成思，薛君，周斌桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院

基于肌電信號（EMG）生物反饋儀的研究

成思，薛君，周斌
桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院

本課題基于生物肌電信號的定性研究,旨在設(shè)計出能夠提取和分析肌電信號的反饋治療儀,并且該反饋儀可以選取相應(yīng)的電刺激信號對患處作出一定的治療。本文主要對反饋儀的設(shè)計從軟件和硬件兩方面來概述：硬件設(shè)計包括肌電信號采集和電刺激,軟件設(shè)計包括上位機和下位機。

肌電信號；電刺激；信號提取；生物反饋儀

引言

生物肌電反饋儀（electromyographic feedback instrument）本質(zhì)上是一種對肌肉活動的記錄和顯示裝置,測量身體表面肌電電壓,肌電信號經(jīng)過反饋儀的一系列處理后反映給患者。生物肌電信號是從人體皮膚的表面通過電極記錄下來的肌肉神經(jīng)活動時發(fā)出的生物電信號（EMG）,操作簡單,應(yīng)用廣泛。本課題旨在設(shè)計出能采集和提取生物肌電信號（EMG）的生物肌電反饋儀,該儀器能對提取后的生物肌電信號分析并產(chǎn)生刺激信號對患者作出反饋治療。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與總體方案設(shè)計

生物反饋治療系統(tǒng)主要設(shè)計目標(biāo)是利用計算機軟件控制以STM32為核心工作,通過串口指令和數(shù)據(jù)交換信息,使用電刺激的治療和肌電信號反饋,通過兩者協(xié)同優(yōu)化治療過程。利用STM32F103V作為主控,4.3寸TFT觸摸屏作為顯示屏,通過對采集到的生物肌電信號濾波、放大、衰減、再濾波等一系列步驟,將微弱的肌電信號清晰地反應(yīng)在觸摸屏上。

2 硬件設(shè)計

生物肌電反饋儀硬件設(shè)計主要包括肌電信號采集和電刺激。其中,肌電信號采集部分包括檢測電極、前置放大、信號濾波電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路;電刺激部分包括DA轉(zhuǎn)換電路、電刺激電路。

2.1 肌電信號采集

2.1.1 前置放大電路

人體肌電信號相當(dāng)微弱,且信噪比小,因此為了能有效可靠地得到生物肌電信號（EMG）,必須利用前置放大電路對所輸入的信號進行濾波和放大。生物肌電信號（EMG）本身是高內(nèi)阻微弱的電信號,將電極片貼在皮膚表面得到提取后的信號,會呈現(xiàn)尤為不穩(wěn)定的高內(nèi)阻源特性（high resistance sources）。相對于幅度在微伏、毫伏數(shù)量級的低頻生物肌電信號來說,前置放大器的性能則尤為重要。

2.1.2 信號濾波電路

在信號采集、傳輸?shù)倪^程中,各種具有隨機性的噪聲混入放大電路中,從而影響對肌電信號的采集。因此,我們需要設(shè)計高通濾波器和低通濾波器對噪聲信號加以抑制,盡可能地提高信噪比。高通濾波器是一個容易被高頻率信號通過而低頻率信號被抑制通過的系統(tǒng)。而低通濾波器則有相反的效果。本課題采用二階巴特沃斯高通濾波器和二階低通濾波器。

2.1.3 AD轉(zhuǎn)換電路

由于數(shù)字信號（digital signal）具有抗干擾能力強、便于傳輸和保密性強等優(yōu)點,離散的數(shù)字信號為本課題所用。雖然離散的數(shù)字信號在傳輸過程中也會摻雜進噪聲,但我們利用硬件電路構(gòu)成閾值電壓來判定輸入的信號電壓的取值,只有電壓達到某一幅度,輸出值才會判定為1,并重新生成一串新的脈沖。

