Человеко-машинный интерфейс

Электромиография (ЭМГ) - это метод записи мышечной активности путем измерения разности потенциалов на исследуемой мышце. Регистрация сигналов ЭМГ - это последняя тенденция, поскольку она открывает путь к новому методу человеко-машинного интерфейса (HMI). Здесь сигналы, посылаемые мозгом, воспринимаются как разность потенциалов в мышцах. Сигналы очень слабые по силе и изначально заложены в шумах и большом смещении электродов; поэтому для извлечения сигналов ЭМГ хорошего качества часто требуются специальные процедуры. Описанная здесь схема помогает создать аналоговый интерфейс (AFE) простой и экономичной системы сбора данных ЭМГ. Схема специально разработана для портативных систем с батарейным питанием. Вы можете просматривать полученные сигналы ЭМГ на осциллографе на базе ПК или обычном осциллографе для простоты. Один из таких осциллографов на базе ПК (бесплатное ПО) можно загрузить по адресу http://www.zeitnitz.eu/scope/scope_141.exe.

Принципиальная схема HMI через EMG показана на рис. 3. Начиная слева, два электрода, прикрепленные к мышце, подключены к инструментальному усилителю с однополярным питанием INA122 (IC1), который усиливает разность напряжений между двумя электродами, подавляя любой сигнал, который является общим для обоих, тем самым устраняя большую часть шума и электромагнитных помех переменного тока 50 Гц. Резистор R1 определяет коэффициент усиления на выходе IC1.

Рис.1: Электромиографический сигнал на осциллографе на базе ПК

Трудно справиться с биполярной природой биосигналов. Чтобы решить эту проблему, мы используем топологию виртуальной земли или топологию с разделенной шиной, которая разделяет основную шину питания на две шины: одна имеет Vcc, а другая - половину Vcc (виртуальная земля). Созданная виртуальная земля действует как псевдонулевое напряжение и, таким образом, заставляет выходной сигнал колебаться между 0 и Vcc с виртуальной землей как нулевое вольт, что делает доступной всю часть волны ЭМГ, а также только в положительном диапазоне, таким образом, делая это топология идеально подходит для взаимодействия с цифровыми системами или микроконтроллерами. IC1 специально разработан для работы с однополярным питанием, для чего он включает в себя преобразователи напряжения и защиту от перенапряжения. Электроды прикрепляются непосредственно к мышце. Перед установкой электродов очистите кожу пациента спиртом для удаления грязи и нанесите ультразвуковой гель. Два электрода прикрепляют к интересующей мышце, а третий (контрольный) подключают к области, предпочтительно в суставах, где меньше мышц. Электрод сравнения следует подключать только к контакту 3 разъема CON1. Это жизненно важно, так как обеспечивает синфазный сигнал.

Рис.2: Размещение электродов

Эталон подключается к виртуальной земле и контакту 5 (Vref) IC1, поэтому необходимо соблюдать осторожность, чтобы изолировать пациента от земли. Пациент не должен касаться заземленного металла, который может вызвать утечку синфазного напряжения и, таким образом, увеличить амплитуду выходного сигнала и вызвать сильный шум. Выходной сигнал инструментального усилителя IC1 подается на неинвертирующий усилитель, построенный на основе OPA2241 (IC2) через конденсатор C1, который устраняет смещение постоянного тока с электродов. Усиленный выходной сигнал от IC2 отправляется на осциллограф ПК через аудиоразъем для отображения формы сигнала.

Рис.3: Принципиальная схема HMI через электромиографию

Рис.4: Односторонняя печатная плата для HMI через электромиографию

Рис.5: Компоновка компонентов печатной платы

Односторонняя печатная плата для схемы HMI показана на рис. 4, а схема ее компонентов - на рис. 5. После сборки схемы на печатной плате поместите ее в подходящий пластиковый корпус. Закрепите трехконтактный разъем для электродов и двухконтактный разъем для вывода. Также закрепите двухконтактный разъем для питания на лицевой стороне панели. Обратите внимание, что электрод, подключенный к контакту 3 разъема CON1, является электродом сравнения и должен контактировать с суставом, в котором меньше мышц. Во время тестирования мы использовали электроды ЭКГ, так как они легко доступны в медицинских магазинах. Для поиска и устранения неисправностей проверьте напряжения в различных контрольных точках, указанных в таблице.