CC BY
82Коломоец Александр Александрович Магистрант 2-го курса, Донской Государственный Технический Университет
DOI: 10.24411/2520-6990-2019-10766 ОПЫТ МОДЕЛИРОВАНИЯ СХЕМЫ ФОРМИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМИОГРАФИЧЕСКОГО
СИГНАЛА
Kolomoets А.А.
Second-year graduate student, Don State Technical University AN ELECTROMYOGRAPHY SIGNAL CONDITIONING CIRCUIT SIMULATION EXPERIENCE
Аннотация
В статье рассматривается фильтрация сигнала с электромиографического(ЭМГ) датчика. Данная работа имеет высокую актуальность в данное время, так как в эпоху технологического прогресса идет высокое развитие протезирования. Рассматриваемые датчики являются основной частью кибернетических протезов. Так же ЭМГ датчики представленные на рынке имеют слабую помехозащищенность, что является большой проблемой в получении достоверной информации с мышечного потенциала.
Abstract
The article deals with signal filtering from an electromyographic (EMG) sensor. This work is highly relevant at this time, as in the era of technological progress is a high development of prosthetics. The sensors in question are a major part of cybernetic prostheses. Also EMG sensors presented on the market have weak noise immunity, which is a big problem in obtaining reliable information from the muscle potential.
Ключевые слова: ЭМГ, частоты, шум, фильтрация, спектр, дифференциальный усилитель
Keywords: EMG, frequency, noise, filtering, spectrum, differential amplifier
Введение
Спектр ЭМГ включает сигналы с частотами в диапазоне от 10 Гц до 1 кГц, в основном между 50 и 150 Гц, а пики напряжения идут от 1 мкВ до 100 мВ, главным образом между 50 мкВ и 9 МВ. При приобретении сигнал ЭМГ, некоторые высокие уровни взаимодействия и шума можно отметить, требующие тщательного проектирования кондиционирования цепь для того чтобы включить анализ сигнала. Основной шум источниками, участвующими в этом анализе, являются экологические шум и шум датчика, даже если шум от других источников не могут быть отброшены. Окружающая среда шум возникает в результате работы генераторов электромагнитных волн присутствует, в основном, частота 60 Гц (линейная частота). Следует отметить, что частота 60 Гц является частью. Спектр ЭМГ и не следует исключать из анализа. Шум датчика, с другой стороны, приводит кот соединения электрода-кожи во время преобразования ионный ток к электрическому току, представляя часть ДК (от градиента импеданса присутствующего между кожей и электрод) и часть АС (импеданс колебания.) Наконец, есть и другие шумы, связанные с анализом, как электромагнитного взаимодействия, так и сердечного шума. ЭМГ-сигнал каждой мышцы включает в себя множество действий потенциалы, приводящие к различным МУАП (двигательный блок потенциал действия) каждого моторного блока. В этом пути, оно возможно различить спектр мышцы в функции расстояния между электродами и сокращениями уровень интенсивности. Весь процесс включает в себя некоторые проблемы, связанные с обработкой сигналов и шумом обработка, с намерением позволять более точному измерьте и больший уровень чувствительности, учитывая вид заявки, подавае-
мой на ЭМГ [2][3][4][6]. В настоящей работе рассматривается процесс разработки поверхностной ЭМГ описывается с особым акцентом на шумовой обработке. Анализ имитации включает входной сигнал обработка и усиление, проверка сигнала точность для частот 10 Гц, 250 Гц, 600 Гц и 10 килогерц.
1 ЭЛЕКТРОМИОГРАФИЧЕСКИЙ СИГНАЛ
Электромиографический сигнал имеет малую амплитуду сигнал, с высоким уровнем шума и диапазоном частотмежду ± 50 и ± 500 Гц. Для того, чтобы разрешить этот сигнал чтобы быть интерпретированным микроконтроллерным устройством, он должен быть усиливается, фильтруется и выпрямляется, а также уровни шума должно быть уменьшено. Первый этап амплификации требует использования измерительный усилитель. Этот усилитель специально сделано для амортизации шума на малых амплитудах. Для этого работа, и эксперименты по стенду, мы использовали измерительный усилитель ША129 [1], детали которого будут будет описано в следующих разделах. То измерительный усилитель работает в соответствии с принципами работы дифференциального усилителя, включающего СМИЯ (Частота сброса единого режима) свойства [1]. То скорость отторжения, в общем случае, является усилением потенциала разница, которая, в данном случае, является разницей между два электрода расположены над поверхностью мышцы. Учитывая, что существующий уровень шума в обоих электроды похожи, факт, который вытекает из их схожести условия воздействия, усиление потенциала разница позволит устранить большую часть внешнего шума [1].
