1、第第4 4章章 传感器检测技术传感器检测技术机电一体化技术机电一体化技术4.3 4.3 新型生物电信号传感器新型生物电信号传感器4.3 新型生物电信号传感器新型生物电信号传感器活动细胞或组织（人体、动物组织）不论在静止状态还是活动状态，活动细胞或组织（人体、动物组织）不论在静止状态还是活动状态，都会产生与生命体状态密切相关的、有规律的电现象，成为生物电。都会产生与生命体状态密切相关的、有规律的电现象，成为生物电。生物电信号可反映生物体的生命活动状态，在日常生活和临床医学中生物电信号可反映生物体的生命活动状态，在日常生活和临床医学中扮演着越来越愈发重要的角色。扮演着越来越愈发重要的角色。24.3
2、 新型生物电信号传感器新型生物电信号传感器目前，生物电信号应用最广的是肌电信号目前，生物电信号应用最广的是肌电信号(Electromyogram,EMG）、脑电信号、脑电信号(Electroencephalogram,EEG)、眼电信号、眼电信号(Electrooculogram,EOG)和心电信号和心电信号(Electrocardiogram,ECG)。生物电信号具有信号弱、噪声强、频率范围较低（除心音信号频率生物电信号具有信号弱、噪声强、频率范围较低（除心音信号频率成分偏高外）、随机性强、非平稳性等特性，故生理电信号传感器成分偏高外）、随机性强、非平稳性等特性，故生理电信号传感器性能决定获
3、取信号的质量、量化精度、干扰抑制能力等。高性能生性能决定获取信号的质量、量化精度、干扰抑制能力等。高性能生物电信号传感器已成为未来先进电子领域的重要研究方向。物电信号传感器已成为未来先进电子领域的重要研究方向。34.3 新型生物电信号传感器新型生物电信号传感器肌电是众多肌纤维中运动单元动作电位在时间和空间上的叠加，肌电是众多肌纤维中运动单元动作电位在时间和空间上的叠加，是产生肌肉力的电信号根源。是产生肌肉力的电信号根源。1 1、肌电传感器、肌电传感器大脑运动皮层产生的动作电位经由脊髓及周围大脑运动皮层产生的动作电位经由脊髓及周围神经系统传送到达肌纤维，在经过皮肤的低通神经系统传送到达肌纤维，在
4、经过皮肤的低通滤波作用，最后在表面形成电场。滤波作用，最后在表面形成电场。肌电产生肌电产生过程：过程：肌电信号可分为：内肌电信号（肌电信号可分为：内肌电信号（iEMG）和表面肌电信号（）和表面肌电信号（sEMG）44.3 新型生物电信号传感器新型生物电信号传感器内肌电信号利用针电极插入肌肉内直接记内肌电信号利用针电极插入肌肉内直接记录，可以准确记录肌肉内单个或几个运动录，可以准确记录肌肉内单个或几个运动单元的电活动。单元的电活动。(1)(1)内肌电信号传感器内肌电信号传感器针电极使用时需要穿透皮肤直接与细胞针电极使用时需要穿透皮肤直接与细胞外液接触，形成良好的电极外液接触，形成良好的电极电解质
5、溶电解质溶液界面，金属与溶液界面发生化学反应液界面，金属与溶液界面发生化学反应产生电极电位。产生电极电位。针电极针电极54.3 新型生物电信号传感器新型生物电信号传感器(1)(1)内肌电信号传感器内肌电信号传感器针电极可测量运动单位甚至单个肌纤维的电位变化，能研究肌肉内针电极可测量运动单位甚至单个肌纤维的电位变化，能研究肌肉内某个肌纤维的功能。但其测量区域小，不能反映整块肌肉的机能状某个肌纤维的功能。但其测量区域小，不能反映整块肌肉的机能状态；测量时会产生疼痛，并造成一定程度的损伤。另外，针电极不态；测量时会产生疼痛，并造成一定程度的损伤。另外，针电极不适用于运动时的肌电信号的测量。适用于运动
