冀孟杰，李曉歐

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一種便攜式表面肌電采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

冀孟杰1，李曉歐2

（1. 上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200093；2. 上海健康醫(yī)學(xué)院醫(yī)療器械學(xué)院，上海 201318）

為有效提高表面肌電采集系統(tǒng)的便攜性，設(shè)計(jì)了一種新型的便攜式表面肌電采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)由前置放大電路、濾波電路、電平抬高電路等組成，軟件系統(tǒng)則是利用C#和MATLAB混合編程對(duì)肌電信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和預(yù)處理。利用該系統(tǒng)采集肌電信號(hào)，并選擇基于模糊熵特征量和支持向量機(jī)的方法識(shí)別手部動(dòng)作。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)成功地采集到肌電信號(hào)，并且采集部分體積為40 cm3,達(dá)到小型化，便于攜帶。同時(shí)在動(dòng)作識(shí)別測(cè)試中，握拳動(dòng)作識(shí)別率達(dá)到了100%,展拳動(dòng)作識(shí)別率是88.9%，具有較高的識(shí)別率。

表面肌電；信號(hào)采集；預(yù)處理；動(dòng)作識(shí)別應(yīng)用

0 引言

人體在運(yùn)動(dòng)過程中伴隨著各種肌肉動(dòng)作，同時(shí)包含著復(fù)雜的神經(jīng)系統(tǒng)的生物電活動(dòng)。而表面肌電信號(hào)就是其中的一種生物電信號(hào)。表面肌電信號(hào)（Surface Electromyography，SEMG）是由電極周圍的肌纖維產(chǎn)生的所有運(yùn)動(dòng)單元電位在時(shí)間和空間上的累積，是神經(jīng)干上電活動(dòng)和淺層肌肉肌電信號(hào)在皮膚表面的綜合效應(yīng)[1]。正是以其提取方便、無創(chuàng)測(cè)量、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，SEMG被廣泛應(yīng)用于例如假肢控制、肌肉疾病診斷、肌肉疲勞程度評(píng)定以及神經(jīng)肌肉功能診斷等許多領(lǐng)域，使其在康復(fù)醫(yī)學(xué)研究、協(xié)助身體運(yùn)動(dòng)和各種肌肉神經(jīng)的基礎(chǔ)研究方面有著深遠(yuǎn)的意義[2]。同時(shí)，SEMG又被應(yīng)用于肌肉-計(jì)算機(jī)接口技術(shù)中，例如利用SEMG完成虛擬現(xiàn)實(shí)、輪椅、外骨骼等控制和跌倒檢測(cè)[3-6]。

SEMG是微弱的復(fù)雜信號(hào)，具有非平穩(wěn)性和非線性，通過電極從肌肉表面采集神經(jīng)肌肉生物電信號(hào)，并將其記錄、放大、傳導(dǎo)和反饋，可對(duì)肌肉功能以及神經(jīng)信號(hào)進(jìn)行量化分析。肌電峰峰值是0~6 mV，幅值范圍在10~5000 μV，肌肉松弛時(shí)約為20~30 μV，收縮時(shí)約為60~300 μV[7]。20~ 500 Hz是肌電信號(hào)能量集中的主要頻段，其中50~ 150 Hz是絕大部分頻譜集中的頻段。肌電采集方式分兩種，第一種是針電極采集，即植入式采集。它需要把針電極插入到肌肉組織中，不適合多次和長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量，易造成肌肉損傷。另外一種是表面電極采集。把表面電極貼在皮膚表面，使用方法簡(jiǎn)單且具有無創(chuàng)性。采集SEMG時(shí)，首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大和去噪等處理，這就決定了采集肌電的電路必須滿足高增益、高輸入阻抗、高共模抑制比、低漂移、低噪聲等要求。

