

本发明公开了一种表面肌电图系统，包括：设置有电极阵列与第一放大和滤波电路的电极板，其中电极阵列采集每个电极对应的皮肤位置的电位，第一放大和滤波电路分别对电极阵列中两两相邻电极对应电位之间的差值进行放大和滤波，以分别获得多个具有第一放大倍数的低阻抗表面肌电信号；信号调理板上设置有分别对所述低阻抗表面肌电信号进行放大和滤波的第二放大和滤波电路，以获得多个具有第二放大倍数的表面肌电信号；数据采集装置采集所述第二放大倍数的表面肌电信号并转换为对应的数字信号；空间滤波装置利用数字信号将电极阵列对应的表面肌电信号进行空间滤波。本发明能够获得高质量低噪声的多点表面肌电信号。

说明书

技术领域

本发明涉及一种医疗诊断装置，尤其涉及一种肌电图系统及其电极板。

背景技术

肌电图(Electromyogram，EMG)是应用电子学仪器记录肌肉静止或收缩时的电活动，及应用电刺激检查神经、肌肉兴奋及传导功能的方法。利用肌电图装置对由肌肉产生的电位进行测量和记录，从而获得描绘肌肉电活动的肌电图。

表面肌电图(Surface Electromyogram，sEMG)是从皮肤表面检测相应位置内部肌肉肌电图的方法，这种方法与传统的针电极EMG相比，具有无痛苦无损伤的优点。现有技术提出一种运用阵列式电极采集表面肌电信号的装置，该装置可以直接放置在皮肤表面，通过以多个电极组成阵列来形成电极阵列，每个电极采集对应皮肤位置的电位。如图1所示，通过空间滤波方法对利用多个电极阵列1采集的多个电位叠加，从而获得具有更好肌肉运动单位分辨能力的表面肌电信号。

在现有技术中，通过电极阵列采集的多个表面肌电信号首先通过放大电路进行放大处理，以满足对应数据采集卡的采集要求。然后将数据采集卡输出的数据输入到计算机装置中进行空间滤波。但是，由于采集表面肌电信号的电极阵列需要通过电缆与放大电路连接，在实际应用中经电缆传输的高阻抗的表面肌电信号会受到空间电磁场和工频交流电的干扰，这种干扰从而影响了最终获取的表面肌电信号的质量。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决现有技术中的上述问题之一。

为此，本发明的实施例提出一种能够提高表面肌电信号质量的表面肌电图装置及其电极板。

根据本发明的一个方面，提供了一种表面肌电图系统，所述表面肌电图系统包括：电极板，所述电极板上设置有电极阵列与第一放大和滤波电路，其中所述电极阵列采集每个电极对应的皮肤位置的电位，所述第一放大和滤波电路分别对所述电极阵列中两两相邻电极对应电位之间的差值进行放大和滤波，以分别获得多个具有第一放大倍数的低阻抗表面肌电信号；与所述电极板输出端电连接的信号调理板，所述信号调理板上设置有分别对所述低阻抗表面肌电信号进行放大和滤波的第二放大和滤波电路，以获得多个具有第二放大倍数的表面肌电信号；与所述信号调理板输出端电连接的数据采集装置，以采集所述第二放大倍数的表面肌电信号并转换为对应的数字信号；和空间滤波装置，利用所述数字信号将所述电极阵列对应的表面肌电信号进行空间滤波。

根据本发明进一步的实施例，所述第一放大和滤波电路包括高通滤波单元、差分放大器以及低通滤波单元，所述高通滤波单元的两端连接到所述差分放大器的两个增益调整端，所述低通滤波单元与所述差分放大器的输出端连接。所述高通滤波单元包括串联的电阻和电容。所述低通滤波单元包括串联的电阻和电容，其中所述电阻一端与所述差分放大器的输出端连接，所述第一放大和滤波电路的输出端连接在所述电阻的另一端和所述电容一端之间，所述电容的另一端接地。

根据本发明进一步的实施例，所述第二放大和滤波电路包括第一电阻、第一电容、第二电阻、第二电容以及运算放大器，所述第一电阻和所述第一电容串联连接到所述运算放大器的反相输入端，所述第二电阻连接在所述运算放大器的反相输入端与输出端之间，以及所述第二电容与串联连接的所述第一电容和第二电阻并联。