6、时的肌电信号的测量。针电极的分类针电极的分类 单极针电极以不锈钢制成，针尖锐利，在尖端处裸露单极针电极以不锈钢制成，针尖锐利，在尖端处裸露0.20.4 mm，其他部分用绝缘膜覆盖。单极针电极一般用于测定感觉神，其他部分用绝缘膜覆盖。单极针电极一般用于测定感觉神经动作电位和骨骼肌兴奋电位变化。经动作电位和骨骼肌兴奋电位变化。64.3 新型生物电信号传感器新型生物电信号传感器(1)(1)内肌电信号传感器内肌电信号传感器同心针电极结构如图，在针管中心穿一根绝缘金属细丝同心针电极结构如图，在针管中心穿一根绝缘金属细丝(主电极主电极)，针管，针管内填充绝缘材料内填充绝缘材料(如环氧树脂如环氧树脂)。测量
7、骨骼动作电位的针电极直径一般为。测量骨骼动作电位的针电极直径一般为0.50.6mm，主电极的斜面积为，主电极的斜面积为0.07mm2;记录单肌纤维的针电极的主记录单肌纤维的针电极的主电极面积为电极面积为0.0050.01mm2。同心针电极刺入肌肉内可。同心针电极刺入肌肉内可接触接触110条肌纤维，可引导邻近针尖的几千条肌纤维的条肌纤维，可引导邻近针尖的几千条肌纤维的电活动。然而一个运动单元通常包含几百条肌纤维，其电活动。然而一个运动单元通常包含几百条肌纤维，其直径可达几个毫米，而针电极只能接触少数肌纤维，引直径可达几个毫米，而针电极只能接触少数肌纤维，引导导0.5mm范围内的电活动，故针电极测
8、得的电位仅是运范围内的电活动，故针电极测得的电位仅是运动单位中的小部分肌纤维电活动的总和。动单位中的小部分肌纤维电活动的总和。74.3 新型生物电信号传感器新型生物电信号传感器(1)(1)内肌电信号传感器内肌电信号传感器双极同心针电极结构与同心针电极类似，不同之处在干其针管内有双极同心针电极结构与同心针电极类似，不同之处在干其针管内有两条细金属丝两条细金属丝(电极电极)，且两条金属丝之间相互绝缘。由于双极同心针，且两条金属丝之间相互绝缘。由于双极同心针电极两个电极的表面积相等，故在测量时可获得较好的共模抑制比电极两个电极的表面积相等，故在测量时可获得较好的共模抑制比。多极针电极是指在针管内安置
9、三条或更多相互绝缘的金属丝，每条多极针电极是指在针管内安置三条或更多相互绝缘的金属丝，每条金属丝直径约为金属丝直径约为1 mm，每根金属丝末端排列在针管的等间距开口侧，每根金属丝末端排列在针管的等间距开口侧。多极针电极主要用于测定运动单元电位的范围。多极针电极直径。多极针电极主要用于测定运动单元电位的范围。多极针电极直径较粗大，可能引起被测者的不适。较粗大，可能引起被测者的不适。84.3 新型生物电信号传感器新型生物电信号传感器表面电极作为传统的表面肌电信号表面电极作为传统的表面肌电信号传感器，可有效测量肌肉活动时的传感器，可有效测量肌肉活动时的动作电位。测量时表面电极沿肌肉动作电位。测量时表
10、面电极沿肌肉的纵方向粘贴在待查肌肉的皮肤表的纵方向粘贴在待查肌肉的皮肤表面。面。(2)(2)表面肌电信号传感器表面肌电信号传感器表面电极一般由两片表面电极一般由两片Ag-AgCl金属金属片制成，其电阻很小，结构简单片制成，其电阻很小，结构简单。94.3 新型生物电信号传感器新型生物电信号传感器(2)(2)表面肌电信号传感器表面肌电信号传感器内肌电信号传感器内肌电信号传感器表面肌电信号传感器表面肌电信号传感器特点特点电极作用区域小电极作用区域小,对测对测试者有一定损伤试者有一定损伤电极作用区域大，对测试者无损伤，电极作用区域大，对测试者无损伤，测试存在不一致性，信号质量受电测试存在不一致性，信号
11、质量受电极尺寸、位置、极间距离的影响极尺寸、位置、极间距离的影响应用应用领域领域用于临床医学研究用于临床医学研究,提提取单一运动单元动作取单一运动单元动作电位电位运动生物学、康复训练、神经控制、运动生物学、康复训练、神经控制、外骨骼机械人等领域外骨骼机械人等领域内肌电信号传感器内肌电信号传感器与与表面肌电信号传感器表面肌电信号传感器的比较的比较104.3 新型生物电信号传感器新型生物电信号传感器表面电极获取的肌电信号的幅值为表面电极获取的肌电信号的幅值为uV或或V级，故测量中常采用三电极差动式输级，故测量中常采用三电极差动式输入入。即一个为参考地，两个为信号输人端，通过前端放大电路得到肌电的有