上世紀(jì)90年代以來，國(guó)外的肌電采集儀技術(shù)相對(duì)比較成熟。芬蘭的MEGA公司自2004年推出了ME6000最多有16通道的表面肌電測(cè)試系統(tǒng)，美國(guó)Noraxon Telemyo公司的表面肌電遙測(cè)系統(tǒng)可將肌電信號(hào)通過無線電波傳送至100 m以外的接受器[8]。加拿大Thalmic公司利用肌電信號(hào)做手勢(shì)識(shí)別研究[9]。它們的產(chǎn)品大多價(jià)格高昂，體積較大，兼容性較差，不適于廣泛應(yīng)用。南京大學(xué)的周兵等人研制的表面肌電信號(hào)采集儀利用II操作系統(tǒng)來采集SEMG，缺點(diǎn)是缺少上位機(jī)的配合，肌電數(shù)據(jù)不易管理，并且選用的芯片成本高[10]。

本文設(shè)計(jì)了一種便攜式表面肌電采集系統(tǒng)，與現(xiàn)有的其他的產(chǎn)品相比，本系統(tǒng)體積小，采集模塊體積為40 mm×20 mm×50 mm，便于攜帶，硬件系統(tǒng)功耗低且其中采用的的元器件大多成本低廉,軟件系統(tǒng)則是設(shè)計(jì)上位機(jī)，完成與單片機(jī)的指令通信，這些優(yōu)勢(shì)都為肌電采集系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用提供了便利。

1 便攜式表面肌電采集系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 硬件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

如圖1所示，本文設(shè)計(jì)的便攜式SEMG采集系統(tǒng)包括2個(gè)部分，分別是肌電信號(hào)采集部分和肌電信號(hào)接收部分。其中肌電信號(hào)采集部分由鋰電池供電，包括獲取SEMG信號(hào)的表面電極、信號(hào)處理電路、A/D轉(zhuǎn)換、主控電路等。圖2（a）是肌電采集盒的實(shí)體圖。處理后的高信噪比SEMG信號(hào)以無線的方式發(fā)送至接收部分，接收到信號(hào)后通過USB轉(zhuǎn)串口芯片將信號(hào)傳給計(jì)算機(jī)，完成信號(hào)后處理和分析，接收盒可接收8個(gè)通道的表面肌電信號(hào)，如圖2（b）所示。整個(gè)硬件系統(tǒng)的低功耗性主要是體現(xiàn)在模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和中央處理電路的設(shè)計(jì)上。設(shè)計(jì)的肌電采集系統(tǒng)采用單節(jié)800 mAH鋰電池供電時(shí)，其總功耗為90 mW，達(dá)到了低功耗的要求。

圖1 便攜式肌電采集系統(tǒng)

圖2 硬件實(shí)物圖

1.1.1 信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的SEMG采集系統(tǒng)是通過由導(dǎo)電凝膠及Ag/AgCl電極制成的電極片得到肌電信號(hào)。電極間構(gòu)成三點(diǎn)差動(dòng)式輸入，一個(gè)為參考地，兩個(gè)為信號(hào)輸入端。通過前置放大電路，得到肌電的有效信號(hào)。為了減少干擾信號(hào)的影響，設(shè)計(jì)了高通和低通濾波電路。最后利用電平抬高電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行電平抬升和A/D轉(zhuǎn)換。圖3是SEMG采集流程圖。以1個(gè)通道為例，SEMG采集系統(tǒng)硬件電路如圖4所示。

圖3 SEMG采集流程圖

圖4 硬件電路圖

（1）前置放大電路

SEMG信號(hào)微弱，因此放大器必須大幅衰減信號(hào)的共模干擾，才能獲得有效差分信號(hào)。另外放大器的輸入阻抗要高，因?yàn)殡姌O與皮膚間容易產(chǎn)生較大的接觸阻抗，從而影響結(jié)果的準(zhǔn)確性。放大器還要保證低噪聲。因此同相并聯(lián)型差動(dòng)放大電路成為首選。它在滿足以上要求的同時(shí)，對(duì)輸入信號(hào)也有一定的緩沖作用。選用集成雙運(yùn)放AD8622一塊芯片上的兩個(gè)運(yùn)放進(jìn)行該功能塊的設(shè)計(jì)以達(dá)到提高運(yùn)放性能的匹配性的目的。該電路的外圍電阻無需精密匹配。從理論上分析，運(yùn)算放大器理想化時(shí)，并聯(lián)型差動(dòng)放大器的共模抑制比為無窮大，輸入阻抗也為無窮大，且外圍電阻的精度和阻值與共模抑制比無關(guān)[11]。

