Оценка эффективности различных конструкций электродов и усилителей биосигналов в системах управления протезами

УДК 615.47:519.95

Д. Р. Сафин, И. С. Пильщиков, М. А. Ураксеев, В. Г. Гусев

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗЛИЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ЭЛЕКТРОДОВ И УСИЛИТЕЛЕЙ БИОСИГНАЛОВ В СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ ПРОТЕЗАМИ

Аннотация. Рассмотрены проблемы, возникающие при получении ЭМГ-сиг-налов с поверхности кожи для биоэлектрического управления протезами, а также возможные пути их решения. Проведен анализ конструкций поверхностных электродов, рассмотрены их преимущества и недостатки, предложена оптимальная конструкция электрода. Рассмотрены теоретические аспекты построения усилителей биоэлектрических сигналов, особенности их практической реализации с учетом особенностей получения ЭМГ-сигнала. Предложен вариант реализации концепции «активного электрода».

Ключевые слова: биоэлектрическое управление, ЭМГ-сигнал, поверхностный электрод, усилитель биопотенциалов, миоэлектрический протез.

Abstract. This article is devoted problems of recording qualitative EMG signal to use it in prosthetic control system. Authors have considered a number of problems of recording surface EMG signal for controlling myoelectrical prosthetics. The analysis of possible designs of surface electrodes is carried out, their advantages and lacks are considered, and also the optimum design of an electrode is offered. The basic theoretical aspects of construction of amplifiers of bioelectric signals and their practical realization taking into account features of reception EMG of a signal are considered. The way of realization of the concept of «active electrode» is offered. Keywords: bioelectrical control, EMG signal, surface electrode, amplifier of bioelectric signals, myoelectric prosthesis.

Введение

Существуют различные типы протезов конечностей: косметические, тяговые, биоэлектрические и др. Наиболее эффективными являются протезы, в которых для управления используется информация, полученная от организма человека (биопотенциалы на поверхности кожи, нервные импульсы, изменение размеров конечности), так называемые активные биоуправляемые протезы [1].

При разработке биоуправляемых протезов основной проблемой является выбор способа получения информации о совершаемом фантомном движении. По этому признаку можно выделить несколько типов протезов: биоэлектрические, миотонические, контактные, с нейроимпульсным управлением. В свою очередь, среди биоэлектрических протезов выделяются протезы с релейным управлением, с пропорциональным управлением, с управлением от биоэлектрического образа (ЭМГ-паттерна). При биоэлектрическом управлении протезами управляющим сигналом является электрическая активность соответствующих мышц.

Работа биоэлектрических протезов осуществляется следующим образом. Инвалид совершает желаемые фантомные движения, при этом с помощью электродов, расположенных на поверхности культи, регистрируются электромиографические (ЭМГ) сигналы, из которых выделяется информация

о виде совершаемого движения, затем эти данные преобразуются в соответ-

ствующие управляющие сигналы для исполнительных механизмов искусственной кисти.

Очевидно, что для создания качественных протезов с биоэлектрическим управлением необходимо иметь возможность получать качественный и стабильный ЭМГ-сигнал. От качества съема биопотенциалов с поверхности кожи очень сильно зависит работа всей остальной системы в целом. Первоочередной задачей при разработке биоэлектрических протезов является создание усилителя биопотенциалов и нахождение оптимальной конструкции электродов, а также способ их крепления и выбор нужных точек наложения.

Целью данной статьи является рассмотрение проблем, возникающих при получении ЭМГ-сигналов с поверхности кожи для биоэлектрического управления протезами, путей решения этих проблем, а также нахождение оптимальной конструкции электродов и усилителя биопотенциалов.

1 Основные проблемы, возникающие при регистрации ЭМГ-сигнала

При разработке устройств получения ЭМГ-сигналов для протезов с биоэлектрическим управлением необходимо учитывать целый ряд специфических особенностей данных устройств.

В имеющейся литературе очень мало внимания уделено этому вопросу, знания в этой области слабо систематизированы. Поэтому в первую очередь необходимо обозначить круг проблем, с которыми приходится сталкиваться при разработке таких устройств, а также сформулировать рекомендации для их решения.