12、效。即一个为参考地，两个为信号输人端，通过前端放大电路得到肌电的有效信号。为减小干扰信号的影响，设置了高通和低通滤波电路，并利用电平抬高信号。为减小干扰信号的影响，设置了高通和低通滤波电路，并利用电平抬高电路和模电路和模/数转换电路进行电平抬升和模数转换电路进行电平抬升和模/数转换。数转换。sEMG采集流程如图所示。在采集流程如图所示。在肌电采集中，前置放大电路要求放大器的输入阻抗高，噪声低，故可采用肌电采集中，前置放大电路要求放大器的输入阻抗高，噪声低，故可采用AD8233进行初级放大，并利用进行初级放大，并利用AD8422仪表放大器作为增益放大器实现信号的仪表放大器作为增益放大器实现信号的
13、进一步放大。进一步放大。(2)(2)表面肌电信号传感器表面肌电信号传感器人体柔性电极传感前端放大滤波采集处理上位机114.3 新型生物电信号传感器新型生物电信号传感器传统表面电极获取的表面肌电信号很微弱，且易受干扰。传统表面电极获取的表面肌电信号很微弱，且易受干扰。(2)(2)表面肌电信号传感器表面肌电信号传感器目前工程中通常采用内部集成放大器的目前工程中通常采用内部集成放大器的表面肌电传感器，表面肌电传感器，此类肌电传感器具有此类肌电传感器具有输出阻抗高、数据兼容性好、适用方便输出阻抗高、数据兼容性好、适用方便等特点。测量时仅需做非常简单的皮肤等特点。测量时仅需做非常简单的皮肤准备，不需要使
14、用导电凝胶，即可采集准备，不需要使用导电凝胶，即可采集到极高质量的数据，且具有良好的兼容到极高质量的数据，且具有良好的兼容性，便于数据处理系统连接使用。性，便于数据处理系统连接使用。biometrics SX230肌电传感器肌电传感器124.3 新型生物电信号传感器新型生物电信号传感器(2)(2)表面肌电信号传感器表面肌电信号传感器随着通信技术的发展，表面肌电传感器向无线化发展。无线表面随着通信技术的发展，表面肌电传感器向无线化发展。无线表面肌电传感器非常适合于监护和运动科学领域的研究。测试者可自肌电传感器非常适合于监护和运动科学领域的研究。测试者可自由运动，不再受到导线的限制，无线表面肌电传
15、感器采集到的高由运动，不再受到导线的限制，无线表面肌电传感器采集到的高质量数据可实时传输至数据处理系统进行分析处理。质量数据可实时传输至数据处理系统进行分析处理。134.3 新型生物电信号传感器新型生物电信号传感器脑电信号是指大脑在活动时脑皮质细胞群之间形成电位差，从而在脑电信号是指大脑在活动时脑皮质细胞群之间形成电位差，从而在大脑皮质的细胞产生电流。它记录大脑活动时的电波变化，是脑神大脑皮质的细胞产生电流。它记录大脑活动时的电波变化，是脑神经细胞的电生理活动在大脑皮层或头皮表面的总体反映。经细胞的电生理活动在大脑皮层或头皮表面的总体反映。2 2、脑电传感器、脑电传感器人的大脑皮层有自发的电活
16、动，人的大脑皮层有自发的电活动，其电位可随时间发生变化。用电其电位可随时间发生变化。用电极将这种电位随时间变化的波形极将这种电位随时间变化的波形图提取出来并加以记录就可以得图提取出来并加以记录就可以得到脑电图。到脑电图。144.3 新型生物电信号传感器新型生物电信号传感器2 2、脑电传感器、脑电传感器随着性能高的计算机和机器学习算法随着性能高的计算机和机器学习算法的发展，以脑电信号作为研究与应用的发展，以脑电信号作为研究与应用对象的脑机接口对象的脑机接口(BCI)技术受到了高度技术受到了高度关注。脑机接口技术可以绕过人的脑关注。脑机接口技术可以绕过人的脑外周神经和肌肉组织，通过采集人脑外周神经