根据本发明进一步的实施例，所述电极板为多层印刷电路板，所述多层印刷电路板的顶层焊接有所述第一放大和滤波电路，所述多层印刷电路板的底层上设置有所述电极阵列，以及所述多层印刷电路板的中间层设置有向所述第一放大和滤波电路供电的正负电源线路。

根据本发明的另一方面，提出了一种采集表面肌电信号的电极板，包括：设置在所述电极板上的电极阵列，所述电极阵列采集每个电极对应的皮肤位置的电位；和设置在所述电极板上并与所述电极阵列连接的放大和滤波电路，所述放大和滤波电路分别对所述电极阵列两两相邻电极对应电位之间的差值进行放大和滤波，以分别获得多个具有低阻抗表面肌电信号。

根据本发明进一步的实施例，所述电极板为多层印刷电路板，所述多层印刷电路板的顶层焊接有所述放大和滤波电路，所述多层印刷电路板的底层上设置有所述电极阵列，以及所述多层印刷电路板的中间层设置有向所述放大和滤波电路供电的电源线路及所述放大和滤波电路的输出信号走线。

根据本发明进一步的实施例，所述放大和滤波电路包括高通滤波单元、差分放大器以及低通滤波单元，所述高通滤波单元与所述差分放大器的两个增益调整端并联，所述低通滤波单元与所述差分放大器的输出端连接。

本发明通过将表面肌电阵列电极以及放大和滤波电路封装在一起，从而可以避免采集的高阻抗表面肌电信号通过电缆传输，从而抑制空间电磁场和工频交流电对采集信号的干扰，从皮肤表面获取高质量、低噪声的多点表面肌电信号。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为NDD空间滤波方法示意图；

图2为本发明实施例的表面肌电图系统的结构示意图；

图3为本发明实施例的电极板的印刷电路板剖视图；

图4为本发明实施例的电极板上电极阵列与第一放大和滤波电路的连接关系示意图；

图5为本发明第一实施例的第一放大和滤波电路的高通滤波电路结构图；

图6为本发明第二实施例的第一放大和滤波电路的高通滤波电路结构图；

图7(a)与7(b)分别为电极板与皮肤之间接触的无运动伪迹和有运动伪迹示意图；

图8为本发明第三实施例的第一放大和滤波电路的高通滤波电路结构图；

图9为本发明实施例的第一放大和滤波电路的总体结构电路图；

图10为本发明实施例的电极板元件排布示意图；

图11为本发明实施例的信号调理板的电路结构图；

图12为本发明实施例的信号调理板的电源供应电路示意图；

图13(a)为现有电极阵列采集的表面肌电信号的波形图；和

图13(b)为本发明实施例的表面肌电图系统输出的滤波波形图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

现在请参考图2，该图为本发明实施例的表面肌电图系统的结构示意图。如图所示，本发明实施例的表面肌电图系统包括电极板10、信号调理板20、数据采集装置6以及例如计算机处理装置7的空间滤波装置。

电极板10上设置有多个纵横以阵列形式布置的电极阵列与第一放大和滤波电路，其中电极阵列采集每个电极对应的皮肤位置的电位，第一放大和滤波电路分别对电极阵列中两两相邻电极对应电位之间的差值进行一级放大和滤波，以分别获得多个具有第一放大倍数的低阻抗表面肌电信号。关于电极板10的详细描述稍后下文中将给出。

信号调理板20通过电缆3与电极板10输出端电连接，信号调理板20上设置有第二放大和滤波电路，以分别对电极板10输出的多路低阻抗表面肌电信号进行二级放大和滤波，以获得多个具有第二放大倍数的表面肌电信号。其中电池4连接到信号调理板20上，为信号调理板20和电极板10供电。

数据采集装置6通过电缆5与信号调理板20输出端电连接，以采集第二放大倍数的表面肌电信号，这里经过信号调理板的第二放大倍数之后的总放大倍数能够满足表面肌电信号测量所需放大倍数，即满足数据采集装置6的要求。然后，数据采集装置6将采集的表面肌电模拟信号(电位信号)对应转换为数字信号。该数字信号传送给例如计算机等数据处理设备的空间滤波装置，则执行对电极阵列对应的表面肌电信号的空间滤波。