電路后級(jí)使用儀表放大器AD8422，它具有低偏置電壓、低溫漂、高共模抑制比及高精度等特點(diǎn)。采用AD8422，經(jīng)并聯(lián)型差動(dòng)放大器輸出的雙端信號(hào)變成單端輸出信號(hào)。前級(jí)放大倍數(shù)不可過大，因?yàn)殡娐返墓材Ｒ种票扰c放大倍數(shù)成反比，放大倍數(shù)過高，會(huì)影響抑制共模信號(hào)的效果，同時(shí)它可能會(huì)造成后續(xù)放大器信號(hào)因飽和而失真。本文前置放大電路設(shè)計(jì)的放大倍數(shù)為20倍。

（2）濾波電路

為了消除由皮膚和電極之間移動(dòng)偽差等原因產(chǎn)生的低頻干擾，高通濾波器必不可少?？紤]到肌電的頻譜分布情況，設(shè)計(jì)方案將二階高通濾波器（HPF）的截止頻率設(shè)計(jì)為15.4 Hz。肌電信號(hào)的增益為5倍。

同樣，為了濾除高頻干擾，設(shè)計(jì)二階低通濾波器（LPF）。它的截止頻率為1.88 KHz。同時(shí)肌電信號(hào)又再次放大5倍。

（3）電平抬高電路

由于SEMG信號(hào)的有效信號(hào)是在0 mV上下波動(dòng)的，A/D轉(zhuǎn)換芯片要求輸入的模擬量為正或0，負(fù)數(shù)會(huì)按0處理，因此信號(hào)的電壓范圍被抬升到0 mV以上是實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的首要前提，在實(shí)際應(yīng)用中一般采用直流偏置的方法來解決這個(gè)問題。為了達(dá)到較高精度轉(zhuǎn)換的目的，最好應(yīng)將有效信號(hào)幅值范圍抬升到A/D輸入范圍的1/3至3/3之 間[12]。使用AD8657將SEMG信號(hào)的幅值抬升到1.25 V上下。一般直接采集到的肌電信號(hào)是模擬信號(hào)，需要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換才能處理。本設(shè)計(jì)中采用AD7680進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，參考電壓Vref為2.5 V，其分辨率為16位，即使在數(shù)據(jù)吞吐量較高的情況下AD7680也能以極低的功耗工作。

（4）中央處理電路

中央處理電路采用CC1110芯片，它包括了一個(gè)以8051為核心的低功耗高性能控制器和功能強(qiáng)勁的無線收發(fā)機(jī)，自帶4K的RAM和32 K的在系統(tǒng)可編程Flash和外設(shè)[13]。它的優(yōu)點(diǎn)是更微小化、極低的功耗、低成本和較小的供電電壓。CC1110有多種電源工作模式，在發(fā)射和接收模式下的速率為2.4kBaud，電流損耗分別低于16 mA或16.2 mA；CC1110工作時(shí)的速率為1.2 kBaud，電流損耗為16 mA；PM2模式下電流消耗為0.5 uA，可由定時(shí)器和外部中斷喚醒；休眠模式下電流消耗僅為0.3 uA。它的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動(dòng)模式的超短時(shí)間的特性充分滿足了系統(tǒng)的低功耗要求。CC1110芯片是TI公司基于Smart RF04技術(shù)設(shè)計(jì)的低功耗無線射頻（RF）芯片。在射頻性能上，它還有良好的接收選擇性和較高的靈敏度。采用SimpliciTI技術(shù)的待機(jī)電流較低，并簡(jiǎn)化開發(fā)過程，進(jìn)而降低射頻匹配網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)功耗及成本，考慮到SimpliciTI技術(shù)在開發(fā)應(yīng)用上的靈活性，本設(shè)計(jì)基于SimpliciTI通信協(xié)議將肌電信號(hào)以無線的方式發(fā)送至接收盒。