Основная сложность при разработке усилителей ЭМГ-сигнала заключается в том, что эти сигналы имеют очень маленькую амплитуду (от 20 мкВ до 2 мВ при максимальном сокращении мышцы), при этом на полезный сигнал могут накладываться шумы, амплитуда которых может существенно превышать сам ЭМГ-сигнал. Необходимо принимать во внимание тот факт, что амплитудные характеристики ЭМГ-сигналов для разных мышц могут существенно отличаться, они могут иметь различные значения у разных людей. При снятии биопотенциалов с поверхности культи у инвалидов амплитуда сигнала, как правило, оказывается гораздо ниже, чем у здоровых людей [1]. В силу вариабельности максимального значения амплитуды ЭМГ-сигнала у разных людей и разных мышц усилитель биопотенциалов должен иметь возможность изменения своего коэффициента усиления в достаточно широких пределах.

Серьезной проблемой является влияние сетевой наводки 50 Гц на полезный сигнал. Ситуация осложняется тем, что частота 50 Гц находится в спектре полезного сигнала, который имеет диапазон 20-500 Гц. Для подавления этой наводки одной лишь фильтрации сигнала оказывается недостаточно, поэтому приходится использовать целый комплекс мер, о которых будет сказано далее. Также необходимо принимать во внимание тот факт, что если электроды и усилитель биопотенциалов находятся на значительном расстоянии друг от друга, то велика вероятность появления в полезном сигнале шумов, связанных с наводкой на соединительные провода.

Следующая проблема заключается в том, что при отведении сигнала от какой-либо группы мышц могут иметь место перекрестные помехи от соседних групп мышц. Величина этих перекрестных помех может достигать существенных значений. В некоторых случаях может наблюдаться влияние ЭКГ-сигнала на сигнал электромиограммы [1]. Таким образом, необходимо мак-

симально снизить взаимное влияние электрической активности соседних мышц друг на друга. Это достигается путем оптимального подбора формы электродов, межэлектродного расстояния, выбором точек наложения электродов.

Важным моментом является состояние контакта кожа-электрод. Здесь нужно принимать во внимание целый ряд факторов: эффект поляризации электродов, высокий импеданс кожи, надежность крепления электродов и др. Необходимо помнить, что импеданс кожного покрова может изменяться, как функция влажности кожного покрова. На качество съема ЭМГ-сигнала серьезно влияет состояние кожи, волосяной покров, наличие подкожного жира [2].

Для протезов с биоэлектрическим управлением очень важно, чтобы при каждом повторном наложении электродов на кожу сигнал не менял своих характеристик. Даже малейшее смещение электродов может привести к изменению сигнала. Поэтому в первую очередь надо позаботиться о том, чтобы конструкция усилителя и электродов предполагала возможность точного позиционирования отводящих поверхностей на коже, неизменность характеристик и повторяемость результатов.

В силу того что протез является устройством носимым, он может подвергаться различным воздействиям окружающей среды. Кроме того, во время эксплуатации протеза у инвалида может наблюдаться потение кожи, возможно механическое воздействие на электроды. Все это может привести к искажению ЭМГ-сигнала, появлению артефактов движения, смещению электродов.

2 Особенности конструкций электродов

В то время как в клинической практике для съема ЭМГ-сигналов широко используются игольчатые электроды, с помощью которых удается получать биопотенциалы с отдельных двигательных единиц, для целей биоуправления целесообразно использовать электроды, накладываемые на поверхность кожи. При поверхностном отведении приходится иметь дело с суммарным ЭМГ-сигналом от различных двигательных единиц, расположенных в непосредственной близости от отводящих электродов.

Большое значение имеет правильное позиционирование электродов на поверхности кожи. Для получения наибольшей амплитуды сигнала электроды накладываются на так называемые двигательные точки. Расположение этих точек достаточно хорошо известно [3].

На рис. 1 наглядно показана зависимость амплитуды сигнала от места наложения электродов над областью исследуемой мышцы.