下面，分别结合附图对本发明的表面肌电图系统的各个装置详细说明如下。

首先参考图3，图3为本发明实施例的电极板的印刷电路板剖视图。

电极板10由多层印刷电路板构成，该构建方式易于工艺的实现。在该实施例中电极板采用四层印刷电路板，例如玻纤环氧树脂板材，总厚度为1.6mm。

印刷电路板的底层34在使用中接触皮肤16，该层上的圆盘形“焊盘”14用镀金、银或其它涂层的工艺做出按阵列排布的表面肌电电极，这些电极暴露在外面与皮肤接触。非电极部分以电路中的“地线”22覆盖并敷以绝缘层或阻焊膜18，在非电极部分的其中一部分预定尺寸区域的“地线”，例如图5所示圆盘形阵列式电极38构成的整个电极阵列一端的矩形区域40的“地线”不加以绝缘层覆盖，而是镀金、银或其它涂层并接触皮肤，以形成电极阵列测量皮肤电位的电位参考点。其中底层34中不包含除电极和“地线”之外其它信号的金属连线。

多层印刷电路板的顶层包含焊有表面贴装的差分运算放大器和高、低通滤波电路的相关元件12，并具有这些电路的部分连线32。差分运算放大器36将纵横向两两相邻电极38的电位差放大(如图5所示)，并配合外围元件对信号进行高通滤波和低通滤波。顶层上还焊有表面贴装的多针/多孔插接件，从而将放大后的低阻信号引出，并利用电缆3连接至信号调理板20。

在印刷电路板上与顶层相邻的第一中间层上布设正负电源线26，并通过盲孔28连接到顶层，从而为对应的差分运算放大器电路供电。

在与底层相邻的第二中间层上布设由差分运算放大器连接至各低通滤波器的电阻的信号连线24，并通过盲孔28连接到顶层，以连接相应的差分运算放大器和电阻。

在顶层中焊接的差分运算放大器、所有外围元件及电缆插接件等所有元件均为表面贴装，无插针延伸到其它任何层。电路中所有的“接地”点由通孔30连接至底层34，所有通孔由绝缘的阻焊膜覆盖。

现在参考图4，图4为本发明实施例的电极板上电极阵列与第一放大和滤波电路的连接关系示意图。

首先如图4所示，本发明实施例的阵列电极为在底层34上布设的20个纵横相邻排列的圆盘电极38，分为4行8列。例如阵列电极所在印刷电路板的尺寸89mm×43mm，每个圆盘电极3 8的直径2.5mm，电极38纵向和横向两两之间的间距分别为10mm。相应地，电极38上有纵横30个差分对，其序号和极性由图4给出。例如序号“+02-”表示该电极对连接第一放大和滤波电路的放大器36，得到的信号为左边圆盘电极的电位减去右边圆盘电极的电位。竖向的“-03+”表示连接第一放大和滤波电路的放大器36，得到的信号为下面电极的电位减去上面电极的电位的相邻电位之差。另外，电路板四角做成半径为5mm的圆角，避免按压在皮肤上带来的不适。

从图4可知，电极板10的20个电极构成的阵列上有纵横30个差分对，因此对应的第一放大和滤波电路为30路，即每路电路相应地对接收的表面肌电信号进行一定倍数的放大和滤波。当然，本发明的阵列电极数量以及对应的第一放大和滤波电路的数量不局限于该具体实施例，本领域普通技术人员可以根据电极板的实际设计需求和工艺要求设置相应的电极阵列数量，以及根据电极阵列的电极差分输出路径数量设定对应的第一放大和滤波电路数量。

由于电极板10需要与皮肤接触，因此在本发明的实施例中受到尺寸的限制，电极板10中仅包含将阵列电极采集的相邻两电位信号差分放大一定倍数的功能以及部分高低通滤波功能。并结合后续的信号调理板30对电极板10输出的低阻抗表面肌电信号再次放大和滤波，以获得满足要求的表面肌电信号。但是需要指出的是，若不受到尺寸限制，可以省略信号调理板30实现的二次信号放大和滤波，而在电极板10中设置可以直接将相邻两电位信号差分放大满足要求倍数的功能以及高低通滤波功能。

下面将结合电极板10尺寸限制的情况对第一放大和滤波电路的具体实施例给出详细说明。

此外，在实际使用中，由于运动时电极板与皮肤的接触松紧变化会引起低频噪声(运动伪迹)，如图7b所示，另外图7a为无运动伪迹，因此在第一放大和滤波电路中需要使用高通滤波。下面，结合图5、图6和图8分别对本发明的几种高通滤波电路方案给出说明。

