黃劍平 穆瑞珍林振衡

(1.廈門理工學院光電與通信工程學院，福建 廈門 361024；2.莆田學院現(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)

肌肉運動是人類長期以來一直研究的課題。對肌肉運動狀態(tài)的研究在臨床診斷、疾病防控、假肢控制、體育運動以及日常健康保健等領(lǐng)域都有很好的應用價值。目前對肌肉運動的研究通常采用表面肌電信號法(surface electromyography，sEMG)和光電容積描記法(Photoplethysmography，PPG)。其中，表面肌電信號法存在容易受到電磁干擾，與皮膚接觸的電極容易因出汗而造成測量誤差等缺點[1－2]，與之相比光電容積描記法具有探測靈敏，不受電磁干擾，體積小，功耗低等優(yōu)勢。已有文獻報道將光電容積描記法用于測量人體多項健康指標，如:血氧、呼吸、心率、血壓等[3－7]。

目前利用光電容積描記法對肌肉收縮運動的研究，多采用光源與傳感器位于探測部位同一側(cè)的反射法。但已報道的絕大多數(shù)的研究樣機每次只能測量一處肌肉的狀態(tài)，如果要檢測多處肌肉的狀態(tài)，只能分多次測量。且大部分設(shè)計都將發(fā)光、探測光的檢測模塊以及單片機主控電路、信號處理電路等模塊全部設(shè)計在一塊電路板上，這樣整個電路系統(tǒng)的體積比較大，不利于穿戴在身上測量。基于上述不足，本文提出了改進方案，設(shè)計了可以同時檢測多處肌肉運動狀態(tài)的傳感電路系統(tǒng)，且將傳感部分和其他處理電路分開，提高了傳感器穿戴的方便性。

1 傳感原理

肌肉里包含有表皮、血管、肌肉、骨骼等組織。當用一束光照射到肌肉中時，血液中的各種物質(zhì)都會不同程度地吸收光線，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[8－9]。其他沒有被吸收的光在肌肉中會經(jīng)歷透射和散射，如圖1所示。一部分散射光最終會從皮膚出射，呈現(xiàn)一個彎曲狀的傳輸路徑[10]。

圖1 光線在肌肉組織中的傳輸路線

當肌肉收縮時，肌肉中的肌纖維會變粗，壓迫肌肉中的血管，使血流量減少，引起主要吸光物質(zhì)血紅蛋白濃度減少，從而引起吸收的光量減少，散射出皮膚的光量增加[11－12]，皮膚外光電探測電路的輸出相應地增大。這就為探測肌肉的收縮狀態(tài)提供了依據(jù)。

2 電路設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件框圖

電路系統(tǒng)的整體硬件框圖如圖2 所示。整個電路系統(tǒng)由一塊ATmega48 單片機作為控制核心，控制4 路LED 可編程恒流源驅(qū)動紅外LED 發(fā)出紅外光，照射到肌肉中。另外，分別有4 路的紅外光傳感電路探測透射出肌肉的光，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。隨后4 路電信號送到一個4 入1 出的模擬多路開關(guān)，每路信號分時導通，然后經(jīng)過濾波放大后，分別送到ATmega48 單片機進行AD 采樣。最后，采樣得到的數(shù)據(jù)通過藍牙模塊傳送到上位機電腦端進行后繼處理。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

探測光選擇紅外光是因為比起其他波長的光線，紅外光在肌肉中有更好的穿透性，能探測到更深層的肌肉組織。此外，整個系統(tǒng)由一塊聚合物鋰電池經(jīng)過DC-DC 升壓電路輸出穩(wěn)定的5 V 電壓供電，避免隨著電池電量的消耗，電池電壓下降造成整個系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。

2.2 可編程恒流源

LED 發(fā)光需要用恒流方式驅(qū)動，這里選擇可編程恒流源電路方案，如圖3 所示。ATmega48 單片機通過I2C 總線與4 通道8 位分辨率的DAC 芯片LTC2635－LZ8 連接，DAC 芯片的A 通道輸出控制電壓VA到一塊低噪聲精密運放AD8656 的“＋”輸入端，使運放的輸出端電壓升高，從而使MOS 管BSR606N 導通，隨著流過MOS 管電流的增大，電流取樣電阻R5上的壓降也相應增大，該壓降反饋到運放的“－”輸入端，直至運放的“＋”“－”輸入端電壓達到均衡狀態(tài)，這時，流過LED 的電流達到穩(wěn)定值。