При правильном позиционировании электродов увеличивается амплитуда полезного сигнала, увеличивается соотношение сигнал/шум, уменьшается влияние перекрестных помех от соседних мышц.

При использовании поверхностных электродов существенное влияние на качество сигнала оказывает подготовка кожи. Должная подготовка кожи перед наложением электродов обеспечивает стабильный контакт электрод-кожа, снижает импеданс кожного покрова. В общем случае такая подготовка предполагает удаление волосяного покрова с поверхности кожи, очистку от отмерших клеток кожи, а также обезжиривание требуемого участка кожи. Для этих целей можно использовать специальные абразивные пасты. В простейшем случае поверхность кожи протирается спиртом [4].

гг. чтт+r г-г-. - I- и

Time

о

Frequency

Рис. 1 Зависимость амплитуды сигнала от положения отводящих электродов

Так как при использовании протеза инвалид может находиться с наложенными электродами достаточно долгое время, то необходимо использовать электроды из материалов, которые бы обеспечивали стабильный контакт кожа-электрод в течение долгого времени, а также были мало подвержены эффектам поляризации. В этом случае целесообразно использовать электроды из серебра, хлорсеребряные электроды, либо из золота или платины. В наших экспериментальных исследованиях мы использовали позолоченные электроды.

Что касается формы самих электродов, то тут возможны разные варианты. Следует отметить, что геометрия электродов влияет на амплитуду снимаемого сигнала, а также на уровень перекрестных помех. При этом основными влияющими параметрами являются межэлектродное расстояние и площадь поверхности, занятой электродом. Так, амплитуда снимаемого сигнала будет прямо пропорциональна межэлектродному расстоянию, в то время как полоса пропускания с увеличением этого расстояния будет уменьшаться. Кроме того, с увеличением межэлектродного расстояния возрастает вероятность паразитного влияния ЭКГ-сигнала. Обычно это расстояние находится в пределах 8-30 мм. Результаты проведенных нами экспериментов показали, что оптимальным для данной задачи является межэлектродное расстояние равное 10-12 мм [5].

По форме электроды могут быть дисковые либо прямоугольной формы. В наших исследованиях мы испробовали электроды различных форм и размеров. Лучшими оказались электроды прямоугольной формы с шириной 1-2 мм и длиной 10 мм, расположенные на расстоянии 12 мм друг от друга. Как и в случае с межэлектродным расстоянием, увеличение площади поверхности электродов ведет к увеличению амплитуды получаемого сигнала, однако с увеличением амплитуды резко возрастает влияние соседних мышц, создающее перекрестные помехи в полезном сигнале. Вместе с тем увеличение

площади электродов способствует большей стабильности изолинии. Принимая во внимание все эти факторы, приходится искать компромиссное решение геометрии электродов. На рис. 2 представлены зависимости уровня перекрестных помех от межэлектродного расстояния и ширины электродов. Эти зависимости получены путем использования электродов с шириной 7,5 и 1 мм и изменением расстояния между ними. Процент перекрестных помех в полезном сигнале оценивался с помощью двойного дифференциального электрода.

Рис. 2 Зависимость уровня перекрестных помех от межэлектродного расстояния и ширины электродов [4]

Следующим важным аспектом является конструкция электродов и способы их крепления к телу человека. Изначально мы использовали электроды в виде двух отдельных металлических пластин, соединенных с усилителем биопотенциалов экранированным кабелем. Такое решение оказалось не очень удовлетворительным по следующим причинам:

1) большое влияние наводок на кабель, соединяющий электроды и усилитель;

2) сложность правильного позиционирования на коже;

3) сложность в соблюдении требуемого межэлектродного расстояния;

4) ненадежная фиксация.

Принимая во внимание эти недостатки, мы пришли к использованию так называемого «активного электрода» [6]. Активный электрод (рис. 3) представляет собой совокупность детектирующих металлических пластинок и предусилителя биопотенциалов, расположенных в непосредственной близости, конструктивно выполненных на одной печатной плате малого размера. Такое решение исключает наличие соединительных проводов между электродами и усилителем, т.к. электроды и усилитель расположены на одной плате. В силу того что детектирующие поверхности жестко закреплены на плате, межэлектродное расстояние и ориентация электродов всегда остаются постоянными. Также исключается возможность смещения электродов относительно друг друга, что могло бы существенно повлиять на характеристики сигнала. Кроме того, вопрос о надежной фиксации электродов при таком подходе решается гораздо проще.

