有源柔性表面肌电电极阵列设计_张恒毅_陈香VIP免费

第28卷第8期2014年8月电子测量与仪器学报JOUＲNALOFELECTＲONICMEASUＲEMENTANDINSTＲUMENTATIONVol.28No.8·901·收稿日期:2014-03ＲeceivedDate:2014-03*基金项目:国家自然科学基金(61271138)资助项目DOI:10．13382/j．jemi．2014．08．014有源柔性表面肌电电极阵列设计*张恒毅陈香(中国科学技术大学电子科学与技术系合肥230027)摘要::针对表面肌电信号采集过程中皮肤电极接触阻抗较大，易受工频信号干扰，皮肤表面接触区域不平坦等问题，在聚酰亚胺柔性材料上设计并实现了一种新型有源表面肌电电极阵列。该电极阵列由12通道电极组成，与无源电极不同的是，有源阵列在电极和调理电路间加入了一级集成在柔性材料端的阻抗变换电路，以减小接触阻抗和工频噪声对采集信号的影响。性能测试结果表明，所设计的新型有源柔性电极阵列所采集的表面肌电信号具有较低的基线噪声和较高的信噪比，即使在皮肤表面不平坦区域，亦能获取高质量、低噪声的多路表面肌电信号。关键词:表面肌电;柔性电路板;有源电极;工频抑制中图分类号:Ｒ318．6;TN707文献标识码:A国家标准学科分类代码:310．6140DesignofactivesurfaceEMGelectrodearraybasedonflexiblematerialZhangHengyiChenXiang(UniversityofScienceandTechnologyofChina，Hefei230027，China)Abstract:Aimingatreducingtheeffectbroughtbybigskinelectrodecontactresistance，powerfrequencyinterfer-enceandunevenskinsurfaceintheprocessofsurfaceelectromyography(sEMG)signalacquisition，anewtypeofactiveelectrodearrayonpolyimideflexiblematerialisdesignedandimplemented．Thedesignedactiveelectrodear-rayiscomposedof12channelelectrodes，andunlikethepassiveelectrode，animpedancetransformationcircuitisaddedbetweeneachelectrodeandtheirmodulationcircuitontheflexiblematerialtoreducethecontactresistanceandtheinfluenceofpowerfrequencynoise．Theresultsoftheperformancetestexperimentshowthatthedesignedactiveflexibleelectrodearrayhaslowerbaselinenoise，highersignal-to-noiseratio，andcangethighquality，lownoisemulti-channelsEMGsignalevenonunevenskinsurface．Keywords:surfaceEMG;flexiblecircuitboard;activeelectrode;powerfrequencysuppression1引言肌电信号(electromyography，EMG)在神经肌肉系统状态评估、临床诊断以及康复治疗等方面具有重要的研究意义与应用价值，如肌电假手自适应控制［1］、肌纤维传导速度评估［2］等。与临床上常用的针电极EMG相比，表面肌电(surfaceEMG，sEMG)具有无创性的优点，适用于长期连续可重复性测量以及用于孩童的测量监护。传统的sEMG电极多为有源单/双差分形式，如Delsys公司Bagnoli系统中使用银条制作的单差分有源电极［3］，Biometrics公司的SX230单差分电极［4］，意大利OT公司uEMG系统使用的同心圆电极CoDe［5］和shimmer公司的无线有源表面电极［6］等。传统的有源差分电极可有效测量sEMG信号的时域信息，其特点是电极尺寸大、电极间隔较远等，主要应用于运动控制、步态研究、疲劳分析等领域［2］。采用阵列式电极结构可在获取被测肌肉活动的时域信息外，有效记录肌肉活动的空间信息，使得检测新的肌肉特性成为可能，特别在肌纤维传导速度(musclefiberconductionvelocity)和单运动单元(singlemotorunit，sMU)特性评估方面［8］具有独特·902·电子测量与仪器学报第28卷的优势。FarinaD［2］用阵列式sEMG对股外侧肌持续发力过程中肌纤维运动单元传导速度评估研究。根据实现电极阵列载体的不同，阵列电极分为硬质板阵列电极和柔性阵列电极。硬质电极阵列典型的有OT公司SA16系列银丝棒状阵列电极［9］，Delsys用于sEMG分解工作的NDD(normaldoubledifferential)差分有源电极［10］，赵章琰等人研制的弹簧探针式阵列电极［11］。硬质电极阵列因其自身特点，不利于在非平坦部位进行sEMG信号测量。相对于硬质电极，柔性电极阵列在可挠性材料上集成多路sEMG电极，具有较高的柔韧性，可用于皮肤表面不平坦区域的sEMG测量。现有的柔性电极阵列设计中具有代表性的有侯...