從圖3 中看出流過LED 與取樣電阻R5的電流基本一致，電流計算公式為:

圖3 可編程LED 恒流驅(qū)動電路

LED 驅(qū)動電流通路中還串聯(lián)了導通電阻僅有0.5 Ω 的PMOS 管DMP2012SN 作為導通控制開關(guān)。在單片機輸出端口的控制下，實現(xiàn)4 路LED 驅(qū)動電路分時導通。

2.3 紅外光探測電路

沒有被肌肉組織吸收的入射光，在肌肉中經(jīng)過彎曲形路徑從皮膚出射，出射光通過如圖4 所示的光電探測電路被轉(zhuǎn)換為電信號。當光電二極管BPW34SR 上有光照射時，光電二極管產(chǎn)生微弱的電流，電流流過精準運放AD8606 與取樣電阻R19組成的反饋網(wǎng)絡，電流信號ID轉(zhuǎn)換為電壓信號Vo，轉(zhuǎn)換傳遞函數(shù)為:

圖4 紅外光探測電路

實際電路中，紅外LED 和光電二極管探測電路安裝在同一塊電路板的同一側(cè)，并墊上黑色擋光海綿，只留出2 個通光口。測量時，讓電路板緊貼皮膚，用膠布固定好，最大程度地避免環(huán)境雜散光泄漏進來產(chǎn)生測量誤差。

2.4 多路開關(guān)和濾波電路

4 個通道的紅外探測信號隨后被送到模擬多路開關(guān)芯片74LV4051 的4 個輸入端，如圖5 所示。在單片機的控制下，多路開關(guān)每次只導通一路信號到后繼的二階巴特沃夫低通濾波器以濾除高頻噪聲干擾。濾波后，信號經(jīng)同相放大后，再送到ATmega48單片機自帶的10 位ADC 采樣端口轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

圖5 多路開關(guān)和低通濾波電路

2.5 單片機及外圍電路

主控單片機及外圍電路如圖6 所示，選用Microchip 公司的ATmega48 單片機，這是一款具有增強RISC 架構(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LTC2635－LZ8 控制所需的I2C 總線控制模塊、10 位ADC 采樣模塊、定時器、計數(shù)器等。單片機通過內(nèi)部USART串口傳輸模塊與HC42 低功耗藍牙模塊連接，以57 600 bit/s的波特率，將采樣到的10 位數(shù)字信號分2 byte 發(fā)送到上位機電腦端進行處理。

圖6 單片機及外圍電路

2.6 4 路探測通道的控制時序

4 路探測通道的控制時序如圖7 所示。首先，單片機控制多路開關(guān)導通通道1，先進行一次AD 采樣，這時讀取到的是少量泄漏進來的雜散光干擾信號。隨后讓通道1 的LED 導通100 μs，待LED、光電二極管、運放等元器件的狀態(tài)達到上升時間并穩(wěn)定工作后，再采樣一次。這時讀取到的是從肌肉透射出來的光信號，用它減去前面的干擾信號，就得到去除干擾的傳感信號，然后將數(shù)據(jù)通過藍牙模塊發(fā)送出去。接著，通道2、3、4 也進行同樣的操作，然后又控制通道1 進行下一個周期的操作，每個周期用時10 ms，如此循環(huán)。這樣，實現(xiàn)了4 個通道數(shù)據(jù)的分時采集發(fā)送。同時，每個通道的工作時間很短，整個系統(tǒng)的功耗很小。

圖7 4 路探測通道的控制時序圖

3 上位機程序設(shè)計

上位機電腦端采用MATLAB 軟件控制藍牙數(shù)據(jù)的接收和處理。接收硬件同樣選用HC42 藍牙模塊接收下位機傳送過來的串行數(shù)據(jù)。隨后，利用一塊串口轉(zhuǎn)USB 芯片CH340 連接藍牙串口和電腦的USB 端口，并在電腦上生成一個虛擬串口，讓電腦從USB 端口讀入藍牙串行數(shù)據(jù)。MATLAB 軟件進行初始化設(shè)置后，讀取各通道的測量數(shù)值，并存入相應的寄存數(shù)組中，同時將數(shù)據(jù)波形實時描繪出來，軟件界面如圖8 所示。

