基于CAN總線的肌電檢測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

王金平

摘 要： 簡(jiǎn)要闡述了肌電檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成與應(yīng)用，是典型的跨學(xué)科研究，采用醫(yī)工結(jié)合的方法，應(yīng)用在醫(yī)療康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)中，明顯地具有實(shí)踐效果的放大性。

關(guān)鍵詞： sEMG；CAN總線；肌電檢測(cè)；康復(fù)機(jī)器人

跨學(xué)科研究是近來(lái)科學(xué)方法討論的熱點(diǎn)之一，基于CAN總線的肌電檢測(cè)系統(tǒng)提出一種全新的方案與研究方法，利用醫(yī)工結(jié)合的方法，發(fā)揮交叉學(xué)科優(yōu)勢(shì)，建立新型系統(tǒng)平臺(tái)。系統(tǒng)由三大部分組成：肌電檢測(cè)模塊、CAN總線通信模塊和上位機(jī)軟件。

一、肌電檢測(cè)模塊

隨著社會(huì)的發(fā)展，對(duì)醫(yī)療保健產(chǎn)品的需求變大，同時(shí)對(duì)產(chǎn)品的要求也會(huì)更高，肌電信號(hào)是神經(jīng)肌肉系統(tǒng)在進(jìn)行隨意性和非隨意性活動(dòng)時(shí)的生物電變化經(jīng)電極引導(dǎo)、放大、顯示和記錄所獲得的一維電壓時(shí)間序列信號(hào)，肌電近年來(lái)的研究在不斷加深，廣泛用于體育科學(xué)研究、康復(fù)醫(yī)學(xué)臨床和基礎(chǔ)研究等領(lǐng)域，肌電信號(hào)檢測(cè)是一個(gè)實(shí)用系統(tǒng)，不僅是基礎(chǔ)研究的需要，而且對(duì)于了解人體神經(jīng)系統(tǒng)信息及康復(fù)工程都有著深遠(yuǎn)的意義。表面肌電信號(hào)（surface electromyography，sEMG）是肌電檢測(cè)的一種，是肌肉收縮時(shí)伴隨的電信號(hào)，相對(duì)于針電極EMG，SEMG在測(cè)量上具有非侵入性、無(wú)創(chuàng)傷、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，是在體表無(wú)創(chuàng)檢測(cè)肌肉活動(dòng)的重要方法。我們研究分析表面肌電信號(hào)的檢測(cè)與分析方法，也包括檢測(cè)技術(shù)與裝置及利用表面肌電信號(hào)反饋控制外部裝置的方法等。模塊有三片Ag/AgCl電極，中間電極為參考地端，兩側(cè)兩個(gè)構(gòu)成差分輸入端。引入的參考地端電極有效降低了噪聲干擾，提高了共模抑制能力。信號(hào)調(diào)理電路主要包括高通濾波、高倍放大、低通濾波幾個(gè)部分。

二、CAN總線通信模塊運(yùn)用

基于自主優(yōu)先級(jí)仲裁和錯(cuò)誤重發(fā)機(jī)制的CAN總線應(yīng)用十分廣泛，控制器局部網(wǎng)（CAN—Controller Area Network）是一種現(xiàn)場(chǎng)總線，它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。CAN總線網(wǎng)絡(luò)上任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)均可以在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，可以實(shí)現(xiàn)全分布式多機(jī)系統(tǒng)，提高數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)目煽啃浴Ｔ诟鞣N現(xiàn)場(chǎng)總線中，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、應(yīng)用靈活方便，CAN總線在汽車(chē)工業(yè)、自動(dòng)控制、航空航天、機(jī)械工業(yè)、醫(yī)療器械等領(lǐng)域中得到了極大的應(yīng)用和發(fā)展。肌電檢測(cè)系統(tǒng)以CAN總線進(jìn)行肌電信號(hào)的通信，多路肌電信號(hào)實(shí)時(shí)上傳，實(shí)現(xiàn)了在設(shè)計(jì)成本、傳輸速率、傳輸穩(wěn)定性、傳輸安全性、易于組網(wǎng)以及總線協(xié)議完善設(shè)計(jì)方面的優(yōu)勢(shì)。實(shí)際開(kāi)發(fā)中網(wǎng)絡(luò)兩端都需要加終端電阻120Ω；使用屏蔽雙絞線，屏蔽層單點(diǎn)接大地；收發(fā)器CAN接口輸出的差分電平會(huì)隨著供電電壓的變化而變化，供電電壓應(yīng)在規(guī)定范圍內(nèi)。

三、上位機(jī)軟件

基于CAN總線的肌電檢測(cè)系統(tǒng)的上位機(jī)軟件就是智能康復(fù)機(jī)器人軟件系統(tǒng)，肌電檢測(cè)信號(hào)通過(guò)CAN總線通信上傳給上位機(jī)軟件系統(tǒng)，優(yōu)化踝關(guān)節(jié)智能康復(fù)機(jī)器人功能。

四、總結(jié)

中國(guó)人口老齡化問(wèn)題日益突出、人工成本急劇上升以及整體經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)面臨轉(zhuǎn)型，未來(lái)無(wú)論短期或是長(zhǎng)期，助老和醫(yī)用的服務(wù)型機(jī)器人將領(lǐng)先發(fā)展，機(jī)器人未來(lái)的崛起及其巨大的市場(chǎng)規(guī)模已經(jīng)被各大機(jī)構(gòu)認(rèn)可，目前現(xiàn)有的肌電檢測(cè)設(shè)備專(zhuān)用性強(qiáng)（如心電圖機(jī)），并且價(jià)格昂貴；或者無(wú)醫(yī)療許可，設(shè)備接口也不匹配。本課題研究的肌電檢測(cè)系統(tǒng)創(chuàng)新的應(yīng)用于踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人，組成患者健側(cè)運(yùn)動(dòng)信息檢測(cè)部分。利用肌電檢測(cè)系統(tǒng)采集健側(cè)信號(hào)結(jié)合康復(fù)機(jī)器人反饋信息帶動(dòng)患側(cè)進(jìn)行治療，提高康復(fù)訓(xùn)練的效果，發(fā)揮了跨學(xué)科應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)。