上肢康復(fù)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)肌電信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.引言

近年來(lái)隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展和微處理器的廣泛應(yīng)用，對(duì)肌肉電信號(hào)的檢測(cè)手段逐漸豐富和完善，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)表面肌電信號(hào)的研究也逐漸深入。使得表面肌電信號(hào)在臨床醫(yī)學(xué)、運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)[1]、康復(fù)醫(yī)學(xué)[2]、及體育運(yùn)動(dòng)等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。

本課題以211工程建設(shè)平臺(tái)“康復(fù)工業(yè)過(guò)程運(yùn)行于控制集成優(yōu)化——流程工業(yè)過(guò)程建模、優(yōu)化控制方法”的子課題“上肢康復(fù)機(jī)器人控制及評(píng)價(jià)系統(tǒng)研究”為背景，在上肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)基礎(chǔ)上，完成肌電信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。通過(guò)本課題工作的開(kāi)展，可以完成對(duì)采集到的肌電信號(hào)進(jìn)行處理與分析，使康復(fù)訓(xùn)練和康復(fù)評(píng)價(jià)過(guò)程形成一個(gè)閉環(huán)，可以根據(jù)患者康復(fù)程度調(diào)整訓(xùn)練方案，進(jìn)一步達(dá)到較佳的康復(fù)訓(xùn)練水平[3]，進(jìn)一步為建立科學(xué)的康復(fù)評(píng)價(jià)體系提供依據(jù)。

2.肌電信號(hào)的特點(diǎn)

表面肌電信號(hào)是肌肉中許多運(yùn)動(dòng)單元?jiǎng)幼麟娢辉跁r(shí)間和空間上的疊加，反映了神經(jīng)、肌肉的功能狀態(tài)。因不同個(gè)體、肌肉而存在差異，但仍具有以下共性，表面肌電信號(hào)一般有以下典型特征[4]：

(1)肌電信號(hào)是一種微弱的電信號(hào)。肌電信號(hào)的幅度范圍一般在0-5mV，肌肉收縮時(shí)為60-300uV，松弛時(shí)約為20-30uV，而且一般不會(huì)超過(guò)噪音水平。對(duì)于健康人，肌電幅度的峰峰值可達(dá)1-3mV。對(duì)于殘肢者，其肌電幅值一般小于350uV，有的甚至不足1uV，約比正常人減小數(shù)倍至幾十倍；

(2)肌電信號(hào)是一種交流電壓，存在著交變性，它在幅值上與肌肉產(chǎn)生的力大致成比例。肌肉松弛和緊張度與產(chǎn)生的表面肌電電壓幅度之間存在著良好的線性關(guān)系；

(3)頻域參數(shù)比時(shí)域參數(shù)更能反映肌電特征。因?yàn)楫?dāng)力大小稍有變化時(shí)，其時(shí)域波形變化較大，而頻域特征變化不是很大；

(4)采用表面電極時(shí)，肌電信號(hào)能量主要集中在1000Hz以下，頻譜分布在20-500Hz，主要集中在500Hz以下，300Hz以上顯著減弱。其中，絕大部分頻譜集中在50-150Hz之間。功率譜最大頻率隨肌肉而定，通常在30-300Hz之間；

(5)不同肌肉的肌電信號(hào)存在差異性[5]。在頻域上，不同肌肉的肌電信號(hào)，其頻率的幅值不僅存在數(shù)值范圍上的差別，更重要的是在功率譜的分布各有特征；

（6）同一塊肌肉在作不同動(dòng)作時(shí)，其幅值譜頻率特性曲線形狀仍然相似，從而說(shuō)明不同肌肉的肌電發(fā)放存在著一定的規(guī)律性[6]。

這些典型特征為肌電信號(hào)的應(yīng)用及采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。

3.硬件設(shè)計(jì)

3.1 電極

表面肌電信號(hào)是一種非常微弱的電信號(hào)，而它的獲取是由電極傳感器實(shí)現(xiàn)的，所以說(shuō)選擇合適的電極在整個(gè)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中至關(guān)重要。表面電極也稱皮膚電極，其特點(diǎn)是使用簡(jiǎn)便，一般只需粘貼于身體表面即可使用，并且不會(huì)對(duì)患者造成創(chuàng)傷。本文選用的就是表面電極，無(wú)紡布ECG理療電極，長(zhǎng)度4cm寬度4cm，厚2mm，電阻只有150-300歐姆。圖3.1為無(wú)紡布ECG理療電極的圖片。