2.2 電刺激部分

2.2.1 DA轉(zhuǎn)換電路

模數(shù)轉(zhuǎn)換電路是數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的逆過程,直觀形象地在液晶屏上顯示,供患者和治療師作為進一步治療的依據(jù)。數(shù)模轉(zhuǎn)換器內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)差異不大,通常是根據(jù)輸出電流或電壓。大部分的數(shù)模轉(zhuǎn)換器通過電阻陣列和電流開關(guān)組成。根據(jù)信號輸入大小切換開關(guān),產(chǎn)生相應(yīng)比例的輸入電流（或電壓）。

2.2.2 電刺激電路

電刺激在低中頻電流恒流刺激治療應(yīng)用程序,選擇低頻運動類型之間的單向整流器、雙向交換等,根據(jù)特定的處方達到治療目的。通過上機位軟件編程選擇刺激波形,存儲串口波形,每一個波形存儲周期為32。波形選擇、電刺激波形的參數(shù)如頻率、時間由上位機接收決定,讀取刺激波形的存儲器數(shù)據(jù)發(fā)送到達32位。這樣的設(shè)計有利于臨床實踐中增加醫(yī)務(wù)人員選擇的范圍和病人適應(yīng)范圍,最大限度地發(fā)揮本設(shè)計的作用。

3 軟件運用

CPU根據(jù)反饋的可靠生物肌電信號（EMG）,計算出該生物肌電信號的有效值。根據(jù)生物肌電信號（EMG）有效值的大小和時間，決定輸出肌肉電刺激信號的強度與頻率等。生物電刺激信號的研究與開發(fā)對該生物反饋儀的治療效果有決定性作用。高速度、高精度的AD轉(zhuǎn)換芯片以及高速率芯片是模擬量的采集所需要的,本課題采用常見的STM32處理器來控制。

3.1 上位機軟件設(shè)計概述

上位機采用模塊設(shè)計,利于調(diào)試和管理,也容易調(diào)用。單片機通過串口發(fā)送指令,對用戶界面進行操作,實現(xiàn)控制單片機系統(tǒng)。實現(xiàn)初始化后的單片機,根據(jù)串口中斷命令調(diào)用相應(yīng)的子程序執(zhí)行工作,數(shù)字信號被采集后通過串口發(fā)送給處理器。同時,信號需要被進一步分析處理,讓用戶更容易直接地接收反饋信號。

3.2 下位機軟件設(shè)計概述

下位機的主要作用是接收來自上位機的操作指令,并通過控制單片機完成相應(yīng)的操作。上電后,初始化操作由下位機執(zhí)行完畢后,就等待上位機的指令。當(dāng)接收到上位機的指令后,標(biāo)志位由串行中斷傳給主程序,同時設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)志數(shù)。單片機循環(huán)查詢標(biāo)志數(shù),確保主程序各個任務(wù)同時執(zhí)行來增強實時性。單片機需執(zhí)行的任務(wù)很多,因此會影響系統(tǒng)的實時性,故本課題設(shè)計采用中斷的方法來增強系統(tǒng)的實時性。

4 結(jié)束語

本課題以肌電反饋信號為研究對象,對生物肌電信號的特征及提取方法深入研究,配合電刺激信號參與肌電信號反饋治療。本課題對生物反饋治療儀的硬件電路（肌電信號采集和電刺激）和軟件設(shè)計（上、下位機）作出了概述。經(jīng)實踐驗證,本設(shè)計可完成對生物肌電信號的提取和處理,并自主選擇相應(yīng)的電刺激信號對患者進行一定的治療,幫助其康復(fù)治療。

[1]王健,金小剛.表面肌電信號分析及其應(yīng)用研究.中國體育科技,2000,36（8）：26-28.

[2]胡天培.肌電特征發(fā)現(xiàn)與肌電康復(fù)研究.上海交通大學(xué)學(xué)報, 1994,第28卷,第3期.

[3]李后強等.肌電圖波形的分形表征及模擬初探.體育科學(xué), 1991,11（5）：52-55.

[4]李卓.表面肌電的信號分析及在體育科研中的應(yīng)用[D].南京理工大學(xué),2011.

[5]楊瑞.肌電信號采集與分析系統(tǒng)的研制[D].河北工業(yè)大學(xué), 2005.