《機(jī)電一體化技術(shù)》課件-第四章 4.3 新型生物電信號傳感器

第4章傳感器檢測技術(shù)機(jī)電一體化技術(shù)4.3新型生物電信號傳感器4.3新型生物電信號傳感器

活動(dòng)細(xì)胞或組織（人體、動(dòng)物組織）不論在靜止?fàn)顟B(tài)還是活動(dòng)狀態(tài)，都會產(chǎn)生與生命體狀態(tài)密切相關(guān)的、有規(guī)律的電現(xiàn)象，成為生物電。生物電信號可反映生物體的生命活動(dòng)狀態(tài)，在日常生活和臨床醫(yī)學(xué)中扮演著越來越愈發(fā)重要的角色。24.3新型生物電信號傳感器目前，生物電信號應(yīng)用最廣的是肌電信號(Electromyogram,EMG）、腦電信號(Electroencephalogram,EEG)、眼電信號(Electrooculogram,EOG)和心電信號(Electrocardiogram,ECG)。生物電信號具有信號弱、噪聲強(qiáng)、頻率范圍較低（除心音信號頻率成分偏高外）、隨機(jī)性強(qiáng)、非平穩(wěn)性等特性，故生理電信號傳感器性能決定獲取信號的質(zhì)量、量化精度、干擾抑制能力等。高性能生物電信號傳感器已成為未來先進(jìn)電子領(lǐng)域的重要研究方向。34.3新型生物電信號傳感器

肌電是眾多肌纖維中運(yùn)動(dòng)單元?jiǎng)幼麟娢辉跁r(shí)間和空間上的疊加，是產(chǎn)生肌肉力的電信號根源。1、肌電傳感器大腦運(yùn)動(dòng)皮層產(chǎn)生的動(dòng)作電位經(jīng)由脊髓及周圍神經(jīng)系統(tǒng)傳送到達(dá)肌纖維，在經(jīng)過皮膚的低通濾波作用，最后在表面形成電場。肌電產(chǎn)生過程：肌電信號可分為：內(nèi)肌電信號（iEMG）和表面肌電信號（sEMG）44.3新型生物電信號傳感器

內(nèi)肌電信號利用針電極插入肌肉內(nèi)直接記錄，可以準(zhǔn)確記錄肌肉內(nèi)單個(gè)或幾個(gè)運(yùn)動(dòng)單元的電活動(dòng)。(1)內(nèi)肌電信號傳感器針電極使用時(shí)需要穿透皮膚直接與細(xì)胞外液接觸，形成良好的電極—電解質(zhì)溶液界面，金屬與溶液界面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電極電位。針電極54.3新型生物電信號傳感器(1)內(nèi)肌電信號傳感器針電極可測量運(yùn)動(dòng)單位甚至單個(gè)肌纖維的電位變化，能研究肌肉內(nèi)某個(gè)肌纖維的功能。但其測量區(qū)域小，不能反映整塊肌肉的機(jī)能狀態(tài)；測量時(shí)會產(chǎn)生疼痛，并造成一定程度的損傷。另外，針電極不適用于運(yùn)動(dòng)時(shí)的肌電信號的測量。針電極的分類①

單極針電極以不銹鋼制成，針尖銳利，在尖端處裸露0.2～0.4mm，其他部分用絕緣膜覆蓋。單極針電極一般用于測定感覺神經(jīng)動(dòng)作電位和骨骼肌興奮電位變化。64.3新型生物電信號傳感器(1)內(nèi)肌電信號傳感器同心針電極結(jié)構(gòu)如圖，在針管中心穿一根絕緣金屬細(xì)絲(主電極)，針管內(nèi)填充絕緣材料(如環(huán)氧樹脂)。測量骨骼動(dòng)作電位的針電極直徑一般為0.5~0.6mm，主電極的斜面積為0.07mm2;記錄單肌纖維的針電極的主電極面積為0.005~0.01mm2。同心針電極刺入肌肉內(nèi)可接觸1~10條肌纖維，可引導(dǎo)鄰近針尖的幾千條肌纖維的電活動(dòng)。然而一個(gè)運(yùn)動(dòng)單元通常包含幾百條肌纖維，其直徑可達(dá)幾個(gè)毫米，而針電極只能接觸少數(shù)肌纖維，引導(dǎo)0.5mm范圍內(nèi)的電活動(dòng)，故針電極測得的電位僅是運(yùn)動(dòng)單位中的小部分肌纖維電活動(dòng)的總和。②74.3新型生物電信號傳感器(1)內(nèi)肌電信號傳感器雙極同心針電極結(jié)構(gòu)與同心針電極類似，不同之處在干其針管內(nèi)有兩條細(xì)金屬絲(電極)，且兩條金屬絲之間相互絕緣。由于雙極同心針電極兩個(gè)電極的表面積相等，故在測量時(shí)可獲得較好的共模抑制比。多極針電極是指在針管內(nèi)安置三條或更多相互絕緣的金屬絲，每條金屬絲直徑約為1mm，每根金屬絲末端排列在針管的等間距開口側(cè)。多極針電極主要用于測定運(yùn)動(dòng)單元電位的范圍。多極針電極直徑較粗大，可能引起被測者的不適。③④84.3新型生物電信號傳感器

