黃劍平,穆瑞珍,林振衡
(1.廈門理工學(xué)院 光電與通信工程學(xué)院,福建 廈門 361024;2.莆田學(xué)院 現(xiàn)代精密測量與激光無損檢測福建省高校重點實驗室,福建 莆田 351100)
對肌肉收縮狀態(tài)的研究通常采用測量表面肌電信號(surface electromyography,sEMG)的方法,表面肌電信號由人體的運動神經(jīng)元產(chǎn)生,是電極所接觸到的許多運動單元發(fā)出的動作電位的總和。通過將3個傳感電極(正極、負極和地)貼在肌肉表面上,肌肉收縮時,會產(chǎn)生微弱的生物電流,從而檢測出肌肉的收縮情況[1,2]。但EMG測量法仍有許多缺點,如系統(tǒng)的功耗比較大;肌電信號比較微弱,容易受到電磁干擾;而且電極與皮膚需要接觸良好,接觸的部位容易因出汗等原因滑動和脫落,造成測量誤差等[3]。
目前,更好的方法是采用光體積描記法(photoplethysmogram,PPG),它的探測更靈敏,電路的體積和功耗更小,使用更方便。已有文獻報道將該技術(shù)用于血氧、呼吸、心率、脈搏、血壓[4~8]等人體健康指標(biāo)的測量上。光體積描記法根據(jù)光源與探測傳感器的位置不同,分為透射法和反射法。透射法中光源與傳感器位于人體探測部位的兩側(cè),適用于探測較薄的部位,如耳朵、指尖等;反射法中光源與傳感器位于探測部位的同一側(cè)。對于肌肉組織,光線很難透射過去,適合采用反射法。
本文基于光電反射法的優(yōu)點,通過測量從皮膚出射的散射光強度,實現(xiàn)了對肌肉收縮狀態(tài)的檢測。
人體肌肉里包含有表皮、肌肉、血管、骨骼等組織。當(dāng)光線入射到肌肉中時,對光產(chǎn)生吸收作用的物質(zhì)有兩種:一是濃度基本保持恒定的水、黑色素、膽紅素等;另一種會隨著組織狀態(tài)的不同而發(fā)生變化,如血紅蛋白、細胞色素氧化酶等。研究表明血液中紅血球攜帶的血紅蛋白對光線起主要吸收作用[9,10],其他沒有吸收的光在肌肉中會經(jīng)歷透射和散射。一部分散射光最終會從皮膚出射,呈現(xiàn)一個香蕉狀的傳輸路徑[11]。
表皮、血管、骨骼,對光的散射作用基本不變,而肌肉則會變化。當(dāng)肌肉收縮時,肌肉中的肌纖維變粗,壓迫肌肉中的血管,使血液量減少。根據(jù)修正的朗伯比爾定律如公式(1)所示
A=ln(Ii/Io)=BLεc+G
(1)
式中A為光衰量;Ii和Io分別為入射和出射的光強;L為光源和探測器間的距離;B為差分路徑因子(differential pathlength factor,DPF)描述實際路徑與L的倍數(shù),BL則為光的實際傳播距離;ε為消光系數(shù);c為吸光物質(zhì)的濃度;G為表示散射衰減因子。
收縮的肌肉中血液量減少引起吸光物質(zhì)濃度c減少,從而吸收的光量減少,散射的光量相應(yīng)地增加[12,13]。這為探測肌肉的收縮狀態(tài)提供了依據(jù)。
不同波長的光在人體肌肉中的吸收和穿透深度不同,波長較長的紅光、紅外光透射過皮膚的深度較深,而波長較短的藍光、綠光透射深度則較淺[14]。設(shè)計需要光能盡可能照射到深層的肌肉組織中,本文設(shè)計中光源選擇紅外光。
可編程LED恒流驅(qū)動電路驅(qū)動大功率紅外LED發(fā)出紅外光,照射到肌肉組織中。紅外探測電路檢測經(jīng)過“香蕉狀”路徑散射出皮膚的光,將微弱的光強信號轉(zhuǎn)換為電壓信號,經(jīng)過后繼的濾波和放大電路處理后,通過一塊ATmega48單片機進行AD采樣。采樣后的數(shù)據(jù)通過HC05無線藍牙模塊發(fā)送到遠端的電腦上。整個電路的工作電源由聚合物鋰電池經(jīng)DC-DC升壓后提供。
整個電路選用移動便攜設(shè)備常用的聚合物鋰離子電池供電,型號為302030,標(biāo)稱輸出電壓是3.7 V,隨著電量的消耗,電池的輸出電壓會從充滿電的4.2 V降到2.75 V。為了給系統(tǒng)提供一個穩(wěn)定的電壓,設(shè)計了5 V的DC-DC升壓電路,如圖1所示。升壓芯片選用TI公司的TPS613222A,該芯片所需的外圍元件較少,可以節(jié)省電路板空間,適合可穿戴應(yīng)用場合。電路的輸出電壓為5 V,最大輸出電流可達500 mA。圖中,L1為提供續(xù)流用的2.2 μH高磁通密度功率貼片電感;D3為增加供電電流的肖特基二極管;C8,C9為減小輸出紋波的22 μF多層陶瓷貼片電容。
圖1 DC-DC升壓電路
根據(jù)LED的特性,需要采用恒流方式驅(qū)動[15],這里采用EMI干擾較小的可編程線性恒流驅(qū)動方案,如圖2。
圖2 可編程LED恒流驅(qū)動電路