1.1.2 信號(hào)接收電路設(shè)計(jì)

CH340G是一種實(shí)現(xiàn)USB轉(zhuǎn)串口的芯片。它內(nèi)部獨(dú)立的收發(fā)緩沖區(qū)支持通訊波特率50 bps~ 2 Mbps。它支持USB設(shè)備掛起從而達(dá)到降低系統(tǒng)功耗的效果。接收設(shè)備接收到信號(hào)后通過此芯片將信號(hào)傳給計(jì)算機(jī)。

1.2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

上位機(jī)軟件庫(kù)的設(shè)計(jì)是以肌電采集系統(tǒng)的基本功能為基準(zhǔn)的。設(shè)計(jì)主要是MicrosoftVisual Studio 2010環(huán)境下進(jìn)行的。利用C#語言與MATLAB進(jìn)行混合編譯?；?net平臺(tái)直接調(diào)用編譯后的M文件，解決了混合編程中接口及接口間數(shù)據(jù)交換的問題[14]。整個(gè)過程主要包括兩大步驟，一是肌電信號(hào)采集顯示；二是對(duì)肌電信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。

1.2.1 肌電采集顯示

通過設(shè)計(jì)的硬件將肌電數(shù)據(jù)通過無線傳到計(jì)算機(jī)上。上位機(jī)的設(shè)計(jì)思路是：通過菜單項(xiàng)來控制不同的窗體，以此實(shí)現(xiàn)不同的功能。首先創(chuàng)建主窗體，并在主窗體中利用C#中的MenuStrip控件設(shè)置菜單。菜單分為數(shù)據(jù)采集和信號(hào)預(yù)處理。點(diǎn)擊菜單欄(ToolStripMenuItem)觸發(fā)其Click事件，分別顯示子窗體—數(shù)據(jù)采集和信號(hào)預(yù)處理。在數(shù)據(jù)采集窗體中，首先讀取電腦中的所有串口，添加數(shù)據(jù)接收事件注冊(cè)，利用創(chuàng)建的串口線程接收數(shù)據(jù)。然后使用 SerialPort控件設(shè)置串口屬性，選擇相對(duì)應(yīng)的波特率、數(shù)據(jù)位、停止位等相關(guān)屬性。其中重要的步驟之一就是對(duì)接收的數(shù)據(jù)包根據(jù)肌電數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議進(jìn)行解讀。首先通過包頭、包尾、幀數(shù)以及通道ID等信息驗(yàn)證數(shù)據(jù)有無丟失，然后將數(shù)據(jù)包內(nèi)代表肌電信號(hào)的低位與高位數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，再通過單位換算將AD信號(hào)轉(zhuǎn)換成測(cè)量的真實(shí)肌電值。其次，為了直觀的顯示肌電數(shù)據(jù)，本文利用PictureBox控件進(jìn)行肌電信號(hào)波形的繪制，利用GDI+編程接口對(duì)圖形進(jìn)行處理。最后，為了后續(xù)的數(shù)據(jù)處理，需要把接收到的數(shù)據(jù)保存下來。采用文件流的形式將數(shù)據(jù)保存到固定文檔中不失為一種好的選擇。使用FileStream類可以產(chǎn)生在磁盤或網(wǎng)絡(luò)路徑上指向文件的文件流，對(duì)文件進(jìn)行讀取、寫入、打開和關(guān)閉操作。