圖8 無線數(shù)據(jù)傳輸程序界面

4 系統(tǒng)實測與討論

4.1 系統(tǒng)實測

進行啞鈴彎舉動作的上肢肌肉群實測。設(shè)置4個通道的LED 驅(qū)動電流都為80 mA。將4 個傳感模塊分別放置在前臂的橈側(cè)腕屈肌、肩部的三角肌、上臂的肱二頭肌和肱三頭肌上，各傳感模塊與單片機主控板用排線連接。手握2 kg 的啞鈴，剛開始手臂自然下垂，然后保持上臂固定不動，以肘關(guān)節(jié)為支點前臂緩慢向上彎舉至最高點，再慢慢放下來。將采集到的4 路數(shù)據(jù)用MATLAB 軟件繪制成曲線圖，如圖9 所示。圖中，橫軸表示采樣的點數(shù)，每10 ms采樣一次，共采樣1 500 個數(shù)據(jù)，用時15 s，縱軸表示采樣電壓值。從圖中看出，采集到的曲線帶有毛刺干擾，為了消除毛刺，對數(shù)據(jù)進行滑動平均濾波，如式(3)所示，滑動窗口N每次取8 個數(shù)據(jù)點?；瑒悠骄蟮那€如圖10 所示，曲線變得平滑了許多。

圖9 原始測量數(shù)據(jù)曲線

圖10 滑動平均后的測量曲線

4.2 討論

從測量結(jié)果看出，電路系統(tǒng)實現(xiàn)了同時檢測4路肌肉收縮狀態(tài)的功能，數(shù)據(jù)曲線的變化同時反映出了肌肉群收縮程度的變化。初始曲線上的毛刺干擾，經(jīng)過滑動平均濾波處理后被很好地消除，曲線變得平滑。

從測量曲線上看，上臂肱二頭肌和前臂橈側(cè)腕屈肌變化明顯，最開始手臂自然下垂時，這2 塊肌肉基本處于放松狀態(tài)，因此檢測得的電壓較低。隨著前臂向上彎舉到最高點，這2 條曲線都有明顯的升高，肱二頭肌的曲線變化最明顯，有1 V 左右的提升。當啞鈴放下時，這2 條曲線又慢慢回落到初始值附近。肱三頭肌和三角肌在手臂下垂時，起始電壓較大，原因是手提啞鈴時，這兩處肌肉初始就是施力收縮的狀態(tài)。從圖10 中看出，在舉起啞鈴的過程中，肱三頭肌有一個先略微下降再升高的變化，反之，在放下啞鈴時，也有一個略微升高再下降的變化。升高或下降的過程與肱二頭肌和橈側(cè)腕屈肌曲線的升高或下降是同步的。說明隨著舉起啞鈴的動作，肱二頭肌和橈側(cè)腕屈肌收縮，與此同時肱三頭肌先略微拉伸再明顯收縮，放下啞鈴的過程正好相反。在實際的動作中仔細觀察肱三頭肌的狀態(tài)變化，的確如曲線所示?？梢钥闯觯? 路數(shù)據(jù)曲線很好地同步反映了肌肉群拉伸和收縮的狀態(tài)變化，細小的變化也能被檢測到。

5 小結(jié)

本文介紹了利用光電容積描記法檢測肌肉收縮運動的原理，設(shè)計了可以同步測量4 路信號的肌肉收縮傳感電路系統(tǒng)。該電路同時檢測4 路信號的設(shè)計，是對同類電路在功能上的改進。電路中4 個傳感模塊與單片機主控模塊分開放置，增加了整個電路系統(tǒng)穿戴上的方便性。從測試結(jié)果上看，該電路系統(tǒng)測量準確，工作穩(wěn)定，實現(xiàn)了預期功能，具有一定的實用價值。