应用于肌电采集的电极脱落检测系统设计应用于肌电采集的电极脱落检测系统设计
针对肌电采集过程中电极易脱落且不易被发现的问题,设计了一种应用于肌电采集的电极脱落检测系统。主要利
用集成运放LM358在单电源供电模式下设计成跟随器时,同相端悬空会输出稳定的高电平的特性,并利用肌电采
集系统中右腿驱动电路的反馈电压,设计出一种可以与肌电采集系统有效结合的电极脱落检测电路。为了降低因
干扰产生的误检问题,给出了STM32单片机检测电极脱落时降低误检的算法。在实际的电路应用中,该电极脱落检
测系统取得了很好的检测效果。
0 引言引言
表面肌电信号(sEMG)是由肌肉收缩伴随产生的电生理信号,采集人体表面肌电信号时需要通过电极传导
[1-2]
。在实际应用
中,贴在皮肤表面的电极片因皮肤表面接触区域不平坦、不整洁或人体运动等原因容易脱落
[3]
。电极片一旦脱落,肌电采集电
路会无法正常采集,甚至造成后续应用的误判
[4]
,因此及时发现电极脱落非常重要。国内外对电极脱落实时检测已经有相关人
员进行研究,例如Harting利用互易定理,提出了一种对脱落电极的实时检测的方法
[5]
,但该方法仅适用于电阻抗断层成像系
统的电极脱落检测,且程序非常复杂,当有两个以上电极脱落时检测正确率不足30%
[6]
。目前常用的电极脱落检测电路不能很
好与肌电采集系统有效结合,且易受干扰造成误检。
为了解决这些问题,本文利用LM358在单电源供电模式下设计成跟随器且同相端悬空时会输出稳定的高电平的特性,并将
肌电采集系统中右腿驱动电路的反馈电压和中心电压引入到电极脱落检测电路中,设计出一种可以与肌电采集系统有效结合的
电极脱落检测系统,并给出了基于STM32单片机检测电极脱落的算法,进一步降低电极脱落误检的发生。在实际应用中取得
了很好的检测效果。
1 总体设计总体设计
本文针对电极脱落检测问题,设计了基于STM32单片机的电极脱落检测系统。整个系统的总体设计框图如图1所示,分为肌
电采集电路、右腿驱动电路、电极脱落检测电路、光耦隔离电路、STM32单片机及外围电路。其中肌电采集电路和右腿驱动
电路是肌电采集系统中必不可少的电路。图1中电极1、电极2和参考电极3贴在人体皮肤表面,电极1和电极2为输入电极,主
要采集两路差模肌电信号,电极3为参考电极,右腿驱动电路的反馈电压引入到参考电极。
本文主要的目的是解决在肌电采集时检测三个电极是否脱落。本文设计的电极脱落检测电路与肌电采集电路和右腿驱动电
路相结合,巧妙地将右腿驱动电路的反馈电压引入到电极脱落检测电路中,当其中任意一个或多个电极脱落时,电极脱落检测
电路会输出低电平,当三个电极均未脱落时,电极脱落检测电路会输出高电平。输出的电压经光耦隔离后到STM32单片机引
脚,供单片机进行采集判断。
2 肌电采集电路肌电采集电路
表面肌电信号非常微弱,信号幅值在5 mV以内,频谱主要分布在20~500 Hz,对硬件要求非常高
[7-8]
,获取的表面肌电信号
有很多干扰信号,包括电极接触噪声、工频干扰等
[9]
,因此采集的表面肌电信号需要经过滤波和放大等处理后才可以被处理器
采集和进一步运算处理
[10]
。如图2所示,肌电采集电路主要包括前置差分放大电路、50 Hz工频陷波电路、二级放大电路、带
通滤波电路、电压调节电路、线性光耦隔离电路、浮地电源电路等。由于本文设计的电极脱落检测电路主要与前置差分放大电
路和浮地电源电路有关,其他电路不再具体介绍。