2 ДЕТАЛИ УСИЛИТЕЛЯ
Усилитель аппаратуры (ША129) переменное увеличение и усилитель высокой точности, специ-
ально конструированный для низкого уровня напряжения. С резистором во входном сигнале, увеличение блока может варьируются от 1 до 10 000 приблизительно: выходное напряжение может быть от 1 до 10 000 раз входного напряжения. То внутренняя схема рассчитана на выдерживание
напряжений до ± 40V без повреждения в деятельности. Операция может быть принято с кормом, по крайней мере, ± 2.25 V, с устойчивой течение только 700ца, делая его соответствующим для батареи силовые системы (Рисунок 1)
Рисунок 1 Внутренняя схема измерительного усилителя INA129
Внутренняя схема измерительного усилите-лявключает в себя три усилителя и комбинацию резисторов,таким образом, общий коэффициент усиления подчиняется уравнению (1). Используя резистор 240^, например, схема получает коэффициент усиления 206,83(С 200^, он получает увеличение 248). Примечательно, чтоосновная функция этого усилителя, однако, обеспечить азначительное уменьшение в шуме входного сигнала электромиографический сигнал. (1) После первого усиления, сигнал фильтруется с помощью изначально фильтр высоких частот с частотой среза 500 Герц. Затем сигнал проходит через (с) низким проходомфильтр с частотой среза 50 Гц. Таким образом, наиболее значительная часть ЭМГ сигнала поступает в этап выпрямления, для того чтобы достигнуть соотвествующего значения для микроконтроллера. По завершении моделирования, используя национальный Инструменты программного обеспечения Ми!^т, схема напечата-
на в PCB, заменяя эквивалентную схему для SMD комплектующие.
3 МОДЕЛИРОВАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТЫ
Первый контур состоит из четырех функциональных блоков:
а) первичный усилитель,
б) фильтр,
в) выпрямитель
г) плавный. Использование синусоидального сигнала в качестве входного (предполагаячто сигнал имеет частоту в пределах полосы пропускания фильтра), выход волны выпрямляется и сглаживается. Иначе говоря, сигнал настраивается на положительный, отрицательные части сохраняются в амплитуде, но преобразуются в положительные части и после этого пики сигнала использованы как DC тянуться. Таким образом, выход постоянного тока пропорционален амплитуда входного сигнала: путем увеличивать интенсивность сокращения мышцы, обнаруженные поверхностными электродами, выходной сигнал схемы (Рис. 2).
Рисунок 2 - Входной Сигнал
Схема, таким образом, выполняет задачу обнаруживать сужение мышцы на различной интенсивности уровень и состояние обнаруженного сигнала в электрический сигнал, который совместим с
устройством микроконтроллера, так что конечный результат находится между 0 и 5В. Таким образом, схема моделирования приведена на рисунке 3.
