基于ADS1294的表面肌電信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

林錦榮，譚北海，謝勝利

基于ADS1294的表面肌電信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

林錦榮，譚北海，謝勝利

目的：設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種表面肌電信號(hào)采集系統(tǒng)。方法：由基于ADS1294數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片的前端信號(hào)采集模塊、基于LPC2368的微處理器模塊以及運(yùn)行在Windows環(huán)境下的上位機(jī)控制程序構(gòu)成整套系統(tǒng)。由上位機(jī)程序發(fā)出控制命令，經(jīng)串口傳輸?shù)轿⑻幚砥鳎瑥亩鴮?shí)現(xiàn)對(duì)前端采集模塊的控制，將采集到的信號(hào)經(jīng)過(guò)微處理器模塊最終傳輸?shù)絺€(gè)人計(jì)算機(jī)上進(jìn)行顯示與保存。結(jié)果：系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)從人體采集多路表面肌電信號(hào)，在上位機(jī)程序中動(dòng)態(tài)顯示，并將信號(hào)轉(zhuǎn)換成24位μV級(jí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在個(gè)人計(jì)算機(jī)上。結(jié)論：經(jīng)過(guò)大量臨床試驗(yàn)表明，系統(tǒng)具有體積小、功耗低、精度高以及操作直觀等優(yōu)點(diǎn)，可以獲得多路清晰的表面肌電信號(hào)，可以應(yīng)用于肌肉臨床診斷、康復(fù)醫(yī)學(xué)及運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。

表面肌電圖；ADS1294；LPC2368

0 引言

肌電是神經(jīng)、肌肉興奮發(fā)放生物電的結(jié)果，它是產(chǎn)生肌肉力的電信號(hào)根源。常用的獲取肌電信號(hào)的手段有針電極插入肌肉檢測(cè)和表面肌電檢測(cè)2種。其中，采用針電極的優(yōu)點(diǎn)是干擾小、定位性好、易識(shí)別，但由于它是一種有創(chuàng)的檢測(cè)方法，其應(yīng)用受到一定限制[1-2]。而采用表面電極相比較而言具有無(wú)創(chuàng)性、操作簡(jiǎn)易、患者易于接受等優(yōu)點(diǎn)，并且采集到的表面肌電圖（surface electro myography，SEMG）作為特異性良好的評(píng)估神經(jīng)肌肉功能狀態(tài)指標(biāo)被廣泛應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)、康復(fù)醫(yī)學(xué)的肌肉功能評(píng)價(jià)，以及體育科學(xué)中的疲勞判定、運(yùn)動(dòng)技術(shù)合理性分析、肌纖維類(lèi)型和無(wú)氧閾值的損傷性預(yù)測(cè)等領(lǐng)域[3]。鑒于SEMG具有的優(yōu)點(diǎn)以及廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，本文設(shè)計(jì)一種基于集成模塊以及微處理器的體積小、功耗低、操作簡(jiǎn)易、功能完善的表面肌電采集系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)構(gòu)建與工作原理

作為生物電的SEMG具有一般電信號(hào)的3大特征：幅度小、頻譜低及信號(hào)源阻抗大。SEMG是自人體體表特定點(diǎn)處拾取的生物電信號(hào)，信號(hào)通常十分微弱，其幅度一般不超過(guò)5 mV，且頻率較低，頻譜范圍一般為0.02～500 Hz，能量主要集中在0.25～350 Hz的范圍內(nèi)。作為肌電的信號(hào)源，人體源阻抗一般較大，可達(dá)幾千歐姆甚至幾十千歐姆[4]。因此，在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中需要考慮信號(hào)放大、濾波以及去噪等問(wèn)題，才能獲取到可用于觀測(cè)與分析的SEMG。同時(shí)為了使系統(tǒng)的操作更為直觀，系統(tǒng)將配套一個(gè)運(yùn)行在Windows環(huán)境下帶界面的上位機(jī)程序，該程序具有實(shí)時(shí)顯示采集到的多路信號(hào)以及數(shù)據(jù)保存等功能。系統(tǒng)構(gòu)建的整體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架

系統(tǒng)的工作過(guò)程：

（1）連接設(shè)備，將采集電極貼到人體的相應(yīng)部位，并啟動(dòng)上位機(jī)程序，完成系統(tǒng)的通信配置；由上位機(jī)程序通過(guò)微處理模塊向前端信號(hào)采集模塊發(fā)出控制命令，開(kāi)始信號(hào)的采集。