图5为本发明第一实施例的第一放大和滤波电路的高通滤波电路结构图，图6为本发明第二实施例的第一放大和滤波电路的高通滤波电路结构图，以及图8为本发明第三实施例的第一放大和滤波电路的高通滤波电路结构图。

图5所示的第一放大和滤波电路为标准阻容一阶高通滤波电路，包括高通滤波电路42和三运放结构的差分放大器36。在图6所示第一放大和滤波电路中，高通滤波电路42设置在差分放大器36的后端。但是在图5的实施例中，在信号输入端的高通滤波会由于R1、C1、R2、C2这些元件值的匹配误差带来共模噪声，并且该结构可能会降低放大电路的输入阻抗。而图6的实施例则不能够避免低频噪声导致的差分放大器饱和。

如图8所示，本发明第三实施例的第一放大和滤波电路的高通滤波电路42由接在三运放结构的差分放大器36两增益调整端的串联电阻和电容实现。该结构可以在最前端滤除由运动时电极与皮肤的接触松紧变化引起的低频噪声，避免低频噪声导致的差分放大器饱和。

在实际应用中，若图8所示电容Cg受到面积限制，则容量受限，从而由低通滤波截止频率决定的电阻Rg的阻值也受限。这样，由该电阻Rg决定的该级第一放大倍数受限。因此其余所需满足要求的放大倍数由信号调理板30完成。关于该实现方案下文中将会给出详细说明。

电极板10上每个差分电极对所对应的电路如图9所示，该图显示了本发明实施例的第一放大和滤波电路的总体结构电路图，其中包括高通滤波电路42、差分放大电路36以及低通滤波电路44。其中低通滤波电路44包括串联的电阻Rf和电容Cf，其中电阻Rf一端与差分放大器36的输出端连接，第一放大和滤波电路的输出端OUT连接在电阻Rf的另一端和电容Cf一端之间，电容Cf的另一端接地。

在实施例中，差分放大电路36为精密差分运算放大器AD8220，从而实现将两相邻正电极和负电极上的电位差进行放大，例如放大倍数满足公式A＝49.4KΩ/Rg+1。结合上述的20个电极的阵列，该电路共有30组。

由于皮肤阻抗可高达数兆欧并具有一定的随机性，运放的电流噪声将成为表面肌电信号测量的主要噪声源；工频干扰除通过电缆耦合到电路之外，也作为共模信号输入到运算放大器内，因此运算放大器具有高的共模抑制比(CMRR)可进一步降低工频干扰；高密度的电极阵列要求运放有较小的面积。AD8220具有低达的电流噪声，高达100的共模抑制比和小达5mm×3mm的面积可以作为优选方案使用。

串联接入放大器增益调整端的电阻Rg和电容Cg决定了放大器高通滤波的截止频率FL，满足公式FL＝1/(2πRgCg)，而电阻Rg决定了放大器的通带增益。因面积限制，电容Cg和电阻Rg均可选用“0603”的表面安装型号。此封装的电容目前可以找到的最大容量为4.7uF，设计高通滤波的截止频率为20Hz，因此电阻Rg为1.6KΩ，该级放大器36的通带增益限制在了31.9倍。

放大器36后串联的电阻Rf和电容Cf决定了放大器的低通截止频率，例如设计该低通滤波电路44的截止频率为1000Hz，选用电阻1KΩ，电容150nF。

图10显示了本发明实施例的电极板元件排布示意图。如图所示，电极板10可以分电极部分和接口部分。

电极部分排布有20个电极38构成的阵列，从电极板的印刷电路板顶层俯视，电极与电极之间的运算放大器36在纵横两两电极圆盘38中间排列。高通滤波电容Cg和电阻Rg分别放置运算放大器36无引脚的两侧，信号、接地、电源的盲孔和通孔放置在运算放大器36的5-8脚50的一侧。所有运算放大器36及电阻、电容、盲孔、通孔有序排列。这里仅给出了相关元件的放置位置的一个实例，对应的各个电极与对应运算放大器36、电容、电阻等设置关系与上文所述相同。