表面電極作為傳統(tǒng)的表面肌電信號傳感器，可有效測量肌肉活動(dòng)時(shí)的動(dòng)作電位。測量時(shí)表面電極沿肌肉的縱方向粘貼在待查肌肉的皮膚表面。(2)表面肌電信號傳感器表面電極一般由兩片Ag-AgCl金屬片制成，其電阻很小，結(jié)構(gòu)簡單。94.3新型生物電信號傳感器(2)表面肌電信號傳感器內(nèi)肌電信號傳感器表面肌電信號傳感器特點(diǎn)電極作用區(qū)域小,對測試者有一定損傷電極作用區(qū)域大，對測試者無損傷，測試存在不一致性，信號質(zhì)量受電極尺寸、位置、極間距離的影響應(yīng)用領(lǐng)域用于臨床醫(yī)學(xué)研究,提取單一運(yùn)動(dòng)單元?jiǎng)幼麟娢贿\(yùn)動(dòng)生物學(xué)、康復(fù)訓(xùn)練、神經(jīng)控制、外骨骼機(jī)械人等領(lǐng)域內(nèi)肌電信號傳感器與表面肌電信號傳感器的比較104.3新型生物電信號傳感器

表面電極獲取的肌電信號的幅值為uV或V級，故測量中常采用三電極差動(dòng)式輸入。即一個(gè)為參考地，兩個(gè)為信號輸人端，通過前端放大電路得到肌電的有效信號。為減小干擾信號的影響，設(shè)置了高通和低通濾波電路，并利用電平抬高電路和模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行電平抬升和模/數(shù)轉(zhuǎn)換。sEMG采集流程如圖所示。在肌電采集中，前置放大電路要求放大器的輸入阻抗高，噪聲低，故可采用AD8233進(jìn)行初級放大，并利用AD8422儀表放大器作為增益放大器實(shí)現(xiàn)信號的進(jìn)一步放大。(2)表面肌電信號傳感器人體柔性電極傳感前端放大濾波采集處理上位機(jī)114.3新型生物電信號傳感器

傳統(tǒng)表面電極獲取的表面肌電信號很微弱，且易受干擾。(2)表面肌電信號傳感器目前工程中通常采用內(nèi)部集成放大器的表面肌電傳感器，此類肌電傳感器具有輸出阻抗高、數(shù)據(jù)兼容性好、適用方便等特點(diǎn)。測量時(shí)僅需做非常簡單的皮膚準(zhǔn)備，不需要使用導(dǎo)電凝膠，即可采集到極高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，且具有良好的兼容性，便于數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)連接使用。biometricsSX230肌電傳感器124.3新型生物電信號傳感器(2)表面肌電信號傳感器隨著通信技術(shù)的發(fā)展，表面肌電傳感器向無線化發(fā)展。無線表面肌電傳感器非常適合于監(jiān)護(hù)和運(yùn)動(dòng)科學(xué)領(lǐng)域的研究。測試者可自由運(yùn)動(dòng)，不再受到導(dǎo)線的限制，無線表面肌電傳感器采集到的高質(zhì)量數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)傳輸至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行分析處理。134.3新型生物電信號傳感器

腦電信號是指大腦在活動(dòng)時(shí)腦皮質(zhì)細(xì)胞群之間形成電位差，從而在大腦皮質(zhì)的細(xì)胞產(chǎn)生電流。它記錄大腦活動(dòng)時(shí)的電波變化，是腦神經(jīng)細(xì)胞的電生理活動(dòng)在大腦皮層或頭皮表面的總體反映。2、腦電傳感器人的大腦皮層有自發(fā)的電活動(dòng)，其電位可隨時(shí)間發(fā)生變化。用電極將這種電位隨時(shí)間變化的波形圖提取出來并加以記錄就可以得到腦電圖。144.3新型生物電信號傳感器2、腦電傳感器隨著性能高的計(jì)算機(jī)和機(jī)器學(xué)習(xí)算法的發(fā)展，以腦電信號作為研究與應(yīng)用對象的腦機(jī)接口(BCI)技術(shù)受到了高度關(guān)注。腦機(jī)接口技術(shù)可以繞過人的腦外周神經(jīng)和肌肉組織，通過采集人腦中對應(yīng)各運(yùn)動(dòng)意圖的腦電信號，對運(yùn)動(dòng)腦電信號分析處理并轉(zhuǎn)換為控制指令，分別控制外部設(shè)備完成相應(yīng)的任務(wù)，達(dá)成與外界環(huán)境交流。腦機(jī)接口實(shí)現(xiàn)意念打字154.3新型生物電信號傳感器(1)植入式傳感器植入式傳感器需要對人腦進(jìn)行開顱手術(shù)，將電極安放于頭骨下大腦皮層，直接采集腦電信號。目前使用較多的植入式腦電傳感器為猶他陣列(UtanArray)電極。猶他陣列電極由不超過128個(gè)電極組成，電極尖端金屬為鉑、氧化銥，電極長度為1mm或1.5mm,猶他陣列電極具有良好的生物相容性，可穩(wěn)定、長期地采集腦電信號。164.3新型生物電信號傳感器(1)植入式傳感器優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)植入式傳感器避免了眼電和肌電等因素的干擾，可獲取信噪比高、保真性高、穩(wěn)定性好且分辨率較高的腦電信號。由于安裝猶他陣列電極具有一定的傷害性，實(shí)際操作起來存在風(fēng)險(xiǎn)，且操作步驟比較煩瑣，故實(shí)際應(yīng)用較少。174.3新型生物電信號傳感器(2)非植入式傳感器（電極帽）非植入式傳感器(即腦電電極帽)將電極觸點(diǎn)(常為Ag或AgCl電極)附于大腦外輪廓表面記錄腦電信號。由于腦細(xì)胞的電活動(dòng)經(jīng)過大腦各部分組織會衰減，因此相對于植入式電極，在頭皮上采集到的腦電信號強(qiáng)度微弱且易混有其他電信號的偽跡和外界環(huán)境的影響。但是，非植入式腦電電極帽對被測試者無損傷，使用安全可靠，記錄方便，操作簡單，在腦機(jī)接口技術(shù)中被廣泛采用。184.3新型生物電信號傳感器