單片機的I2C總線控制8位DAC芯片LTC2631-LZ8輸出控制電壓VDAC到一塊低噪聲精密運放AD8656的“+”輸入端,使該運放的輸出端電壓升高,從而使三極管MMBT2222導(dǎo)通,隨著流過三極管電流的增大,電流取樣電阻R9上的壓降也會相應(yīng)增大,該電壓反饋到運放的“-”輸入端,直至運放的“+”“-”輸入端電壓達到均衡狀態(tài),從而使流過LED的電流達到穩(wěn)定值。從圖2中看出LED、三極管、R9串聯(lián)連接,三極管b極以及R9連接到運放“-”輸入端的這兩路電流都非常小,因此流過R9與LED的電流基本一致,電流計算公式為
ILED=VDAC/R9
(2)
電路中的LED選用峰值波長為850 nm,最大驅(qū)動電流為100 mA的芯片VSMY3850,R9選用阻值10.0 Ω的精密電阻。LED電流通路中還串聯(lián)了導(dǎo)通電阻僅有0.5 Ω的PMOS管DMP2012SN。單片機IO端口以100 Hz的頻率控制PMOS管的通斷,在進行AD采樣時導(dǎo)通,其它時間關(guān)斷,以節(jié)省電池電量。
從皮膚散射出來的紅外光信號比較微弱,采用如圖3的檢測電路。選用峰值波長同樣為850 nm的光電二極管BPW34SR將檢測到的光信號轉(zhuǎn)換為微弱的電流信號,通過高精準(zhǔn)運放AD8606與電流取樣電阻R1組成的反饋網(wǎng)絡(luò),電流信號ID被轉(zhuǎn)換為電壓信號V1,傳遞函數(shù)為
圖3 紅外光探測及濾波放大電路
(3)
電壓信號隨后通過R4和C6組成的一階低通濾波電路和電阻R7,R8和運放組成的同相放大電路進行放大后,送到ATmega48單片機自帶的ADC采樣端口。運放AD8606的偏置電壓僅為65 μV,輸入偏置電流僅為1 pA,適用于光電二極管微弱信號的檢測。R4和C6組成的低通濾波電路截止頻率計算公式為
fc=1/(2πR4×C6)=796.2Hz
(4)
單片機及AD采樣電路如圖4所示,選用Microchip公司的ATmega48單片機,這是一種具有增強RISC結(jié)構(gòu)的低功耗CMOS微控制器,具有豐富的片上資源。它集成有前述DAC芯片控制所需的I2C傳輸模塊、無線傳輸所需的串口傳輸模塊、定時器以及16位ADC采樣模塊。ATmega48專門為ADC采樣模塊提供一個電源輸入引腳AVCC,電源電壓通過10 μH電感和0.1 μF電容組成的LC濾波電路輸送到AVCC引腳,LC濾波電路濾除了電源中的高頻噪聲,保證AD采樣的準(zhǔn)確。
圖4 單片機及ADC采樣電路
用示波器觀測DC-DC升壓電路的輸出,為5.080 V,符合設(shè)計預(yù)期。進一步觀察紋波電壓,峰峰值約為18 mV,紋波較小。
考慮到兼顧穿透皮膚與低功耗的需要,這里選擇LED的驅(qū)動電流為35 mA。為了測量方便,設(shè)置MOS管DMP2012SN一直導(dǎo)通,測得取樣電阻R9端的電壓為0.347 V,則計算出LED的驅(qū)動電流為0.347/10=0.0347A=34.7 mA,電流符合預(yù)期。
利用所設(shè)計的電路進行肱二頭肌的等長收縮測試。等長收縮(isometric contraction)是指長度保持恒定而張力發(fā)生變化的肌肉收縮。測試時,上臂保持豎直,前臂彎曲90°,用手提著砝碼,從0 kg開始每次增加1 kg,增加到5 kg。將設(shè)計的傳感電路安裝在測試者上臂肱二頭肌正面的中間部位,用繃帶固定好,同時用示波器測量運放AD8606濾波放大后的輸出波形,再以重物的重量為X軸,電路的輸出電壓為Y軸,用Origine軟件在坐標(biāo)圖上畫出數(shù)據(jù)點,如圖5所示。
圖5 等長收縮的測試數(shù)據(jù)
在實際測試中,DC-DC升壓芯片產(chǎn)生了穩(wěn)定的5 V電壓,且紋波較小。LED恒流驅(qū)動電路的驅(qū)動電流也達到了設(shè)計要求。在等長收縮的測試中,進一步探索了肌肉收縮程度與電路輸出電壓的關(guān)系。在同樣前臂彎曲90°的情況下,電路輸出電壓隨著砝碼重量的增加而呈線性增大的趨勢,經(jīng)軟件線性擬合,變化的斜率為20.29 mV/kg。結(jié)合前述的檢測原理,是由于肱二頭肌中的肌纖維隨著所施加力的增加成比例地變粗,阻礙肌肉血管中血液的流動,血液中吸光量成比例減少了,透射出去的光量相應(yīng)地增加,探測電路的輸出電壓也就成比例增大。測量說明了該電路可以很好地探測肌肉的收縮程度。
本文討論了光在肌肉組織中的傳輸特性,設(shè)計了基于光反射法的肌肉收縮傳感器,介紹了探測原理和電路的設(shè)計思路。電路實現(xiàn)了預(yù)期的效果,觀測到了肌肉收縮引起的電平變化,并進行了肱二頭肌等長收縮的測試。整個電路體積小巧、性能穩(wěn)定、可靠性高,可以在各種應(yīng)用中檢測肌肉的收縮狀態(tài),具有一定的實用意義。