Рис. 3 Внешний вид активного электрода [6]

В простейшем случае (в клинической практике) фиксация электродов обеспечивается лейкопластырем, наклеенным сверху электродов, однако в биоуправляемых протезах такой способ фиксации был бы недостаточным. Использование активного электрода дает возможность фиксировать электрод на коже не только сверху, но и использовать для фиксации пространство между электродами и по краям. Такую фиксацию можно обеспечить путем приклеивания на поверхность активного электрода, который соприкасается с кожей, клейкого материала, например двустороннего скотча.

Еще одной сложностью в обеспечении четкой фиксации электродов является использование электролитического геля. Этот гель широко используется в клинической практике для установления стабильного контакта между кожей и электродами. Однако использование геля может послужить причиной скольжения электродов по поверхности кожи, что приводит к помехам в сигнале и сдвигам изолинии. Кроме того, гель через некоторое время после нанесения на кожу начинает высыхать, тем самым приводя к искажениям сигнала и накладывая ограничение на время непрерывного ношения электродов на теле. Исходя из этого, целесообразно было бы обеспечить возможность использования электродов без геля, не ухудшая при этом качества контакта кожи с электродом. Этого можно добиться, обеспечивая тщательную подготовку кожи перед наложением электродов и используя электрод с очень хорошей фиксацией. Решить эту проблему возможно применением не плоского, а контурного корпуса активного электрода [4]. Пример такого корпуса изображен на рис. 4.

Рис. 4 Пример электрода с контурной поверхностью

До этого рассматривались дифференциальные электроды. На практике также можно использовать двойной дифференциальный электрод. У такого электрода, как и у дифференциального, имеются две отводящие поверхности, но сигнал на усилитель подается относительно третьей отводящей поверхности, расположенной между первыми двумя (рис. 5).

Рис. 5 Двойной дифференциальный электрод

Использование двойного дифференциального электрода позволяет существенно снизить влияние перекрестных помех, однако, с точки зрения надежности фиксации, он значительно уступает дифференциальному. Двойные дифференциальные электроды очень удобно использовать, когда необходимо оценить уровень перекрестных помех. Делается это путем сравнения сигналов, снятых с одной и той же двигательной точки обоими видами электродов.

3 Особенности усилителей биопотенциалов

Далее рассмотрим вопросы, связанные непосредственно с усилителем биопотенциалов. Идеальным для регистрации биопотенциалов является усилитель, который обладает бесконечно большим входным сопротивлением, полностью подавляет помехи от силовой сети, нечувствителен к потенциалам поляризации и помехам, лежащим за пределами полосы частот полезного сигнала, не имеет собственных шумов и не вносит частотные и нелинейные искажения в полосе частот и динамическом диапазоне полезного сигнала [3]. Однако построить такой усилитель невозможно, поэтому на практике ограничиваются следующими требованиями к усилителям биопотенциалов (табл. 1).

Таблица 1

Входной импеданс не менее 10 МОм

Диапазон входного сигнала 0.6 мВ

Коэффициент ослабления синфазного сигнала не менее 80 дБ

Напряжение шумов, приведенных ко входу менее 8 мкВ

Коэффициент усиления с возможностью изменения в пределах от 625 до 50000 раз

Полоса пропускания 20.500 Гц

Частота дискретизации 2000.10000 Гц

Разрядность АЦП не менее 8 разрядов

Работа в диапазоне температур -40.+60 °С

Основным способом устранения поляризационного потенциала электродов является увеличение входного сопротивления усилителя. Одним из путей обеспечения высокого входного сопротивления и значительного подавления синфазной помехи является использование инструментального усилителя [2]. Подобные усилители обладают входным сопротивлением порядка десятков гигаом и обеспечивают подавление синфазного сигнала на уровне 110...120 дБ. Схема инструментального усилителя, построенного на дискретных операционных усилителях, приведена на рис. 6.