圖5 子窗體---表面肌電采集

1.2.2 信號(hào)預(yù)處理

肌電信號(hào)能量主要集中在20~500 Hz之間，因此選用巴特沃斯帶通濾波器采集有用的肌電信息。工頻的幅度比表面肌電的大1~3個(gè)數(shù)量級(jí)，它以空間輻射耦合或電源傳導(dǎo)耦合的方式影響電子設(shè)備的正常運(yùn)行?？紤]肌電信號(hào)在50 Hz附近比較重要，而陷波電路的特性又容易受到外圍阻容元件的影響，一般電容器容值的誤差在20%左右，難以制造頻率準(zhǔn)確的的帶陷濾波器，因此選擇數(shù)字濾波器-橢圓帶阻濾波器濾除工頻干擾。這降低了硬件成本和復(fù)雜性，增強(qiáng)系統(tǒng)的通用性。本文采用MATLAB設(shè)計(jì)50 Hz帶阻濾波器濾除工頻干擾。首先安裝MCRInstaller和設(shè)置MATLAB編譯器，并配置環(huán)境變量；其次編譯有關(guān)帶阻濾波的M文件；然后利用MATLAB提供的Deploy Tool將M文件編譯成動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)（dll）文件；最后在Microsoft Visual Studio2010的環(huán)境下用C#語言進(jìn)行調(diào)用。在C#編碼中，調(diào)用MATLAB編寫的dll文件時(shí)，輸入與輸出返回的數(shù)據(jù)類型都為MWArray，因此MWArray類型和C#中的數(shù)據(jù)類型要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。利用Chart控件把濾波后的數(shù)據(jù)用曲線顯示出來,同時(shí)設(shè)置滾動(dòng)條來控制圖形的局部放大與縮小。

2 采集系統(tǒng)的應(yīng)用

利用設(shè)計(jì)的采集系統(tǒng)進(jìn)行手部動(dòng)作識(shí)別應(yīng)用。首先在設(shè)計(jì)的上位機(jī)采集界面上，點(diǎn)擊“打開串口”按鈕觸發(fā)上位機(jī)與單片機(jī)進(jìn)行通訊，進(jìn)而采集肌電信號(hào)并進(jìn)行預(yù)處理。下一步驟是特征提取。原始肌電信號(hào)的數(shù)據(jù)量龐大，因此需要將它們轉(zhuǎn)換成最能反映其分類本質(zhì)的特征向量。特征提取的方法有時(shí)域法，頻域法、時(shí)頻法、高階譜法、非線性法特征法等。本文選用模糊熵作為特征量來識(shí)別手部的握拳，展拳動(dòng)作。模糊熵是對(duì)模式復(fù)雜性的度量，定量的對(duì)時(shí)間序列的規(guī)則性進(jìn)行評(píng)估[15]。模糊熵對(duì)噪聲有一定的魯棒性，又具有較好的連續(xù)性，且保持相對(duì)的一致性，對(duì)序列的長(zhǎng)度的依賴性較小，因此適合對(duì)生理信號(hào)如肌電信號(hào)的分析。常見的模式識(shí)別算法有K近鄰分類(K-Nearest Neighbor Classification, KNN)、線性判別分析（Linear Discriminant Analysis, LDA）、樸素貝葉斯（Adaptive Naive Bayes Classifier, NBC）、支持向量機(jī)(Support Vector Machine, SVM)等。支持向量機(jī)具有堅(jiān)實(shí)的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)，泛化能力強(qiáng)、收斂到全局最優(yōu)、維數(shù)不敏感，在解決小樣本、非線性及高維模式識(shí)別中表現(xiàn)出許多特有的優(yōu)勢(shì)[16]。因此選用支持向量機(jī)分類器做模式分類。動(dòng)作識(shí)別的流程如圖6所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