3.2 調(diào)理電路

由于表面肌電信號(hào)十分微弱，其幅度范圍一般在0-5mV，所以要對(duì)其進(jìn)行放大處理。本文中采用的主要是儀用放大器AD620。AD620是一款低成本、高精度儀表放大器，僅需要一個(gè)外部電阻來(lái)設(shè)置增益，增益范圍為1至10，000。此外，AD620采用8引腳SOIC和DIP封裝，尺寸小于分立式設(shè)計(jì)，并且功耗較低(最大電源電流僅1.3mA)，并且具有高精度(最大非線性度40ppm)、低失調(diào)電壓(最大50µ；V)和低失調(diào)漂移(最大0.6µ；V/°C)特性，傳感器接口等精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的理想之選。它還具有低噪聲、低輸入偏置電流和低功耗特性，使之非常適合ECG等醫(yī)療應(yīng)用。

AD620引腳圖如圖3.2。

圖3.1 無(wú)紡布ECG理療電極

圖3.2 AD620引腳圖

圖3.3 NI-USB-6210數(shù)據(jù)采集卡

AD620增益公式為：

圖3.4 肌電信號(hào)的采集過(guò)程

圖3.5 美標(biāo)直頭一體五導(dǎo)心電導(dǎo)聯(lián)線

圖3.6 肌電信號(hào)采集系統(tǒng)的硬件實(shí)物圖

本調(diào)理電路中實(shí)現(xiàn)放大100倍，實(shí)際中應(yīng)用電阻取510歐姆，達(dá)到了良好的效果。

3.3 采集卡

信號(hào)處理器種類繁多，不同種類的信號(hào)處理器針對(duì)著不同的信號(hào)，而肌電信號(hào)因?yàn)槠湫盘?hào)微弱的特點(diǎn)，本文采用美國(guó)國(guó)家儀器有限公司生產(chǎn)的專用DAQ數(shù)據(jù)采集卡USB-6210。圖3.3為NI-USB-6210數(shù)據(jù)采集卡。

它是一種USB總線供電多功能DAQ，有以下突出優(yōu)點(diǎn)：

＊自動(dòng)檢測(cè)和配置的USB2.0接口，即插即用

＊16路16位高精度模擬輸入，單通道采樣率250kS/s

＊USB總線供電，無(wú)需外接電源，可方便攜帶

＊4路數(shù)字輸入，4路數(shù)字輸出，32位計(jì)數(shù)器

＊與LabVIEW、LabWindows/CVI和Me asurement studio for Visual Studio.NET兼容

3.4 上位機(jī)

上位機(jī)采用普通計(jì)算機(jī)即可，基本的運(yùn)行要求為主頻1.5GHz以上，硬盤(pán)剩余空間>3G，操作系統(tǒng)WindowsXP SP3以上，兼容Windows7，USB主機(jī)協(xié)議2.0。由于筆記本電腦移動(dòng)靈活，使用方便，故本文中使用筆記本電腦作為上位機(jī)。

3.5 線路連接

表面肌電信號(hào)經(jīng)過(guò)電極，調(diào)理電路，采集卡傳輸給上位機(jī)，在上位機(jī)中通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)信號(hào)的數(shù)字處理。肌電信號(hào)的采集過(guò)程如圖3.4所示。

本文中電極采用的是無(wú)紡布ECG理療電極，也是一種紐扣式電極，市面上有專用的導(dǎo)線進(jìn)行連接。本文采用的是美標(biāo)直頭一體五導(dǎo)心電導(dǎo)聯(lián)線，以下簡(jiǎn)稱五導(dǎo)連線。五導(dǎo)連線一般用于心電檢測(cè)，對(duì)于微小信號(hào)采集效果較好，能夠同時(shí)采集四通道的信號(hào)。圖3.5為美標(biāo)直頭一體五導(dǎo)心電導(dǎo)聯(lián)線。

NI-USB-6210數(shù)據(jù)采集卡采用螺絲端子接線方式，簡(jiǎn)單易用。本文中采用差分輸入，能夠有效解決共模干擾問(wèn)題。而采集卡與上位機(jī)連接通過(guò)USB2.0接口，采用USB總線供電，即插即用，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)有效快速的傳輸。圖3.6為系統(tǒng)的硬件實(shí)物圖

4.軟件設(shè)計(jì)

本文采用LabVIEW作為軟件開(kāi)發(fā)工具。LabVIEW是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程工具，自身提供了大量常用于自動(dòng)化測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域的圖形控件，可以實(shí)現(xiàn)從儀器連接、數(shù)據(jù)采集到分析、顯示和存儲(chǔ)等功能。LabVIEW易用易學(xué)，具有以下幾個(gè)主要的優(yōu)勢(shì)[7]：