（2）采集到的多路SEMG信號(hào)在A/D轉(zhuǎn)換后，經(jīng)過(guò)濾波、放大及去噪處理傳輸?shù)轿⑻幚砥?，由微處理器?duì)其進(jìn)行編碼處理，傳輸?shù)缴衔粰C(jī)程序。

（3）上位機(jī)程序?qū)邮盏降亩嗦窋?shù)據(jù)進(jìn)行解碼與預(yù)處理，得到多路清晰的SEMG，并實(shí)現(xiàn)顯示、保存以及打印輸出的功能。

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件電路的設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 硬件電路

2.1 前端采集模塊

由于SEMG所具備的上述特征，要求信號(hào)采集模塊需要包含前置放大電路、工頻陷波、濾波電路、主放大電路、右腿驅(qū)動(dòng)電路以及A/D轉(zhuǎn)換等。如采用傳統(tǒng)模擬電路進(jìn)行硬件電路的搭建，電路將存在整體成本較高、體積較大、調(diào)試復(fù)雜等缺點(diǎn)，同時(shí)鑒于目前專(zhuān)門(mén)用于生物電信號(hào)測(cè)量的集成芯片的出現(xiàn)，本設(shè)計(jì)將采用由TI公司設(shè)計(jì)的專(zhuān)門(mén)用于生物電位測(cè)量的ADS1294芯片。ADS1294是TI公司推出的4通道生物電采集芯片，內(nèi)部集成了AFE前置模塊、數(shù)字濾波、右腿驅(qū)動(dòng)、A/D轉(zhuǎn)換，是一款基于SPI接口的可編程芯片，通過(guò)內(nèi)部寄存器可以選擇內(nèi)部電路開(kāi)關(guān)、設(shè)置增益、采樣率等；其24位的A/D轉(zhuǎn)換精度可達(dá)μV級(jí)，完全滿(mǎn)足SEMG的采集需要。

2.2 微處理器模塊

本系統(tǒng)采用LPC2368作為微處理器。LPC2368是一款NXP公司生產(chǎn)的基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和嵌入式跟蹤的32/16位ARM7TDMI-S CPU的低功耗微控制器芯片，可在高達(dá)72 MHz的工作頻率下運(yùn)行。ARM7TDMI-S是基于RISC原理設(shè)計(jì)的，RISC簡(jiǎn)化了處理器的譯碼工作，從而大大提高了處理速度、指令吞吐量和中斷響應(yīng)速度。

同時(shí)，由于LPC2368內(nèi)置一個(gè)SPI接口控制器、多種向量中斷控制器以及串口，大大簡(jiǎn)化了模塊的外圍電路設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)中，SPI工作在主從機(jī)模式，作用是由主控LPC2368對(duì)SPI接口發(fā)起寫(xiě)操作，從而配置ADS1298芯片，并通過(guò)SPI從ADS1294中讀取多通道SEMG數(shù)據(jù)；外部中斷采用邊沿觸發(fā)方式，每當(dāng)ADS1294完成數(shù)據(jù)采集且其指示引腳/DRDY的下降沿到來(lái)時(shí)，便會(huì)觸發(fā)外部中斷，從而在ARM中觸發(fā)中斷響應(yīng)程序，讀取SPI中的數(shù)據(jù)；由于系統(tǒng)采集的是多路信號(hào)，因此，在串口傳輸前需對(duì)其進(jìn)行分通道的編碼處理，進(jìn)而利用串口將編碼后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絺€(gè)人計(jì)算機(jī)的上位機(jī)處理程序。

2.3 隔離保護(hù)電路

為了使系統(tǒng)具備便攜的優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)采用USB進(jìn)行供電。由于引入了220 V市電，為防止市電通過(guò)數(shù)字電路串入導(dǎo)聯(lián)的電極從而對(duì)人體產(chǎn)生直接傷害，需要在采集電極與處理器模塊間增加隔離電路。傳統(tǒng)的生物電采集設(shè)計(jì)中采用光耦進(jìn)行隔離[5]，考慮到光耦芯片存在能耗較大的問(wèn)題，因此，本設(shè)計(jì)采用用多片磁耦芯片搭建隔離保護(hù)電路。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 ARM驅(qū)動(dòng)程序