17、和肌肉组织，通过采集人脑中对应各运动意图的脑电信号，对运中对应各运动意图的脑电信号，对运动脑电信号分析处理并转换为控制指动脑电信号分析处理并转换为控制指令，分别控制外部设备完成相应的任令，分别控制外部设备完成相应的任务，达成与外界环境交流。务，达成与外界环境交流。脑机接口实现意念打字脑机接口实现意念打字154.3 新型生物电信号传感器新型生物电信号传感器(1)(1)植入式传感器植入式传感器植入式传感器需要对人脑进行开颅手术，植入式传感器需要对人脑进行开颅手术，将电极安放于头骨下大脑皮层，直接采集将电极安放于头骨下大脑皮层，直接采集脑电信号。目前使用较多的植入式脑电传脑电信号。目前使用较多的植入
18、式脑电传感器为犹他阵列感器为犹他阵列(UtanArray)电极。犹他电极。犹他阵列电极由不超过阵列电极由不超过128个电极组成，电极个电极组成，电极尖端金属为铂、氧化铱，电极长度为尖端金属为铂、氧化铱，电极长度为1mm或或1.5mm,犹他阵列电极具有良好的犹他阵列电极具有良好的生物相容性，可稳定、长期地采集脑电信生物相容性，可稳定、长期地采集脑电信号。号。164.3 新型生物电信号传感器新型生物电信号传感器(1)(1)植入式传感器植入式传感器优点缺点植入式传感器避免了眼电和肌植入式传感器避免了眼电和肌电等因素的干扰，可获取信噪电等因素的干扰，可获取信噪比高、保真性高、稳定性好且比高、保真性高、
19、稳定性好且分辨率较高的脑电信号。分辨率较高的脑电信号。由于安装犹他阵列电极具有一定的由于安装犹他阵列电极具有一定的伤害性，实际操作起来存在风险，伤害性，实际操作起来存在风险，且操作步骤比较烦琐，故实际应用且操作步骤比较烦琐，故实际应用较少。较少。174.3 新型生物电信号传感器新型生物电信号传感器(2)(2)非植入式传感器（电极帽）非植入式传感器（电极帽）非植入式传感器非植入式传感器(即脑电电极帽即脑电电极帽)将电极触点将电极触点(常为常为Ag或或AgCl电极电极)附于大脑外轮廓表面记录脑电信号附于大脑外轮廓表面记录脑电信号。由于脑细胞的电活动经过大脑各部分组织会衰减由于脑细胞的电活动经过大脑
20、各部分组织会衰减，因此相对于植入式电极，在头皮上采集到的脑，因此相对于植入式电极，在头皮上采集到的脑电信号强度微弱且易混有其他电信号的伪迹和外电信号强度微弱且易混有其他电信号的伪迹和外界环境的影响。界环境的影响。但是，非植入式脑电电极帽对被测试者无损伤，使用安全可靠，记录方但是，非植入式脑电电极帽对被测试者无损伤，使用安全可靠，记录方便，操作简单，在脑机接口技术中被广泛采用。便，操作简单，在脑机接口技术中被广泛采用。184.3 新型生物电信号传感器新型生物电信号传感器根据测量要求，非植入式电极测量可选用单极导联法、平均导联根据测量要求，非植入式电极测量可选用单极导联法、平均导联法和双极导联法三
21、种导联方式。法和双极导联法三种导联方式。脑电信号的测量脑电信号的测量前置放大电路陷波滤波器低通滤波器ADS1299MCUSTM32上位机传感器信号调理无线通信脑电信号采集方框图脑电信号采集方框图194.3 新型生物电信号传感器新型生物电信号传感器3.3.眼电传感器眼电传感器人眼的视网膜色素上皮及视网膜光感受器之间存在一种静息电位人眼的视网膜色素上皮及视网膜光感受器之间存在一种静息电位，这种静息电位在眼睛周围形成一个电场，角膜为正，视网膜为，这种静息电位在眼睛周围形成一个电场，角膜为正，视网膜为负。眼电是角膜和视网膜之间存在的超极化和去极化现象造成的负。眼电是角膜和视网膜之间存在的超极化和去极化
22、现象造成的角膜角膜视网膜之间的静息电位的变化视网膜之间的静息电位的变化,可以用来反映眼球的运动，可以用来反映眼球的运动，是一种应用极为广泛的生物电信号。是一种应用极为广泛的生物电信号。204.3 新型生物电信号传感器新型生物电信号传感器眼电信号的特点眼电信号的特点正常人平均正常人平均26s眨眼一次，单次眨眼眨眼一次，单次眨眼0.20.4 s。当人眼处于不。当人眼处于不同状态时，其眨眼频率及时间也会发生改变。眼球运动主要有向同状态时，其眨眼频率及时间也会发生改变。眼球运动主要有向上、向下、向左、向右、向左上、向左下、向右上、向右下、凝上、向下、向左、向右、向左上、向左下、向右上、向右下、凝视、皱