根據(jù)測量要求，非植入式電極測量可選用單極導(dǎo)聯(lián)法、平均導(dǎo)聯(lián)法和雙極導(dǎo)聯(lián)法三種導(dǎo)聯(lián)方式。腦電信號的測量前置放大電路陷波濾波器低通濾波器ADS1299MCUSTM32上位機(jī)傳感器信號調(diào)理無線通信腦電信號采集方框圖194.3新型生物電信號傳感器

3.眼電傳感器人眼的視網(wǎng)膜色素上皮及視網(wǎng)膜光感受器之間存在一種靜息電位，這種靜息電位在眼睛周圍形成一個(gè)電場，角膜為正，視網(wǎng)膜為負(fù)。眼電是角膜和視網(wǎng)膜之間存在的超極化和去極化現(xiàn)象造成的角膜—視網(wǎng)膜之間的靜息電位的變化,可以用來反映眼球的運(yùn)動(dòng)，是一種應(yīng)用極為廣泛的生物電信號。204.3新型生物電信號傳感器

眼電信號的特點(diǎn)正常人平均2～6s眨眼一次，單次眨眼0.2～0.4s。當(dāng)人眼處于不同狀態(tài)時(shí)，其眨眼頻率及時(shí)間也會發(fā)生改變。眼球運(yùn)動(dòng)主要有向上、向下、向左、向右、向左上、向左下、向右上、向右下、凝視、皺眉、眨眼、眨單只眼等，運(yùn)動(dòng)范圍較大且模式簡單。相對于腦電信號，眼電信號具有波形簡單、幅值較高的特點(diǎn)，其中以向上/下/左/右、皺眉和眨眼產(chǎn)生的眼電信號更為明顯。214.3新型生物電信號傳感器

眼電信號的測量雙極導(dǎo)聯(lián)方式屬于常規(guī)眼電圖導(dǎo)聯(lián)方式,5個(gè)電極組成雙通道采集。電極A置于額頭的中央位置，采集人體自身所帶的電信號，作為其他電極的公共參考電極。電極B、C分別置于左眉上方和左眼眶下1.5cm左右的位置，且電極B、C與眼球位于同一垂線，可檢測垂直方向的眼部運(yùn)動(dòng)。電極D、E分別置于左、右眼外邊緣1.5cm處，且兩個(gè)電極和受試者眼球處于同一個(gè)水平線上，可檢測水平方向的眼部運(yùn)動(dòng)。224.3新型生物電信號傳感器

4.心電傳感器心電是心肌細(xì)胞電活動(dòng)的綜合反映，心電的產(chǎn)生與心肌細(xì)胞的除極和復(fù)極過程密不可分。在每個(gè)心跳周期中，興奮在心臟各部分間傳導(dǎo)并伴隨著電信號在方向、途徑、次序和時(shí)間上的規(guī)律性變化。234.3新型生物電信號傳感器

4.心電傳感器這種生物電信號變化經(jīng)由心臟周圍的組織和體液傳導(dǎo)到身體表面，使身體各部位在每個(gè)心動(dòng)周期中也發(fā)生相應(yīng)的規(guī)律性電變化。通過電極測量人體表面特定部位的心電變化，并將變化曲線記錄下來，即常規(guī)的臨床心電圖，其反映了心臟興奮狀態(tài)的產(chǎn)生、傳導(dǎo)和恢復(fù)的電變化過程。244.3新型生物電信號傳感器

4.心電傳感器AD8232是一款集成前端，適用