Рис. 6 Схема инструментального усилителя на трех ОУ

Если выполняются условия

Ю = («4+^ = к и = яз = «4 («6 + «7) «4

то выходное напряжение можно найти по формуле

Из формулы (1) видно, что коэффициент усиления по напряжению может легко регулироваться изменением значения R2. Напряжение смещения нуля усилителей ОУ1 и ОУ2 сравнительно невелико и полностью отсутствует при одинаковых Ucm1 и ^CM2 . Большой коэффициент ослабления синфазного сигнала обусловлен тем, что ОУ3 усиливает только разность выходных напряжений ОУ1 и ОУ2. Поэтому при равных коэффициентах подавления синфазного сигнала у ОУ1 и ОУ2 подавление его на выходе ОУ3 будет практически полным.

Однако на биообъекте присутствует напряжение помех от силовой сети, которое может достигать десятков вольт. Для того чтобы усилитель биопотенциалов работал в линейном режиме, необходимо ослабить это напряжение. Для этого используют индифферентный электрод, с помощью которого на биообъект подается инвертированное напряжение синфазных помех, усиленное от десятков до сотен раз [2]. Схемотехническая реализация в упрощенном виде такого способа показана на рис. 7.

Индифферентный электрод (в западной литературе носит название Right Leg Driver (RLD)) в системе усилителя биопотенциалов занимает очень важное место. Так, в ходе экспериментов нами было отмечено, что при отсоединении индифферентного электрода от поверхности кожи уровень помех становится на порядок выше, что является недопустимым при использовании ЭМГ-сигнала для управления протезом. Конструктивно индифферентный электрод лучше выбирать как можно большего размера (до 4-5 см). Что касается места наложения этого электрода, то следует выбирать участки кожи, не богатые мышечной тканью, расположенные на некотором отдалении от ис-

следуемых мышц. Это требование обосновывается тем, что индифферентный электрод не должен вносить искажения в полезный сигнал. Показанная выше схема подключения индифферентного электрода обладает рядом недостатков. Поэтому, проанализировав различные варианты построения этой схемы, мы пришли к выводу, что оптимальным будет вариант, представленный на рис. 8. А на рис. 9 показаны осциллограммы для этой схемы, промоделированные с помощью программы Micro-cap7.

Рис. 7 Способ подавления синфазных помех с помощью индифферентного электрода

Такое решение примечательно тем, что, в отличие от классической схемы, предлагаемая нами нечувствительна к высокочастотным помехам, обладает большей стабильностью и имеет достаточно высокий коэффициент усиления (300 раз).

Для устранения постоянной составляющей полезного сигнала (напряжение смещения, напряжение поляризации электродов) и обрезания частот в спектре получаемого сигнала ниже 20 Гц мы остановились на следующем схемном решении (рис. 10). В схеме усилитель ОУ4 образует с конденсатором С и резистором Я' фильтр высоких частот с частотой среза, равной

/ = —^~, (2) 2кЯ'С

и подавлением на частоте среза, равным -3 дБ.

Рис. 8 Оптимальная схема электронных узлов системы индифферентного электрода

Рис. 9 Осциллограммы для схемы на рис. 8

Сигнал на выходе усилителя будет принимать значения от 0 до +ипит относительно искусственно введенной средней точки ипит\2.

В качестве инструментального усилителя целесообразно использовать интегральные микросхемы с внутренней структурой, подобной той, что показана на рис. 6. Из имеющихся на рынке инструментальных усилителей наибольшее внимание заслуживают микросхемы INA118 фирмы Burr Brown и AD620 фирмы Analog Devices. В своих исследованиях мы использовали обе

эти микросхемы, в итоге эмпирически пришли к тому, что наилучшими характеристиками для наших целей обладает микросхема ГКЛ118.

