摘要:肌电刺激反馈仪是将生物反馈技术和电信号刺激手段相结合,通过传感器电极对人体肌肉部位灌入正负电脉冲信号进行刺激，该脉冲信号可根据方案不同，而选择不同的刺激频率、脉冲宽度、电流强度、和刺激/间歇时间等的被动电脉冲恒电流信号，可对不同情况的患者进行相应的神经肌肉电刺激方案。
关 键 词:sEMG，肌电采集，电刺激
引言
肌电刺激反馈仪全名为表面肌电刺激反馈系统（sEMG），该产品已经逐渐应用于医院康复医学科、神经内科、老年医学科等，主要面向各类医院康复科和神经科的新一代多功能的诊断和治疗设备。
一、关于肌电刺激反馈仪
1.1 产品概况：
肌电刺激反馈仪是将肌电信号检测、电刺激以及实时控制技术相结合的设备。
1.2肌电刺激反馈仪相关标准
设计标准：《肌电生物反馈仪》YY/T 1095-2015,《医用电气设备-安全通用要求》GB-9706.1。
二、肌电刺激反馈仪硬件设计简述
本文将肌电刺激反馈仪硬件研发设计分为：肌电采集硬件设计，电刺激信号硬件设计和核心数字控制板设计部分。
2.1 肌电采集硬件设计
2.1.1 硬件电路原理图设计
肌电采集硬件电路设计，主要包含肌电模拟信号输入前置仪表放大电路，50HZ工频陷波电路，二级信号放大器，光电耦合器隔离电路，末级放大器及缓冲器，ADC转换器电路和右腿电路原理图设计等
a)肌电模拟信号输入前置仪表放大电路原理图设计
前置放大器以仪表运算放大器芯片AD8422A为核心，通过电极片传感器连接到人体肌肤获取到uV级微弱肌电信号，经过电容组滤波后获得有用频率范围的微弱信号，差分输入信号送至仪表运放的输入口IN+/IN-，前置放大器放大倍数设定值约30倍。
b)50HZ工频陷波电路
由于人体表面肌电信号频率范围大致在0.5HZ~1000HZ，包含无所不有的50Hz工频干扰信号，故特设计一个AD8609（具有极低的失调电压以及低输入电压噪声和电流噪声特性）一级运放组成的50Hz工频陷波器电路。
c)二级信号放大器
本级放大器采用AD8609四运放其中一个运放组成一级放大器，可将放大器设计成30倍放大倍数。详细器件参数及原理图如附图1所示。
d)光电耦合器隔离电路
经过二级半运算放大器电路放大后的小肌电信号，需要经过隔离器件与后级电路隔离，这里使用HCNR201光耦进行模拟信号隔离传输设计。
e)末级放大器及缓冲器
对HCNR201光耦输出模拟信号进行放大处理，采用运放AD8609芯片，输出信号再经AD8609设计的缓冲器后，将最终输出的模拟肌电放大信号送入ADC
f)ADC转换器电路
ADC转换器将模拟肌电模拟信号转换成数字肌电信号，数字信号传送给上位机进行处理，如底噪校准和白噪声数字滤波，工频数字滤波，补偿，计算和提供肌电数据供显示等。
g)右腿电路原理图设计
由于普遍存在50/60Hz的干扰噪声等，可能会掩盖uV级的微弱肌电生物信号，使得信号难以测量，前置放大器引入右腿驱动电路，可以减少共模干扰 。本案采用低噪声低功耗的精密集成双运放AD8672设计的右腿电路。
h)供电电源设计
前置级仪表放大器供电+-12VDC独立电源，独立接地；AD8609运放和光耦使用独立单电源+5V；右腿电路使用独立单电源+12V。
2.2 电刺激信号硬件设计
2.2.1 硬件电路原理图设计
电刺激信号硬件电路，包含刺激波形产生，脉宽控制，电流强度控制，极片脱落检测，信号放大变压器等硬件电路设计。
i)刺激波形产生及脉宽控制电路
刺激原始波形由MCU微处理器STM32F103的IO输出PWM波信号，PWM占空比控制脉宽，信号被送至低功耗运放LM2902和一个MOS管构成的比较器IN+输入端，运放输出信号直接连接至由NPN三极管构成的驱动器输入端，驱动器输出即为所需初始的刺激波形，去变压器进行隔离和功率放大。
j)刺激电流强度电路
刺激电流强度控制是通过MCU处理的IO输出PWM信号，经电子开关控制MAX4544切换后连接至上述LM2902比较器的IN+输入端，从而控制前述驱动器输出刺激波形占空比，也即改变变压器输入信号强度，从而控制了刺激电流强度。
k)电极片脱落检测设计
采用运放LM2902构成比较器，当电极片为连接在线状态时，变压器输出呈正常回路状态，耦合到FET输入端后，比较器输出高电平给MCU微处理器IO端判断为在线连接；反之，为低电平，脱落状态。
l)信号放大变压器设计
刺激信号放大变压器由隔离升压变压器耦合到次级端。变压器输出刺激脉冲信号幅度要求：负载510ohm时，可输出额定最大正负半周信号脉冲VPP达50V以上，脉冲频率范围：0.5Hz~1000Hz，最大刺激持续电脉冲宽度：500us，最大脉冲电流：100mA
m)供电电源设计
MCU及模拟开关供电3.3V独立电源；变压器初级信号处理电路采用独立单电源+12V，地为主接地。
2.3 数字控制板硬件设计
2.3.1 硬件原理图设计
数字控制板硬件原理图设计，本项目采用Freescale i.MX6 ARM Cortex A9处理器为核心的核心板系统板Linux嵌入式系统控制原理图：具有支持LAN以太网接口，HUB扩展，I2S音频信号解码及放大电路设计，LVDS显示器接口，WIFI无线，可与上位机/下位机通过SPI接口UART接口电路实现数据通信能力，STM32F103为核心ARM微控制系统与外设的输入输出控制和数据分析及处理等。由于篇幅所限，不再详述。
2.4 本文所述肌电反馈仪硬件电路设计原理图
肌电采集和刺激部分硬件电路原理图设计如附图1；
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图1
2.5 肌电反馈仪PCB电路板设计（略）
结语：
本文简析肌电刺激反馈仪硬件设计方面，及相关电路单元设计，涉及内容较多，篇幅和水平所限，不到之处请见谅！谢谢！
【主要参考文献】
1.《肌电生物反馈仪》YY/T 1095-2015 中华人民共和国医药行业标准
2.《医用电气设备 第 1 部分: 安全通用要求》GB9706.1-200X，国家标准化管理委员会