(1)提供了豐富的圖形控件，采用圖形化的編程方法；

(2)采用數(shù)據(jù)流模型，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)的多線程，從而充分利用處理器的處理能力；

(3)提供了大量的驅(qū)動(dòng)與專用工具，幾乎能與任何接口的硬件輕松連接；

(4)內(nèi)建了600多個(gè)分析函數(shù)，用于數(shù)據(jù)分析和信號(hào)處理；

(5)通過(guò)DLL、ActiveX、.NET或MATLAB腳本節(jié)點(diǎn)等技術(shù)，可以輕松實(shí)現(xiàn)LabVIEW與其它編程語(yǔ)言的混合編程。

實(shí)際采集過(guò)程中，由于表面肌電信號(hào)十分微小，且頻率分布在20-500Hz之間，其中包含了工頻成分。所以在軟件設(shè)計(jì)中，首先要解決的是濾波器的設(shè)計(jì)，將低于20Hz、高于500Hz頻率部分濾掉，并且除去50Hz工頻干擾。從功能角度，系統(tǒng)了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示采集到的電壓波形以及頻率、功率等參數(shù)，能夠隨時(shí)開(kāi)始采集以及暫停與停止，并能夠?qū)⒉杉降男盘?hào)保存成圖形和文本等數(shù)據(jù)庫(kù)形式，以便后期的進(jìn)一步分析。軟件設(shè)計(jì)的程序設(shè)計(jì)如圖4.1所示。

圖4.1 肌電信號(hào)采集系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

5.應(yīng)用效果

肌電信號(hào)采集系統(tǒng)的前端面板如圖5.1。

圖5.1 肌電信號(hào)采集系統(tǒng)的前端面板

如圖5.1所示，在采集系統(tǒng)與上位機(jī)成功連接后，系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別并加載相應(yīng)驅(qū)動(dòng)程。用戶首先要選擇物理通道，本文中設(shè)置為通道ai5；其次要設(shè)置采樣頻率，由于肌電信號(hào)頻率最高不超過(guò)500Hz，根據(jù)采樣定理，設(shè)置采樣頻率為1000Hz即可；點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕即可進(jìn)行采集，面板中三個(gè)示波器顯示的分別為功率譜，頻譜以及幅值，完成采集可點(diǎn)擊停止按鈕，采集數(shù)據(jù)將生成.tdms文件，形成數(shù)據(jù)庫(kù)，供進(jìn)一步分析使用。

6.結(jié)語(yǔ)

肌電信號(hào)采集系統(tǒng)是康復(fù)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的重要組成部分，對(duì)患者的康復(fù)訓(xùn)練評(píng)定有著不容忽視的作用。本文進(jìn)行了表面肌電信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，分為硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)兩部分：硬件設(shè)計(jì)主要是對(duì)電極、調(diào)理電路、采集卡、和上位機(jī)進(jìn)行合適的選擇并進(jìn)行連接調(diào)試；軟件設(shè)計(jì)主要針對(duì)肌電信號(hào)的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了濾波處理與實(shí)時(shí)顯示以及保存數(shù)據(jù)等功能。論文對(duì)于肌電信號(hào)采集系統(tǒng)的搭建與功能完善具有實(shí)際意義。

[1]Sbriccoli P.,Bazzucchi I.,Rosponi A.,et a1.Amplitude and spectral characteristics of biceps Brachii sEMG depend upon speed of isometric force generation[J].Journal of Electromyography and Kinesiology,2003,(13):139.147.

[2]Choi K.,Hirose H.,Iijima T.,et a1.Prediction of Four Degrees of Freedom Arm Movement Using EMG Signal[J].Proceedings of the 2005 IEEE.Engineering in Medicineand Biology 27thAnnual Conference,Shanghai,2005:1018.

[3]伊永峰.手臂康復(fù)機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)及控制系統(tǒng)研究[D].哈爾濱工程大學(xué),2005.Paolo Dario,Eugenio Guglielmelli,et al.Robottic for Medical Applications.IEEE Robotics and Automation Magazine[C].September,1996:44-56.

[4]李立峰.智能假肢控制源—肌電信號(hào)采集分析系統(tǒng)的研究[D].武漢:華中科技大學(xué),2005.

[5]胡天培.肌電特征發(fā)現(xiàn)與肌電康復(fù)研究[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),1994,28(3):28-31.

[6]王浩.智能肌電假手控制系統(tǒng)研究[D].大連:大連理工大學(xué),2004.

[7]陳錫輝,張銀鴻.LabVIEW 8.20程序設(shè)計(jì)[J].北京:清華大學(xué)出版社,2007:132-141.