陳健寧，劉 蓉

(大連理工大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)部生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)

表面肌電信號是一種由神經(jīng)興奮引起的肌肉運動而產(chǎn)生的復(fù)雜生物電信號，可以表征肌肉狀態(tài)和動作意圖。其具有幅度微弱，易受外界干擾、采集難度大等特點[1]。對其采集的正確與可靠，能否真實表征肌肉和神經(jīng)功能狀態(tài)，將直接影響后續(xù)的信號處理、動作識別與分析效果，也會給肢體受損患者的自主康復(fù)訓(xùn)練效果帶來直接影響。

本文以非侵入式表面肌電信號采集系統(tǒng)設(shè)計為導(dǎo)向，通過設(shè)計信號前置放大器、低通濾波器、50Hz工頻陷波器、二級放大器等信號調(diào)理電路，將調(diào)理輸出信號送給多路A/D采樣電路后變成數(shù)字信號，無線傳至PC端。該系統(tǒng)經(jīng)過實驗驗證，很好地滿足了應(yīng)用需求，為受損患者自主康復(fù)訓(xùn)練和開展基于表面肌電信號動作識別分析與分類提供了技術(shù)支撐。

1 表面肌電信號系統(tǒng)設(shè)計需求分析

由于表面肌電信號采集時直接使用干電極方式接觸人體，屬于國家Ⅱ類醫(yī)療器械，開發(fā)設(shè)計時必須遵循國家醫(yī)用設(shè)備檢定和使用規(guī)范，具體要求如下：

1) 電氣安全要求。表面肌電信號采集設(shè)備在設(shè)計時，應(yīng)充分考慮電氣安全防護(hù)設(shè)計，如接地、防電擊和漏電等設(shè)計要求。

2) 共模抑制比。由于sEMG信號很微弱、易受外界干擾，特別是當(dāng)采集設(shè)備處在帶寬小于500 Hz噪聲頻段內(nèi)時，干擾信號很容易通過前置放大耦合后形成共模干擾信號；另外電極采集方式與電極的材料屬性也會對肌電信號采集產(chǎn)生一定的影響，使信號發(fā)生偏移。因此，電路設(shè)計要求各通道共模抑制比不小于100dB。

3) 采樣頻率設(shè)置。雖然sEMG信號頻率集中在0 Hz～500 Hz，但是考慮到應(yīng)用場合和研究的需求應(yīng)設(shè)置不同采樣頻率量程，可設(shè)置為1 kHz、2 kHz、3 kHz三個檔位。

4) 增益可調(diào)。由于sEMG信號采集會因受試者的皮膚狀態(tài)、性別、年齡、健康及采集環(huán)境差異的影響，導(dǎo)致電極輸出信號具有差異性。由于采集信號幅度的差異性，應(yīng)設(shè)置增益可調(diào)功能，才可以滿足不同信號的輸出都能滿足ADC采樣要求，通常增益設(shè)為100-1000倍。

2 表面肌電信號采集系統(tǒng)方案設(shè)計

為了實現(xiàn)表面肌電信號的便攜式采集與實時數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計要求，系統(tǒng)應(yīng)包括肌電信號預(yù)處理、信號采集轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、無線傳輸和PC端。對應(yīng)的主要硬件包括電極有效連接電路、信號預(yù)處理電路、A/D采集轉(zhuǎn)換電路、系統(tǒng)電源模塊、WiFi傳輸模塊、下位機(jī)最小系統(tǒng)等。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

圖1 肌電信號采集系統(tǒng)整體框圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 sEMG信號采集前端模擬電路設(shè)計

由于sEMG信號幅值較小，基本在100-5000μV之間，頻率主要集中在500 Hz以內(nèi)，易受到外部工頻耦合干擾，因而設(shè)計了如圖2所示肌電信號采集系統(tǒng)預(yù)處理電路。整個前端模擬電路包括表面接觸電極及連線、前置放大、帶通濾波、50 Hz工頻陷波器及后置放大等功能，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 sEMG信號采集預(yù)處理電路結(jié)構(gòu)

3.2 表面電極選擇與放置

基于非侵入方式獲取表面肌電信號必須依靠表面電極感受器來實現(xiàn)。由于肌電信號極其微弱且具有高的阻抗，因此電極的材質(zhì)、阻抗、表面積大小、放置位置及間距和連線方式都直接影響信號的獲取質(zhì)量[2]。應(yīng)該考慮選擇低阻抗材質(zhì)、與皮膚接觸的面積、形狀在允許情況下盡量表面積大，安放位置和間距適當(dāng)(對帶寬和幅值干擾小)。

綜合以上考慮此，系統(tǒng)選用銀-氯化銀(Ag-AgCl)材料作為檢測電極，具有極化電壓小、噪聲低、運動偽跡小等優(yōu)點。兩個檢測電極安放距離在20 mm左右，并構(gòu)成差分系統(tǒng)，可以提高共模抑制比。

