多通道有源柔性阵列电极与信号调理电路设计

发布时间：2017-04-22 17:53

  本文关键词：多通道有源柔性阵列电极与信号调理电路设计，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：通过肌电、心电、脑电等电生理信号可实时了解人体的生理状态,有助于对疾病进行准确的诊断和治疗。表面肌电(sEMG, surface Electromyography)在临床医学中常被用于测量神经传导速率以辅助神经肌肉系统疾病的诊断。因无痛苦、无创伤的检测方式,其在运动康复、人机接口以及人体工程学等研究领域也得到了广泛的应用。在与表面肌电相关的临床应用和科学研究中,为获取更为细致的时间和空间信息,对多通道、低噪声、高抗干扰性能的表面肌电信号采集提出了迫切需求。高密度电极阵列研制是近年来表面肌电采集设备的一个重要发展方向,而多通道微弱信号的高性能采集是其中的关键问题。 本文以多通道sEMG信号采集装置设计为主要研究方向。研制了一种基于聚酰亚胺柔性材料的有源柔性电极阵列,并为高性能sEMG采集系统设计了与之对应的多路信号调理电路和多路A/D转换电路。通常多通道肌电采集系统,不仅可采集多通道的肌电信号,也可以采集心电、脑电等电生理信号。因此,本文又设计了一种便携式心电监护模块,包括心电信号双极导联测量方式,数字滤波和上位机的实时显示功能等。 本文主要工作成果包括但不限于以下方面： (1)柔性有源电极阵列设计及其信号调理电路设计。从电极差分结构、电极间距、噪声抑制等方面考虑实现了两种柔性有源电极阵列。针对电极皮肤接触阻抗较大易引入工频噪声,设计并实现了两种有源电极：单倍增益和多倍增益有源电极。根据电极间距、通道数的需求最终选择单倍增益方式实现多通道的电极阵列设计。同时,为了实现不平坦区域每一通道电极与皮肤的良好接触,采用聚酰亚胺实现柔性印刷电路板增强柔韧性。在获取高质量的sEMG信号基础上设计了更多通道的有源柔性电极阵列,实现了32通道单差分sEMG信号的输出。根据sEMG信号幅度和带宽范围设计了对应的多通道信号调理电路,主要包括由仪表放大器构成了第一级放大滤波电路、由通用放大器构成的多重反馈滤波电路和由集成模拟前端设计的多通道A/D转换电路,实现了每通道约1500倍的信号放大、20-500Hz带通滤波。 (2)开展了两种不同的有源柔性电极阵列性能评估试验。试验一分别从信噪比、功率谱和噪声均方根值比较有源柔性电极阵列与实验室原有设计的无源柔性电极阵列、弹簧针电极阵列所获取的sEMG信号。试验结果表明,采用有源方式设计可减小工频噪声和电极皮肤接触阻抗对sEMG的影响,在皮肤表面不平坦区域采用柔性阵列可显著提高sEMG信号质量。试验二是具有32通道差分电极对的有源电极阵列与TMSi公司设计的64通道无源柔性电极阵列的性能对比试验。研究结果表明,有源柔性电极阵列可获取较高幅度的sEMG信号,而TMSI的64通道无源柔性电极阵列具有更小的基线噪声。这可能是因为TMSI电极阵列使用了双面胶和导电凝胶的缘故。 (3)便携式心电监护模块的设计与实现。针对个人医疗领域对便携式需求,心电模块进行了特殊设计处理。心电信号过采用双极导联方式进行采集。电路设计包括信号放大滤波电路、A/D转换电路以及数据传输电路。软件去噪方面使用简单而有效的Levkov滤波算法,因其计算量小且易于移植,故在单片机中实现信号的实时滤波处理。最终实现了小体积、便携式的心电监护模块,并在PC端软件上进行实时显示和数据存储。
【关键词】：多通道 肌电 柔性电极阵列 心电模块
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：R318
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第1章 绪论12-20
• 1.1 研究背景与研究意义12-13
• 1.2 国内外研究现状13-17
• 1.2.1 sEMG电极研究现状13-16
• 1.2.2 多通道阵列式采集发展现状16-17
• 1.3 本课题研究目标与研究内容17-19
• 1.4 本文内容安排19-20
• 第2章 有源柔性表面肌电电极阵列研制及其信号调理电路设计20-42
• 2.1 概述20-22
• 2.2 柔性表面肌电电极设计与制作22-28
• 2.2.1 柔性电极制作工艺22-24
• 2.2.2 有源柔性电极阵列设计24-27
• 2.2.3 32通道差分电极对有源柔性电极阵列设计27-28
• 2.3 多通道表面肌电信号调理电路设计28-34
• 2.3.1 初级放大电路设计28-31
• 2.3.2 次级滤波放大电路和电源电路设计31-34
• 2.4 多通道A/D转换电路设计34-38
• 2.4.1 A/D芯片选型34-35
• 2.4.2 多路A/D电路设计35-38
• 2.5 其它形式电极和调理电路设计尝试38-40
• 2.6 本章小结40-42
• 第3章 有源柔性表面肌电电极阵列性能测试42-60
• 3.1 整体系统性能测试42-46
• 3.1.1 采集装置构成42
• 3.1.2 预处理42-43
• 3.1.3 系统性能测试结果43-46
• 3.2 有源柔性电极阵列与弹簧针式电极阵列、无源柔性电极阵列对比测试46-55
• 3.2.1 试验方法48
• 3.2.2 时域性能对比48-51
• 3.2.3 频域性能对比51-53
• 3.2.4 非平坦区域性能测试对比53-55
• 3.3 32通道有源柔性电极性能与TMSI无源柔性电极对比测试55-59
• 3.4 本章小结59-60
• 第4章 便携式心电传感器设计60-72
• 4.1 心电信号概述60-61
• 4.1.1 心电噪声来源61
• 4.1.2 心电导联方式61
• 4.2 便携式心电模块设计61-66
• 4.2.1 C8051F320介绍63
• 4.2.2 便携式心电模块硬件设计63-66
• 4.3 软件滤波设计66-69
• 4.3.1 常用软件滤波算法66-68
• 4.3.2 软件滤波设计68-69
• 4.4 便携式心电模块测试69-71
• 4.5 本章小结71-72
• 第5章 总结与展望72-74
• 5.1 总结72-73
• 5.2 展望73-74
• 参考文献74-78
• 致谢78-80
• 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果80

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 赵章琰;陈香;雷培源;杨基海;;阵列式表面肌电信号采集仪[J];电子测量与仪器学报;2009年12期

2 董中飞;陈香;邓浩;张永强;;柔性同心圆差分阵列表面肌电电极研制[J];电子测量与仪器学报;2012年04期

3 王佳文;凡友华;;心电信号去噪中的小波方法[J];数理医药学杂志;2009年01期

4 朱埔达;常规心电图机概述[J];中国医疗器械杂志;2005年03期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 赵章琰;表面肌电信号检测和处理中若干关键技术研究[D];中国科学技术大学;2010年

  本文关键词：多通道有源柔性阵列电极与信号调理电路设计，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：320896