在健康受試者的手臂尺側(cè)腕屈肌位置處貼上電極片，并以握拳未用力和握拳用力的兩種不同的情況來采集對(duì)應(yīng)的表面肌電信號(hào)，最后通過信號(hào)預(yù)處理界面進(jìn)行濾波。由圖7可以看出，設(shè)計(jì)的表面肌電采集系統(tǒng)可以完整的采集到肌電信號(hào)。受試者做握拳這個(gè)動(dòng)作未用力時(shí)，肌電信號(hào)的變化幅值較小，當(dāng)受試者用力握拳時(shí)，肌電信號(hào)的輸出波形有明顯變化，并且用力越大，肌電信號(hào)的幅值就越大，因此肌肉的收縮程度越大，肌電信號(hào)的幅值就越大。健康受試者進(jìn)行動(dòng)作識(shí)別測(cè)試時(shí)，采樣頻率為4000 Hz，每種動(dòng)作做50次，每次采集1 s的肌電數(shù)據(jù)。訓(xùn)練集為80組，測(cè)試集為20組數(shù)據(jù)。識(shí)別率如表1所示，握拳動(dòng)作的識(shí)別正確率是100%，展拳的識(shí)別率是88.9%。

圖6 識(shí)別系統(tǒng)流程圖

圖7 上位機(jī)波形顯示

表1 兩種手部動(dòng)作的識(shí)別率

Tab.1 Recognition rates of two types of hand actions

4 結(jié)論

針對(duì)目前肌電采集系統(tǒng)體積大，功耗高的問題，本文設(shè)計(jì)了一種便攜式表面肌電采集系統(tǒng)。本系統(tǒng)基于前置放大電路、高低通濾波電路等硬件電路和上位機(jī)處理的軟件程序，成功地采集到表面肌電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)傳輸、動(dòng)態(tài)顯示波形變化和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的功能。在展拳和握拳動(dòng)作識(shí)別測(cè)試中，選擇模糊熵進(jìn)行特征提取，利用支持向量機(jī)分類器進(jìn)行分類識(shí)別，取得較好的的分類結(jié)果，驗(yàn)證了本系統(tǒng)的實(shí)用性。本系統(tǒng)為肌電信號(hào)的進(jìn)一步研究和應(yīng)用如假肢控制、手勢(shì)識(shí)別、肌肉疾病診斷等搭建了一個(gè)有效的平臺(tái)。

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A Portable Acquisition System Design for Surface Electromyography

JI Meng-jie1, LI Xiao-ou2

(1. School of Medical Instrument and Food Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China;2.College of Medical Instrument, Shanghai University of Medicine & Health Sciences, Shanghai 201318, China)

In order to improve the portability of the acquisition system for surface electromyography effectively, a new portable acquisition system is designed. The hardware system is composed of a preamplifier, a filter circuit, a level-elevation circuit, etc. The program system is designed by the MATLAB and C# language, and the SEMG signals is displayed in real time and preprocessed. SEMG signals are acquired by the system, and then a method which is combined the fuzzy entropy with Support Vector Machine is used to identify hand actions. The experimental results of the experiment show that the system successfully collect the signals of SEMG, and the volume of the signal acquisition part is 40cm3. It is miniaturized and portable. The recognition rate of hand grasps is up to 100%, and the recognition rate of hand extension is 88.9% in action recognition test, which has a high recognition rate.

Surface electromyography; Signal acquisition; Signal preprocessing; Application of action recognition

TN911.7

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.09.005

上海市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(14ZR1440100) 上海高校穿戴式醫(yī)療技術(shù)與器械工程研究中心項(xiàng)目

冀孟杰(1992-)，女，研究生，主要研究生物醫(yī)學(xué)工程儀器及醫(yī)學(xué)信息處理技術(shù)；李曉歐(1975-)，男，教授，主要研究方向?yàn)槿梭w智能感知技術(shù)、穿戴式醫(yī)療器械。

本文著錄格式：冀孟杰，李曉歐. 一種便攜式表面肌電采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 軟件，2018，39（9）：21-26