Рисунок 3: Конфигурация Схемы Моделирования
В качестве входного сигнала используется генератор синусоидальных сигналов схема и осциллограф (марки Tektronix) используется при выходе. Таким образом, для подтверждения основной операции схема, моделирование должно обеспечить четыре измерения: начальное усиление (производится INA129U), фильтровать (амортизация сигналов вне диапазона 50-500Гц), ректификация
(окончательные результаты полностью положительный) и сглаживание выходного сигнала. Только уменьшение шума не может быть проверено имитацией с синусоидальные волны, так как генерируемый сигнал идеален. Во-первых, схема монтируется таким образом, чтобы анализировать измерительный усилитель, как показано на рисунке 4 и просмотр на осциллографе (Рис. 5):
Рисунок 4 Схема моделирования конфигурации измерительного усилителя
T*k ,ru В ' -3 <3 м Pos Os MEASURE
M 10ms CMl/2 14nV
Рисунок 5 -Результаты анализа измерительных усилителей
Анализируя результаты, был получен выигрыш почти в 206, как и ожидалось для резистора 240^. Примечательно, что входной сигнал имеет 3mVrms, значение, совместимое с ЭМГ-сигнал. Можно также сделать вывод, что их не было изменения, касающиеся частоты или фазы входного сигнала. После проверки работы ША129и, фильтр надо проанализировать. Конечный выход схемы должен быть проверено для четырех входных частот: 10 Гц, 250 Гц, 600 Гц и 10 кГц. Анализ будет
проводиться проверка возможное ослабление выходного сигнала (амплитуда сигнала значения будут проверены). Важно или замечательно, что частота сигнала изменена в выпрямлении и процесс сглаживания, так как отрицательная часть сигнала является отскочил к положительному ряду напряжения тока, усиление или увеличение повторения сигнала (удвоение его частоты). На рисунке 6 показано расположение осциллографа.
Рисунок 6: конфигурация схемы моделирования для анализа фильтров
Рисунок 7: результ Для входной частоты 10 Гц (рис. 7) она отображается что осциллограф показывает только часть сигнала (подъем синусоиды), так как период выборки выбран слишком большой. Выход схемы, с другой стороны, имеет очень низкое значение (в диапазоне от 0 до 5В). Затем, сигнал, несмотря на то, что был усилен, был ослаблен в схема, так как частота не подходит для ЭМГ сигнал. Другими словами, сигнал, который не был обнаружен, как сигнал ЭМГ, был фильтрован контуром кондиционирования. Для входа 250 Гц (рис. 8), с амплиту-
чы для входа 10 Гц
дой близко к максимуму типичного сигнала ЭМГ, 2.39 в выход можно увидеть. Таким образом, значения напряжения в пределах от 0 до 5 в пропорциональны входному значению, так что это может быть пришел к выводу, что сигнал не ослаблен, т. е. не был фильтрованный. На самом деле, как частота находится в соответствующем ряд для сигнала электромиографии, цепь должен держать усилители и пусть сигнал проходит к выходу без страданий затухания.
Рисунок 8: результаты для входного сигнала 250 Гц
Для входа 600 Гц (рис. 9) затухание составляет все еще неясно, хотя частота уже находится за предела мидиапазон ЭМГ-сигнала. Потому что значение близко к частота выключения фильтра 500Ш, сигнал не интенсивно ослабленный. На практике невозможно спроектировать фильтр способный полно ослабить сигналы над 500Ш, как сигналы около частоты выключения будет про-
должаться пройти до конца к выход цепи. Однако, фактический спектр ЭМГ сигнал не то что точно расположен в полосе пропускания упомянутые выше (от 50 до 500 Гц) и, кроме того, сигналы рядом с 500Н не очень распространены. Таким образом, это не так ожидается или требуется, чтобы схема могла фильтровать сигналы с частотами, близкими к частоте среза._
[Ft I Re»dy
М Pos О»
MEASURE CHI Pk-Pk
|ir
iJJ _600Hz_
м i »■ M«m 2 57V —: CHI
. Noo*
CHI 10mV CH2 5V M 5ms
СН1У2 47nV
Рис. 9: результаты 600 Гц
Для входного сигнала 10 кГц (Рисунок 10), ослабление становится очевидным. Выходной сигнал, в этом корпус, имеет нулевую амплитуду, иллюстрируя сигнал полностью фильтрованный. В отличие от предыдущего случая, частота 10 кГц удален от частоты выключения цепи (500 Гц) и
поэтому, в реальной ситуации, не был бы частью ЭЛЕКТРОМИОГРАММА. Эта частота представляет только шум, показывая, как нежелательный сигнал. После этого, полная амортизация сигнал свидетельствует о хорошей фильтрации, выполненной схема.