3.3 前端放大電路

由于從表面電極引出的肌電信號具有強度弱，往往與噪聲干擾共生，因此前置放大電路的設(shè)計要滿足高輸入阻抗(可減少信號在內(nèi)阻上的衰減)、高共模抑制比(可減少共模信號干擾)、高增益(提高電極輸出電信號幅值)、低噪聲(合理設(shè)置前置級的放大增益)、低漂移(降低放大器的基線漂移)等要求[3]。

在這里采用AD8422儀表運放芯片設(shè)計前端放大電路。帶通放大器由高通和低通濾波電路組成。高通濾波電路用于去除經(jīng)前端放大電路放大的直流電壓，將輸出電壓VOUT經(jīng)積分電路，反饋到基準(zhǔn)電壓VREF端濾除直流信號。這樣可實現(xiàn)極低頻信號濾波，但是對于肌電信號的高端頻段外(500 Hz以上)部分需要設(shè)計低通濾波電路，這樣就形成了帶通濾波器[4]。由AD8639組成二階低通濾波器。具體儀表放大與濾波電路原理圖如圖3所示。

圖3 儀表放大與濾波電路原理圖

AD8422芯片的輸出電壓VOUT為：

VOUT=G×(V+IN-V-IN)+VREF.

(1)

其中：

(2)

公式(2)中G為放大倍數(shù)，公式(2)中的Rg與電路中的RG6對應(yīng)(增益調(diào)節(jié)電阻)，改變RG6可以實現(xiàn)前端放大電路調(diào)節(jié)。

3.4 信號采集電路

這里選用德州儀器公司的24位工業(yè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1278芯片，內(nèi)部集成有多個獨立的高階斬波穩(wěn)定調(diào)制器和FIR數(shù)字濾波器，可實現(xiàn)4/8通道同步采樣，支持高速、高精度、低功耗、低速4種工作模式；具有優(yōu)良的AC和DC特性，采樣率最高可達(dá)128 Ks/s以及110dB的信噪比，此外ADS1278采樣結(jié)束標(biāo)志位可用于觸發(fā)CPU中斷，可實現(xiàn)真正的實時采樣。具體電路如圖4所示。

3.5 微控制器及無線通信模塊

圖4 ADS1278接口電路

微控制器模塊采用STM32單片機(jī)，其中包括復(fù)位電路、晶振電路、電源電路、程序下載電路、Wifi模塊接口。另外采用ESP8266模塊實現(xiàn)WiFi數(shù)據(jù)傳輸，模塊中首先要VCC連接正極，GND連接負(fù)極；單片機(jī)的數(shù)據(jù)發(fā)送端連接其數(shù)據(jù)的接收端；單片機(jī)的數(shù)據(jù)接收端連接其數(shù)據(jù)的發(fā)送端即可實現(xiàn)控制接口。

4 sEMG信號采集系統(tǒng)程序設(shè)計

下位機(jī)數(shù)據(jù)采集程序主要由初始化、轉(zhuǎn)換結(jié)束判斷、數(shù)據(jù)打包發(fā)送等模塊組成。初始化主要是對MCU運行環(huán)境進(jìn)行初始化配置。在主循環(huán)函數(shù)里一直對中斷采集完成標(biāo)志位DRDY進(jìn)行判斷，當(dāng)ADC完成采樣觸發(fā)外部中斷，MCU對ADC采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取。MCU對讀取的8個通道的24位數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，共需要24字節(jié)，以0xaa、0x55為數(shù)據(jù)包頭，第三個字節(jié)設(shè)置為marker信息標(biāo)記位，后24字節(jié)為數(shù)據(jù)信息。以打包好的數(shù)據(jù)形式無線發(fā)送。

5 系統(tǒng)性能驗證

為驗證采集數(shù)據(jù)有效性，系統(tǒng)通過對受試者上肢不同的動作模式經(jīng)sEMG信號采集后，采用肌電信號時域分析特征提取評價方法來驗證數(shù)據(jù)的合理性。即利用取絕對平均值(MAV)、均方根(RMS)來檢驗，其中圖5為采集現(xiàn)場實景，圖6為受試者時域特征(MAV和RMS)的特征圖。從圖6可知不同動作模式以及不同通道處的特征具有明顯的區(qū)分性，也證明了數(shù)據(jù)的可靠性。

圖6 受試者特征提取結(jié)果(上圖MAV、下圖RMS)

綜上，sEMG信號采集系統(tǒng)的性能測試結(jié)果表明能達(dá)到設(shè)計需求。在后續(xù)應(yīng)用中，可以強化PC端應(yīng)用開發(fā)，從時域、頻域和動作識別分析等方面深化系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)庫管理功能，同時可在下位機(jī)端與圖像采集結(jié)合，可進(jìn)行受試者運動狀態(tài)及實施觀測，進(jìn)一步拓展系統(tǒng)功能。