接口部分放置有电极板10连接到信号调理板30的插接件52，在插接件52两侧放置有低通滤波电路的电容Cf和电阻Rf。

在一个实施例中，电极部分和接口部分之间的空隙可以放置电源保护二极管46和电源滤波电容48。

电极板10与信号调理板30可以通过多针/多孔插接件连接，在上述实施例中，可以通过34针的排针与排线连接，即电极板10与信号调理板30之间的连接电缆为34路排线。该对排针为2排*17，间距2.0mm。排线两头压接2*17插座，与排针配套。该34针按顺序分别连接正电源、“接地”、30路的输出信号、“接地”、负电源。文中所有的“接地”均为正负电源的中点且与信号采集设备的接地端相连。

为了防止该34针排线插座在排针上插反导致电源反接烧毁电极板10上的元件，正负电源均串接二极管46进行保护。当反向插接时，两二极管截止，从而电极板10不被加电。

在结合上述图9实施例的第一放大和滤波电路获得的第一放大倍数和高、低通滤波阶数的情况下，若本实施例的数字采集装置6共需1000倍的总增益，信号调理电路30则需要具有31.4倍的增益。

图11显示了本发明实施例的信号调理板的电路结构图。如上文所述，信号调理板通过多针/多孔插接件用电缆与电极板10连接。信号调理板30的每路调理电路与电极板10的每对差分放大后的信号相对应。每路调理电路使用一个单元的运算放大器实现一定倍数的放大、一阶高通滤波和一阶低通滤波。经过该级的放大倍数之后的总放大倍数则满足数据采集装置6对表面肌电信号测量所需放大倍数的输入要求。

信号调理板30上每路信号对应的调理电路的电路图如图11所示。结合上述具有20个电极的电极板实施例，调理电路共有30路。这里，采用的运算放大器可以是双运算放大器。在图11实施例中，30路的调理电路例如可以由15个双运放AD706(图11中编号56对应的元件)实现，其中AD706具有合适的带宽和高达110dB的共模抑制比。

每路电路可以由运放AD706、电阻R1＝30KΩ、电容C1＝470nF、电容C2＝82pF、电阻R2＝1MΩ构成，它们实现了32倍的放大，截止频率为20Hz的一阶高通滤波和截止频率为1KHz的一阶低通滤波。

至此，从电极板10输出的皮肤表面差分的肌电信号，到最终信号调理板30的AD706的输出，信号共计放大1000倍，并且经过20Hz高通滤波器共计2阶，经过1KHz低通滤波器共计2阶。信号调理板30的30路最终的输出表面肌电信号由一个2*17的排针，通过多针/多孔插接件用电缆5传送给数据采集装置6。

另外，信号调理板30还包括电源供应电路部分，用来将电源适配器或电池的电压转换为正负对称的双电源，为电极板10和信号调理板30上其它的所有电路供电。图12为本发明实施例的信号调理板的电源供应电路示意图。

例如，信号调理板30由12V电源适配器供电，由电源芯片MC34063通过图12所示的左右两个电路58和60分别转换为+5V和-5V，为电极板和信号调理板的电路供电。

根据图示的该电路具体参数，其输出电流可达100mA，纹波电压小于5mV，可满足上述电路的要求。

在实施例中，数据采集装置6可以是NI USB-6218，其采集30个通道的表面肌电信号的电位数据，并利用通用串行总线(USB)等接口传输到例如计算机7的空间滤波装置上，计算机7将采集到的数据进行记录。

在计算机7上，通过将几个通道的数据相加减，即实现表面肌电信号的空间滤波。比如，将该电极阵列采集到的表面肌电信号按图4中的通道16+通道28-通道15-通道18，也就是说，通道16加上通道28减去通道15减去通道18即可实现一个正常双差分方式(NDD，Normal DoubleDifferential)空间滤波。

本发明实施例的表面肌电图系统输出的滤波波形图如图13(b)所示。与图13(a)相比，其中图13(a)为现有电极阵列采集的表面肌电信号未进行空间滤波的两点之间差分(例如图4中的通道16)的单独波形，可见本发明可以提高对肌电信号中运动单位发放的分辨能力。

在电极板尺寸受限的情况下，本发明将电极板跟信号调理板配合，在皮肤表面多点阵列中，采集纵横两两点之间的表面肌电信号并加以放大调理，二者之间用电缆传输低阻抗的信号，不仅最终满足数据采集设备的要求，还避免高阻抗的表面肌电信号通过电缆传输时受到外界的电磁干扰，获取高质量低噪声的多点表面肌电信号。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。