23、眉、眨眼、眨单只眼等，运动范围较大且模式简单。视、皱眉、眨眼、眨单只眼等，运动范围较大且模式简单。相对于脑电信号，眼电信号具有波形相对于脑电信号，眼电信号具有波形简单、幅值较高的特点，其中以向上简单、幅值较高的特点，其中以向上/下下/左左/右、皱眉和眨眼产生的眼电信右、皱眉和眨眼产生的眼电信号更为明显。号更为明显。214.3 新型生物电信号传感器新型生物电信号传感器眼电信号的测量眼电信号的测量双极导联方式属于常规眼电图导联方式双极导联方式属于常规眼电图导联方式,5个电极组成双通道采集个电极组成双通道采集。电极。电极A置于额头的中央位置，采集人体自身所带的电信号，作置于额头的中央位置，采集人体自
24、身所带的电信号，作为其他电极的公共参考电极。电极为其他电极的公共参考电极。电极 B、C分别置于左眉上方和左分别置于左眉上方和左眼眶下眼眶下1.5 cm左右的位置，且电极左右的位置，且电极B、C与眼球位于同一垂线，可与眼球位于同一垂线，可检测垂直方向的眼部运动。电极检测垂直方向的眼部运动。电极D、E分别置于左、右眼外边缘分别置于左、右眼外边缘1.5 cm处，且两个电极和受试者眼球处于同一个水平线上，可检处，且两个电极和受试者眼球处于同一个水平线上，可检测水平方向的眼部运动。测水平方向的眼部运动。224.3 新型生物电信号传感器新型生物电信号传感器4.4.心电传感器心电传感器心电是心肌细胞电活动的
25、综合反映，心电的产生与心肌细胞的除极和复心电是心肌细胞电活动的综合反映，心电的产生与心肌细胞的除极和复极过程密不可分。极过程密不可分。在每个心跳周期中，兴奋在心脏各部分间传导并伴随着电信号在方向、在每个心跳周期中，兴奋在心脏各部分间传导并伴随着电信号在方向、途径、次序和时间上的规律性变化。途径、次序和时间上的规律性变化。234.3 新型生物电信号传感器新型生物电信号传感器4.4.心电传感器心电传感器这种生物电信号变化经由心脏周围的组这种生物电信号变化经由心脏周围的组织和体液传导到身体表面，使身体各部织和体液传导到身体表面，使身体各部位在每个心动周期中也发生相应的规律位在每个心动周期中也发生相应
26、的规律性电变化。通过电极测量人体表面特定性电变化。通过电极测量人体表面特定部位的心电变化，并将变化曲线记录下部位的心电变化，并将变化曲线记录下来，即常规的临床心电图，其反映了心来，即常规的临床心电图，其反映了心脏兴奋状态的产生、传导和恢复的电变脏兴奋状态的产生、传导和恢复的电变化过程。化过程。244.3 新型生物电信号传感器新型生物电信号传感器4.4.心电传感器心电传感器AD8232是一款集成前端，适是一款集成前端，适用于对心脏生物电信号进行信用于对心脏生物电信号进行信号调理以监测心率。其内部集号调理以监测心率。其内部集成仪表放大器、运算放大器、成仪表放大器、运算放大器、快速恢复电路，同时具有导联快速恢复电路，同时具有导联脱落检测功能，可以直接完成脱落检测功能，可以直接完成心电的采集心电的采集,输出心电信号。输出心电信号。AD8232测量电路测量电路254.3 新型生物电信号传感器新型生物电信号传感器4.4.心电传感器心电传感器通过通过Ag或者或者AgCl电极提取人体心电信号，将其送入电极提取人体心电信号，将其送入AD8232适当适当地调理和放大后进行模地调理和放大后进行模/数转换，转换为数字信号，并送入数转换，转换为数字信号，并送入STM32单片机进行平滑滤波单片机进行平滑滤波,输出到移动端或输出到移动端或PC端设备，从而显端设备，从而显示心电图。示心电图。26