微處理器模塊采用LPC2368作為控制芯片，采用C語(yǔ)言編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)控制程序。程序主要采用前后臺(tái)工作模式。主函數(shù)先進(jìn)行串口以及相關(guān)IO的初始化，進(jìn)入輪詢(xún)，通過(guò)不斷檢測(cè)標(biāo)志信號(hào)判斷是否接收到可用的多通道SEMG數(shù)據(jù)，有則將數(shù)據(jù)進(jìn)行分通道編碼并通過(guò)串口傳輸?shù)絺€(gè)人計(jì)算機(jī)的上位機(jī)程序；后臺(tái)工作2個(gè)中斷程序，包括高優(yōu)先級(jí)的串口中斷以及低優(yōu)先級(jí)的外部中斷。當(dāng)上位機(jī)發(fā)出“開(kāi)始/停止采集”命令，將觸發(fā)串口中斷程序，以判斷命令的種類(lèi)（是“開(kāi)始采集”還是“停止采集”），進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)ADS1294的使能或停止控制；當(dāng)ADS1294完成一次數(shù)據(jù)采集則通過(guò)IO向ARM處理器發(fā)出中斷信號(hào)，此時(shí)將觸發(fā)外部中斷程序，進(jìn)而通過(guò)SPI讀取采集到的數(shù)據(jù)，并改變標(biāo)志信號(hào)，以通知主函數(shù)已經(jīng)接收到可用數(shù)據(jù)。驅(qū)動(dòng)程序主要流程如圖3所示。

3.2 上位機(jī)處理程序

這是一個(gè)運(yùn)行在Windows環(huán)境下帶界面的上位機(jī)程序，開(kāi)發(fā)環(huán)境是VC++6.0。主要功能包括發(fā)送系統(tǒng)控制命令（開(kāi)始/停止采集）、對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波去噪、實(shí)時(shí)顯示濾波后的多路SEMG信號(hào)、保存用戶(hù)數(shù)據(jù)等。由于上位機(jī)程序是基于MFC類(lèi)進(jìn)行開(kāi)發(fā)的，程序的相關(guān)動(dòng)作都是基于事件觸發(fā)的。事件處理流程如圖4所示。

其中，“控制按鍵”事件中主要調(diào)用writefile函數(shù)向串口發(fā)送控制命令，而“串口數(shù)據(jù)”事件中則主要調(diào)用readfile函數(shù)從串口中讀取數(shù)據(jù)；由于采集到的SEMG中仍然存在50Hz工頻干擾[6]，因此，采用50 Hz梳狀濾波器進(jìn)行濾波，以去掉明顯的工頻干擾；再者，由于受到呼吸干擾和電極移動(dòng)所引入的低頻干擾的影響，采集信號(hào)中往往出現(xiàn)基線漂移的現(xiàn)象[7]；由于基線漂移干擾頻率存在隨機(jī)性，傳統(tǒng)的截止頻率固定的濾波器濾波效果無(wú)法滿(mǎn)足。因此，這里采用基于排序統(tǒng)計(jì)理論非線性濾波法的中值濾波[8]，這是被廣泛應(yīng)用于基線漂移的處理方法[9]。

圖3 驅(qū)動(dòng)程序主要流程

圖4 事件處理流程

4 結(jié)果與分析

圖5顯示的是利用本系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集到的一路人體小腿的表面肌電信號(hào)，可以觀測(cè)到信號(hào)波形比較清晰，沒(méi)有出現(xiàn)工頻干擾以及基線漂移等現(xiàn)象，基本滿(mǎn)足對(duì)SEMG信號(hào)的觀測(cè)與分析要求。同時(shí)，從圖中也可以觀測(cè)到有部分微弱心電信號(hào)成分，這是由于人體心電信號(hào)的頻率范圍為0.7～100 Hz[10]，與部分肌電信號(hào)的頻率相重合，因此，常規(guī)的基于頻帶濾波的方式不能有效去除心電干擾，所以，在采集到的SEMG信號(hào)中也可以觀測(cè)到包含了這些大致以周期出現(xiàn)的心電信號(hào)成分，而這些心電信號(hào)隨著測(cè)量電極的位置不同，幅值也有所差異。但是，在大量的設(shè)備測(cè)量與調(diào)試中，微弱的心電信號(hào)并不會(huì)對(duì)SEMG的測(cè)量與分析造成干擾，因此，本系統(tǒng)完全滿(mǎn)足采集多路可用SEMG信號(hào)的要求。目前，在相關(guān)的信號(hào)處理領(lǐng)域中也提出了多種在肌電信號(hào)中去除心電干擾的方法，比如其中一種基于心電定位與小波閾值相結(jié)合的小波變換分析方法[11]，可以去除膈肌肌電圖信號(hào)中的心電干擾。