Рис. 10 Способ компенсации постоянной составляющей на выходе инструментального усилителя

Из анализа амплитудных характеристик ЭМГ-сигнала следует, что для данной задачи усилитель биопотенциалов должен усиливать входной сигнал, максимальная амплитуда которого может находиться в достаточно широком диапазоне для разных людей (от 20 мкВ до 6 мВ). Очевидно, что при таком положении вещей усилитель должен иметь возможность регулировки своего коэффициента усиления. Кроме того, т.к. разрабатываемое устройство является портативным с батарейным питанием, было принято решение использовать однополярное питание усилителей +5 В с искусственно созданной точкой +2,5 В (виртуальная земля). Следовательно, амплитуда сигнала на выходе усилителя должна лежать в диапазоне от 0 до 5 В от пика до пика. Принимая во внимание вышеизложенные соображения, разрабатываемый нами усилитель биопотенциалов был разделен на три усилительных каскада с возможностью регулировки коэффициента усиления на оконечном каскаде (рис. 11). Таким образом, общий коэффициент усиления данного устройства может варьироваться в пределах от 625 до 50000 раз. В результате мы пришли к схеме усилителя биопотенциалов, которая показана на рис. 12.

Рис. 11 Распределение коэффициентов усиления между каскадами усилителя биопотенциалов

Рис. 12 Схема электрическая принципиальная разработанного усилителя биопотенциалов

Заключение

В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований можно сделать вывод, что для получения наилучшего результата при съеме ЭМГ-сигнала, используемого для управления протезом предплечья, необходимо использовать контурные активные электроды (электроды интегрированные с усилителем) в совокупности с индифферентным электродом. При этом детектирующие поверхности электродов должны быть выполнены прямоугольной формы размером 2^10 мм. Оптимальное межэлектродное расстояние при этом будет 10-12 мм.

Список литературы

1. Гурфинкель, В. С. Биоэлектрическое управление /В. С. Гурфинкель,

B. Б. Малкин, М. Л. Цетлин, А. Е. Шнейдер. - М. : Наука, 1972.

2. Гусев, В. Г. Электроника и микропроцессорная техника / В. Г. Гусев, Ю. М. Гусев. - М. : Высшая школа, 2005.

3. Славуцкий, Я. Л. Физиологические аспекты биоэлектрического управления протезами / Я. Л. Славуцкий. - М. : Медицина, 1982.

4. Luca, De C. J. The use of surface electromyography in biomechanics /

C. J. De Luca // Journal of Applied Biomechanics, 1997. - № 13 (2).

5. Roy, S. H. Electro-Mechanical stability of surface EMG sensors / S. H. Roy, G. De Luca, S. Cheng, A. Johansson, L. D. Gilmore, C. J. De Luca // Medical and biological engineering and computing. - 2007. - № 45.

6. Luca, De C. J. Surface electromyography: etection and recording /

Carlo J. De Luca. - DelSys. - 2002.

Сафин Джамшид Рашидович аспирант,

Уфимская государственная академия экономики и сервиса

E-mail: djamshidsafin@bk.ru

Пильщиков Игорь Сергеевич аспирант,

Уфимский государственный авиационный технический университет

E-mail: pilshikov_igor@mail.ru

Гусев Владимир Георгиевич

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой информационно-измерительной техники, Уфимский государственный авиационный технический университет

E-mail: iit@mail.rb.ru.

Safin Dzhamshid Rashidovich

Postgraduate students, Ufa State Academy of Economics and Service

Pilshikov Igor Sergeevich Postgraduate student, Ufa State Aviation Technical University

Guseev Vladimir Georgievich Doctor of technical sciences, professor, head of sub-department of information-measuring technologies, Ufa State Aviation Technical University

Ураксеев Марат Абдуллович доктор технических наук, профессор, кафедра информационно-измерительной техники, Уфимский государственный авиационный технический университет

E-mail: iit@mail.rb.ru.

УДК 615.47:519.95 Сафин, Д. Р.

Оценка эффективности различных конструкций электродов и усилителей биосигналов в системах управления протезами / Д. Р. Сафин, И. С. Пильщиков, М. А. Ураксеев, В. Г. Гусев // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2009. - № 2 (10). -

С. 88-101.

Urakseev Marat Abdullovich Doctor of technical sciences, professor, sub-department of information-measuring technologies, Ufa State Aviation Technical University