Рис. 10: Результаты 10 кГц входной
После фильтровать, выпрямления и приглаживать должно быть проверено. Для этого осциллограф позиционируется, как до, так и после схемы выпрямления, как показано на рисунке ниже (Рис. 11-12):
Фигура. 11: конфигурация имитационной схемы для анализа выпрямления
~rw
Рое: О»
MEASURE CHI Freq 250Hz CH1 Mean -165uV
IШ t'lfLW 'Л*1С31 A DA/"1 If.J"' i fJA LiftJ 3 tftA 31 AM ftAf
Mil !ШШшШшщШ
Chi
None
CHI 2V
M 10ms
CHiy-161uV
Рисунок 12: результаты для схемы выпрямления
4 Заключение
Результат, наблюдаемый на осциллографе, свидетельствует о усиление частоты в два раза и среднее значение сигнала рост стоимости. В действительности, выпрямление полн-моста приводит к внутри модульный сигнал входного сигнала; таким образом, выход представляет, для синусоидальный входной сигнал, сигнал с двойником частота и "смещение" среднего значения для положительная часть сигнала, так как отрицательные части отражались вверх ногами. Фильтры, используемые в этих экспериментах, представляют собой отсечку частоты 50Гц и 500Гц. Использование синусоидальных входов 10Ш, 250Ш, 600Н и 10кШ, его смогли быть замечены хорошее функционирование фильтров. Было отмечено, что цепь может ослабить вполне сигналы с 10 Гц и 10 кГц (сигналы с частотами, слишком далекими от спектра ЭМГ), частично ослабляют входные сигналы с 600гц (редкость частоты ЭМГ спектр) и не ослабляют сигналы 250Н (типичный частота ЭМГ-спектра). Кроме того, следует отметить, что усиленный сигналы не превышали 5В, таких как они не предполагали отрицательное значение. Таким образом, можно сделать вывод, что схема способна удовлетворять условиям, предъявляемым микроконтроллерным устройством, которое работает с входными сигналами между 0 и 5^ Наконец, сглаживание сигнала было проверено. Для этого, достаточно было вставить типичный сигнал в качестве входного и проверьте аспект выходного сигнала. Разглаживание в бесконечный синусоидальный сигнал представляет собой напряжение постоянного тока, так как все пики одинаковы (видно, что напряжение постоянного тока равно равно максимальному пиковому значению синусоидального сигнала, уже усиленный, фильтрованный и выпрямленный). Высокая чувствительность ЭМГ может позволить ее использовать в несколько медицинских применений, таких как
исследования сна расстройства, в частности брук-сизм [7], даже учитывая его низкая стоимость производства
Список используемой литературы
[1] Burr-Brown Corporation. Datasheet: "Precision, Low Power Instrumentation Amplifiers ". Access:
http://instrumentation.obs.carnegiescience.edu/ccd/par t s/INA128.pdf, Feb. 2017.
[2] J.D. Geyer, P. R. Carney, and T. Payne, "Atlas of Polysomnography," Lippincott Williams and Wilkins, 2009.
[3] S. Devuyst et al., "Automatic Sleep Spindle Detection in Patients with Sleep Disorders," 2006 International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, New York, NY, 2006, pp. 3883-3886.
[4] J.F. Gagnon, R. B. Postuma, and J. Montplai-sir, "Update on the pharmacology of REM sleep behavior disorder," Neurology, vol. 67, no. 5, pp. 742747, 2006.
[5] A. Siddiqi, D. Kumar and S. Aijunan, "Surface EMG model for Tibialis Anterior muscle with experimentally based simulation parameters," 5th Copyright (c) IARIA, 2017. ISBN: 978-1-61208-5807 22 SENSORCOMM 2017: The Eleventh International Conference on Sensor Technologies and Applications ISSNIP-IEEE Biosignals and Biorobotics Conference (2014): Biosignals and Robotics for Better and Safer Living (BRC), Salvador, 2014, pp. 1-5.
[6] M. E. G. Bigelow et al., "Point-of-Care Technologies for the Advancement of Precision Medicine in Heart, Lung, Blood, and Sleep Disorders," in IEEE Journal of Translational Engineering in Health and Medicine, vol. 4, no., pp. 1-10, 2016.
[7] N. Jirakittayakorn and Y. Wongsawat, "An EMG instrument designed for bruxism detection on masseter muscle," The 7th 2014 Biomedical Engineering International Conference, Fukuoka, 20