圖5 采集到的一路SEMG波形

5 結(jié)論

經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，系統(tǒng)基于ADS1294信號(hào)采集模塊、LPC2368微處理模塊以及上位機(jī)信號(hào)處理模塊，較好地實(shí)現(xiàn)了采集多路清晰的人體表面肌電信號(hào)，實(shí)時(shí)傳輸?shù)絺€(gè)人計(jì)算機(jī)上進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示與數(shù)據(jù)保存的功能。同時(shí)，系統(tǒng)具備了體積小、功耗低、精度高以及操作直觀等優(yōu)點(diǎn)，可以應(yīng)用于肌肉臨床診斷、康復(fù)醫(yī)學(xué)及運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。

[1]吳文，黃國(guó)志，劉湘江.表面肌電圖用于腰椎間盤(pán)突出療效評(píng)定研究[J].中華物理醫(yī)學(xué)和康復(fù)雜志，2002，4（9）：551-553.

[2]郭紅敏，陶細(xì)嬌，梅元武，等.肌電圖對(duì)肌肉萎縮側(cè)索硬化與脊髓型

（????）（????）頸椎病的鑒別診斷價(jià)值[J].中國(guó)臨床康復(fù)，2003，7（10）：1572-1573.

[3]馬慶春，李林.表面肌電圖在兒童神經(jīng)康復(fù)醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀[J].中國(guó)康復(fù)理論與實(shí)踐，2010，16（12）：1 144-1 146.

[4]趙春雷，孫會(huì)琴.基于AVR單片機(jī)的肌電信號(hào)生物反饋測(cè)試儀的設(shè)計(jì)[J].醫(yī)療裝備，2012，25（12）：6-9.

[5]楊景芝.數(shù)字信號(hào)光耦合器應(yīng)用電路設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)，2008，46（10）：34-36.

[6]周立功，張華.深入淺出ARM7：LPC213X/214X：下冊(cè)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

[7]李小玲，劉輝輝，陳曉冰.心電檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用[J].電子測(cè)試，2009，16（11）：17-19.

[8]蔡坤，陸堯勝.基于中值濾波的心電基線校正方法的研究[J].醫(yī)療設(shè)備信息，2004，19（2）：5-7.

[9]汪家旺，吳玲燕，楊濤.幾種去心電基線漂移算法的實(shí)現(xiàn)和比較[J].中國(guó)醫(yī)療器械信息，2008，14（6）：30-33.

[10]Naregalkar A，Naga A V H，Nikita S，et al.ECG noise kemoval and QRS complex detection using UWT[J].ICEIE，2010（2）：438-442.

[11]謝燕江，楊智，范正平，等.應(yīng)用小波變換去除膈肌肌電圖信號(hào)中的心電干擾[J].電子學(xué)報(bào)，2010，38（2）：365-370.

（收稿：2014-06-13 修回：2014-10-08）

Design of ADS1294 SEMG acquisition system

LIN Jin-rong,TAN Bei-hai,XIE Sheng-li
（School of Automation,Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006,China）

ObjectiveTo design and implement one kind of SEMG signal acquisition system.MethodsThe system consisted of three parts,namely,signal acquisition module based on digital-analog conversion chip ADS1294,LPC2368 microprocessor module and PC application program under Windows.The control commands were sent from PC application program first,and transmitted to the microprocessor to control the signal acquisition module,and then the acquired signals were displayed and stored on PC.ResultsThe system could acquire multiplex real-time SEMGs,display in the PC program dynamically,and convert signals into 24 μV level data and store them on PC.ConclusionThe system is proved to have low volume,low power to consumption,high precision and easy operation,which can obtain multiplex SEMGs and thus can be used for diagnosis of muscle disease,rehabilitation medicine and sport medicine.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（1）：5-7，28]

SEMG;ADS1294;LPC2368

TP274+.2；R318

A

1003-8868（2015）01-0005-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.01.005

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61203117）

林錦榮（1990—），男，研究方向?yàn)樯镫娦盘?hào)處理，E-mail：13422076575@163.com。

510006廣州，廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院（林錦榮，譚北海，謝勝利）

譚北海，E-mail：bhtan@gdut.edu.cn